Windmolen

Achtergrond

Een windmolen is een constructie of machine die wind omzet in bruikbare energie door de rotatie van een wiel dat bestaat uit verstelbare bladen. Traditioneel wordt de door een windmolen opgewekte energie gebruikt om graan tot meel te malen. Windmolens zijn ontworpen door bekwame vakmensen en kunnen ter plaatse worden gebouwd met handgereedschap. Windmolens ontwikkelden zich door de eeuwen heen gestaag en bereikten hun grootste bekendheid in Europa in de achttiende eeuw. Ze werden grotendeels vervangen als een stroomopwekkingsstructuur toen stoomkracht in de negentiende eeuw werd ingezet. Tegenwoordig beleeft de windmolentechnologie een renaissance en belooft de windturbine in de toekomst een belangrijk alternatief voor fossiele brandstoffen te worden.

Geschiedenis

De mens gebruikt al eeuwen wind om machines aan te drijven. Het vroegste gebruik was hoogstwaarschijnlijk als krachtbron voor zeilboten, waardoor ze over het water werden voortgestuwd. De exacte datum waarop mensen windmolens speciaal voor het werk hebben gebouwd, is onbekend, maar het eerste geregistreerde ontwerp van een windmolen stamt uit Perzië rond A.D. 500-900. Deze machine werd oorspronkelijk gebruikt voor het verpompen van water, daarna werd hij aangepast voor het malen van graan. Het had verticale zeilen gemaakt van bundels lichtgewicht hout die met horizontale stutten aan een verticale as waren bevestigd. Het ontwerp, bekend als de panemone, is een van de minst efficiënte windmolenconstructies die is uitgevonden. Opgemerkt moet worden dat windmolens meer dan 2000 jaar geleden in China kunnen zijn gebruikt, waardoor het de eigenlijke geboorteplaats is voor windmolens met verticale as. Het vroegst geregistreerde gebruik dat door archeologen in China is gevonden, is echter A.D. 1219.

Het concept van de windmolen verspreidde zich na de kruistochten naar Europa. De vroegste Europese ontwerpen, gedocumenteerd in A.D. 1270, had horizontale assen in plaats van verticale. De reden voor deze discrepantie is onbekend, maar het is waarschijnlijk een gevolg van twee factoren. Ten eerste zijn de Europese windmolens mogelijk gemodelleerd naar waterwielen met een horizontale as. Het waterrad was daarvoor al lang bekend in Europa. Ten tweede was het ontwerp met de horizontale as efficiënter en werkte het beter. In het algemeen hadden deze molens vier bladen die op een centrale paal waren gemonteerd. Ze hadden een tandwiel en een tandwiel dat de horizontale beweging van de centrale as vertaalde in een verticale beweging voor de slijpsteen of het wiel dat vervolgens zou worden gebruikt voor het verpompen van water of het malen van graan.

De Europese molenmakers hebben de windmolentechnologie door de eeuwen heen enorm verbeterd. De meeste innovatie kwam van de Nederlanders en de Engelsen. Een van de belangrijkste verbeteringen was de introductie van de torenmolen. Dankzij dit ontwerp konden de bladen van de molen naar behoefte in de wind worden bewogen en kon het hoofdlichaam permanent op zijn plaats worden bevestigd. De Nederlanders creëerden torens met meerdere verdiepingen waar molenaars konden werken en wonen. De Engelsen introduceerden een aantal automatische besturingen die windmolens efficiënter maakten.

Tijdens de pre-industriële wereld waren windmolens de elektromotoren van Europa. Naast het pompen van water en het malen van graan, werden ze gebruikt voor het aandrijven van zagerijen en het verwerken van specerijen, kleurstoffen en tabak. De ontwikkeling van stoomkracht in de negentiende eeuw en de onzekere aard van windmolenkracht resulteerden echter in een gestage afname van het gebruik van grote windmolenconstructies. Tegenwoordig staat nog maar een klein deel van de windmolens die de wereld van stroom dreven nog over.

Zelfs toen grotere windmolens werden verlaten, bloeiden kleinere windmolens van het ventilatortype. Deze windmolens werden voornamelijk gebruikt voor het oppompen van water op boerderijen. In Amerika werden deze ontwerpen in de negentiende eeuw geperfectioneerd. De windmolen van Halladay werd in 1854 geïntroduceerd, gevolgd door de ontwerpen Aermotor en Dempster. De laatste twee ontwerpen zijn nog steeds in gebruik. Tussen 1850 en 1970 werden er in de Verenigde Staten zelfs meer dan zes miljoen gebouwd.

Ontwerp

Er zijn twee klassen windmolens, horizontale as en verticale as. Het ontwerp met verticale as was populair tijdens de vroege ontwikkeling van de windmolen. De inefficiëntie van de werking leidde echter tot de ontwikkeling van de talrijke ontwerpen voor horizontale assen.

Van de versies met horizontale assen zijn er verschillende, waaronder de paalmolen, de kielmolen, de torenmolen en de waaiermolen. Het vroegste ontwerp is de paalmolen. Het is genoemd naar de grote, rechtopstaande paal waaraan het lichaam van de molen is gebalanceerd. Dit ontwerp geeft de molenoperator flexibiliteit omdat de windmolen kan worden gedraaid om de meeste wind op te vangen, afhankelijk van de richting waarin hij waait. Om de paal stabiel te houden is er een draagconstructie omheen gebouwd. Meestal wordt deze structuur met baksteen of steen van de grond getild om rotting te voorkomen.

De paalmolen heeft vier bladen die op een centrale paal zijn gemonteerd. De horizontale as van de messen is verbonden met een groot remwiel. Het remwiel werkt samen met een tandwielsysteem, de wallower genaamd, dat een centrale, verticale as roteert. Deze beweging kan vervolgens worden gebruikt om water te pompen of graan te malen.

De kielmolen is vergelijkbaar met de paalmolen, maar heeft enkele belangrijke verbeteringen ondergaan. De naam is afgeleid van het feit dat het lichaam er vaag uitziet als een jurk of kiel zoals ze werden genoemd. Een voordeel is dat alleen het bovenblad van de molen verplaatsbaar is. Hierdoor kan de structuur van het hoofdlichaam meer permanent zijn, terwijl de rest kan worden aangepast om wind op te vangen, ongeacht in welke richting het waait. Omdat het niet beweegt, kan het hoofdlichaam groter en groter worden gemaakt. Dit betekent dat er meer apparatuur in de molen kan worden gehuisvest en dat hogere zeilen kunnen worden gebruikt om nog meer wind op te vangen. De meeste kielmolens zijn achtzijdig, hoewel dit kan variëren van zes tot twaalf.

Torenmolens zijn verdere verbeteringen aan kielmolens. Ze hebben een roterende kap en een permanent lichaam, maar dit lichaam is gemaakt van baksteen of steen. Dit feit maakt het mogelijk om de torens rond te maken. Een ronde structuur zorgt voor nog grotere en hogere torens. Bovendien maken baksteen en steen de torenwindmolens tot het meest weerbestendige ontwerp.

Terwijl de vorige windmolenontwerpen voor grotere constructies waren die hele steden konden bedienen, is de windmolen van het ventilatortype speciaal gemaakt voor individuen. Het is veel kleiner en wordt voornamelijk gebruikt voor het verpompen van water. Het bestaat uit een vaste toren (mast), een wiel- en staartsamenstel (ventilator), een kopsamenstel en een pomp. De masten kunnen 10-15 ft (3-15 m) hoog zijn. Het aantal bladen kan variëren van vier tot 20 en hebben een diameter tussen 6 en 16 ft (1,8-4,9 m).

Grondstoffen

Windmolens kunnen van verschillende materialen gemaakt worden. Postmolens zijn bijna volledig van hout gemaakt. Een lichtgewicht hout, zoals balsahout, wordt gebruikt voor de ventilatorbladen en een sterker, zwaarder hout wordt gebruikt voor de rest van de structuur. Het hout is bedekt met verf of een hars om het te beschermen tegen de buitenomgeving. De kiel- en torenmolens, gebouwd door de Nederlanders en Britten vóór de twintigste eeuw, gebruiken veel van dezelfde materialen die worden gebruikt voor de bouw van huizen, waaronder hout, bakstenen en stenen.

Het hoofdlichaam van de ventilatormolens is gemaakt van gegalvaniseerd staal. Dit proces van behandeling van staal maakt het weerbestendig en sterk. De bladen van de ventilator zijn gemaakt van lichtgewicht, gegalvaniseerd staal of aluminium. De pomp is gemaakt van brons en messing wat bevriezing tegengaat. Voor ringen en o-ringen worden leer of synthetische polymeren gebruikt.

Het fabricageproces

Windmolens worden altijd ter plaatse opgebouwd met kant-en-klare onderdelen. De volgende beschrijving heeft betrekking op de windmolen van het ventilatortype. De basis Een voorbeeld van een windmolen gebouwd in 1797. Stappen omvatten het maken van de onderdelen en vervolgens het monteren van de structuur.

De torendelen maken

• 1 De torendelen zijn gemaakt van verzinkt staal. Dit proces begint met een rol opgerold plaatstaal. De spoelen worden op een ontspoelapparaat geplaatst en naar de productielijn gevoerd. Ze worden onder een stijltang geleid om eventuele knikken of wendingen te verwijderen. De stukken worden op de juiste maat en vorm gesneden. In sommige gevallen kunnen stukken op een machine worden geplaatst die ze rolt en de naad las. De uiteinden worden onder een krimpmachine geleid en de stukken worden naar het afwerkingsstation gebracht.
• 2 Op het afwerkstation worden op specifieke plaatsen gaten geboord in de metalen delen zoals vereist door het windmolenontwerp. De onderdelen kunnen ook worden geverfd of gecoat voordat ze in de definitieve windmolenkit worden geplaatst.

De versnellingsbak maken

• 3 De versnellingsbak is een ingewikkeld geheel dat bestaat uit verschillende tandwielen, assen, rotoren en wielen. De onderdelen zijn gegoten en met de hand geassembleerd. Ze zijn geplaatst in een weerbestendige behuizing die is ontworpen om plaats te bieden aan de versnellingsbakonderdelen en het bevestigde wiel- en staartsamenstel.

De ventilator maken

• 4 De ventilator bestaat uit een metalen rand waaraan licht gebogen bladen zijn bevestigd. De velg wordt geproduceerd op een machine die stalen strips tot cirkelvormige hoepels rolt. Aan beide uiteinden wordt een gat geboord en ze worden verbonden met een kleine klem en schroef nadat de ventilatorbladen zijn bevestigd. Een middenas wordt dan verbonden met de velg en bevestigd met kleine stalen spaken. Een typisch ontwerp heeft vijf paar spaken die met gelijkmatige tussenruimten langs de velg zijn bevestigd.
• 5 De ventilatorbladen en staart zijn uit stukken plaatwerk gesneden. De messen worden vervolgens door een machine geleid die ze een lichte kromming geeft. Ze zijn bevestigd aan de metalen rand met kleine bouten en metalen klemmen. Ze zijn zo bevestigd dat ze afhankelijk van de windomstandigheden omhoog of omlaag kunnen worden gebracht.

  Een moderne stalen windmolen.

De site voorbereiden

• 6 Het vinden en voorbereiden van de bouwplaats is een cruciale stap in het creëren van een functionele windmolen. Ten eerste is een gebied met een heersende wind van minimaal 24 km/uur nodig. Daarna moet het gebied worden ontdaan van bomen en andere constructies die de wind kunnen blokkeren. In sommige gevallen wordt een zandheuvel of betonnen voet opgericht om de windmolen van het oppervlak te tillen om meer wind op te vangen.

Eindmontage

• 7 De delen van het hoofdgedeelte worden eerst met elkaar verbonden. Ze worden aan elkaar vastgeschroefd op de grond en vervolgens verticaal opgetild. De buitenste palen zijn verbonden met de drijfstangen. Klemmen zijn vastgeschroefd aan elke verbinding voor stabiliteit. Nadat de toren is opgetild, wordt deze losjes vastgeschroefd aan de solide basis. De volgende steundraden worden vanaf het frame tot op de grond geregen en bevestigd aan spanners en grondankers. Wanneer de constructie waterpas is, worden de bouten vastgedraaid en wordt de integriteit van de constructie getest. In sommige gevallen is er een ladder ingebouwd in het frameontwerp om toegang te krijgen tot de ventilator bovenop, wat het schoonmaken en onderhoud gemakkelijker maakt.
• 8 Vervolgens worden het ventilatorwiel, de versnellingsbak en de hoofdas bevestigd. De versnellingsbak wordt eerst vastgeklemd en vastgeschroefd aan de bovenkant van de toren. De hoofdas wordt vervolgens in de bodem van de versnellingsbak gestoken. Vervolgens worden de ventilator en de daaraan bevestigde as verbonden met de versnellingsbak. Ten slotte wordt het staartgedeelte aan de versnellingsbak bevestigd. Vervolgens wordt de pomp aangesloten op de hoofdas en is de windmolen operationeel.

Kwaliteitscontrole

Om er zeker van te zijn dat elk onderdeel van de windmolen voldoet aan de specificaties die in de ontwerpfase zijn vastgelegd, kunnen verschillende tests worden uitgevoerd. De meest elementaire hiervan zijn eenvoudige visuele inspecties. Deze zullen de meeste voor de hand liggende productiefouten opvangen. Omdat windmolens met de hand worden opgebouwd, wordt de kwaliteit van elk onderdeel onderworpen aan een extra visuele inspectie. De kwaliteit van het vakmanschap dat bij de bouw van de windmolen hoort, zal in de eerste plaats verantwoordelijk zijn voor de kwaliteit van het eindproduct. Om ervoor te zorgen dat het tijdens het gebruik efficiënt blijft, zijn regelmatige onderhoudscontroles noodzakelijk.

De Toekomst

Windmolens zijn de afgelopen honderd jaar weinig veranderd. In feite wordt een basisontwerp dat in de jaren 1870 werd bedacht, nog steeds verkocht. De belangrijkste verbeteringen zijn aangebracht in de soorten materialen die in de bouw worden gebruikt. Deze trend zal zich waarschijnlijk voortzetten in toekomstige windmolenproducten. De toekomst van het benutten van windenergie ligt echter helemaal niet in traditionele windmolens. De regering van de Verenigde Staten heeft miljoenen dollars uitgegeven aan onderzoek en ontwikkeling van windturbines voor elektriciteitsopwekking. In Californië zijn al tal van windparken in bedrijf. Verschillende andere staten en steden hebben plannen om soortgelijke windparken aan te leggen. Windenergie belooft in de toekomst een milieuvriendelijke vervanger van fossiele brandstoffen te worden.

Waar meer te leren

Boeken

Baker, T. Lindsay. Handelsliteratuur van Noord-Amerikaanse windmolenfabrikanten. University of Oklahoma Press, 1998.

Clegg, Alan John. Windmolens. Hoefijzerpublicaties, 1995.

Hills, Richard L. Kracht uit wind:een geschiedenis van windmolentechnologie. Cambridge University Press, 1994.

Hoer, Jeremy. Ter ere van windmolens. Circle Press Pubns, 1990.

Watts, Maarten. Water- en windenergie. Shire-publicaties, 2000.

Perry Romanowski