När vinden blåser, det gör även vindkvarnar och vindkraftverk. Dessa massiva skåpbilar har funnits i över 1, 000 år, med de första väderkvarnarna i Persien runt 800 v.t.

Dessa tidiga väderkvarnar användes för exakt vad deras namn innebär - de var kvarnar som drivs av vind. Vinden skulle snurra skovlarna, eller blad, från väderkvarnen, rotera en mittaxel, som sedan skulle snurra en spannmålskvarn, vanligtvis gjorda av stora, platta stenar, att producera mjöl och andra spannmålsprodukter. Dessa väderkvarnar tjänade också ett annat viktigt syfte - att pumpa vatten till städer och hus. Istället för att snurra en spannmålskvarn, väderkvarnens rotation kan användas för att driva en pump.

Medan väderkvarnar har funnits i evigheter, vindkraftverk har bara funnits sedan ungefär 1888, när det första kända vindkraftverket som skapades för elproduktion i USA byggdes av uppfinnaren Charles Brush för att skapa el till sin herrgård i Ohio. Vindkraftverk används för att generera el från bladens snurrning, snarare än att bara omvandla den spinnande energin till mer mekaniskt arbete, som att vända en kvarn eller pumpa vatten.

"Ett vindkraftverk i USA är cirka 85 meter högt, medan den äldre väderkvarnen vanligtvis inte skulle överstiga 24 fot, "säger James Herzing, ingenjör och prisbelönt värd för podden Unprofessional Engineering, i en e -postintervju. "Storleken på seglen eller bladen är en annan stor skillnad. Väderkvarnar mäts traditionellt med hjuldiameter, och det är inte ovanligt att se en 2 meter lång väderkvarn, där 8 fot mäts över kniven. Vindturbiner, å andra sidan, kan ha ett enda blad långt över 30 fot. "

Hur väderkvarnar fungerar

Även om väderkvarnar är några av de äldsta och viktigaste maskinerna för civilisationen och i allmänhet används för att pumpa vatten eller kornkorn, de har några andra funktionella skillnader mot den mycket nyare vindkraftverkstekniken.

Bladet på en väderkvarn ligger nära marken och måste därför utnyttja luftströmmar nära marken för att snurra. Eftersom vindströmmar i allmänhet är mindre nära jordens yta än i högre atmosfärer, väderkvarnar måste ha större blad för att fånga så mycket vind som möjligt.

Medan väderkvarnar har funnits sedan 800 v.t. eller så, de spred sig verkligen i popularitet i mitten av 1800-talet. Utlöst av den industriella revolutionen under årtiondena efter 1850, mer än 6 miljoner mekaniska väderkvarnar installerades enbart i USA för att driva pumpar och fabriker och tillgodose andra energibehov.

Denna popularitet drivs av enkelheten hos väderkvarnar som mekaniska energigeneratorer. Genom att helt enkelt sätta upp en väderkvarn med många skovlar, du kan snabbt få tillgång till en gratis mekanisk energikälla. Genom knivarnas snurrning, att rotationsenergi kan användas för att driva maskiner genom kugghjul eller för att trycka och dra vatten från marken med enkla vattensugpumpar.

Eftersom väderkvarnarna populariserades i modern industri, en annan uppfinning utvecklades och förfinades också:generatorn.

Istället för att bara kunna använda en väderkvarn när vinden blåste, en generator skulle möjliggöra lagring av rotationsenergi genom att omvandla den till elektricitet. Således, utvecklingen av vindkraftverk var nästa steg i att göra vindkraftsanordningar bättre.

Hur vindkraftverk fungerar

För att få starkare luftströmmar, ett vindkraftverk når hundratals meter högre upp i himlen än en väderkvarn gör. Den använder samma funktionella principer som en väderkvarn - att förvandla vinden till rotationsenergi - men vad den gör sedan är annorlunda. Vindkraftverk har generatorer inuti dem, vanligtvis direkt ansluten till en snurrande skovelstång. Genom att snurra generatorn, en elektrisk ström produceras som kan användas för att ladda batterier, mata in i gallret, eller köra elektroniska enheter direkt. Det bästa sättet att förstå hur detta fungerar är genom att överväga en motor, men omvänt. En elmotor använder elektricitet för att skapa rörelse, medan ett vindkraftverk använder rörelse för att producera el.

Mer specifikt, bladen på ett vindkraftverk fångar vindens rörelseenergi - energi som skapas av rörelse - och omvandlar den till rotationsenergi. Denna rotationsenergi matas sedan genom en serie växlar för att öka hastigheten hos en generator.

Dessa turbiner börjar vanligtvis producera energi i vindhastigheter på 5 till 10 miles i timmen (8 till 16 kilometer i timmen) och stängs av vid höga hastigheter nära 96 ​​mph (96 km / h) så att de inte fungerar eller skadar sig själva, enligt American Wind Energy Association.

Medan vindkraftverk producerar el, de är inte tekniskt lika effektiva som väderkvarnar. Vindkraftverk har en maximal verkningsgrad på 59 procent, något som kallas Betz -gränsen. Detta beror på oförmågan att utnyttja all vindens energi och ineffektivitet vid omvandling av rotationsenergi till mekanisk energi.

Från gammal teknik till framtida energi

Även med deras ineffektivitet, vindkraftverk är framtidens vindutnyttjande och elskapande sätt. James säger att han "ser vindkraftverk som en integrerad del av att minska, och slutligen, eliminerar vårt beroende av koldioxidbränslen. Ett typiskt vindprojekt återbetalar sitt koldioxidavtryck inom sex månader, ger decennier av nollutsläppsenergi. Faktiskt, vissa länder som Skottland har redan investerat tillräckligt med vindenergi för att det ska kunna producera tillräckligt med kraft för att driva två Scotlands! "

År 2018, vinden genererade ungefär 5 procent av den globala elen, gör den till den näst största förnybara källan, bakom vattenkraften. Från väderkvarnens första användning som den mekaniska ryggraden i den tidiga persiska och kinesiska civilisationen, till dagens massiva vindkraftverk, den underliggande tekniken är här för att stanna.

Vindkraftverk har bara tre blad för att hålla sin vinkelmoment konstant. Med tre blad, när man pekar uppåt, de två som pekar nedåt i en vinkel balanserar perfekt krafterna. Om vindkraftverk hade mer än tre blad skulle de antingen vara instabila eller för tunga för att vara effektiva.