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以下の文書は以下の日本語訳です。

Windmill - Wikipedia

風車 (Windmill) の用語は現代の発電用の風車を意味することもありますが、 この文書では後者の事を風力タービンと呼んで区別しており、ヨーロッパにおける古典的な風車 -- 垂直風車 (柱風車 (ポスト・ミル)、塔風車 (タワー・ミル)、スモック風車 (スモック・ミル)) -- の話が中心になります。

工場に相当する元々の英語はミル (mill) と呼ばれ、 これは元々水車や風車のことを意味します。 つまり、水車、風車が英語では元々の工場なのです。 (従って水車工場、あるいは風車工場と呼ぶほうが適切です。 現代の工場は一般にはファクトリー (factory) と呼ばれ、ミル (mill) とは呼びませんが、 元々ミル (mill) であったもの (例えば textile mill (テクスタイルミル、繊維工場)) 等は今でもミル (mill) と呼びます。 この mill (ミル) には著しい特徴があり、動力源が一ヶ所で、あとは回転軸 (シャフト) と歯車で工場全体に動力が伝達されたのです。

水車、風車による工場には、日常的には製粉工場が最も多いようですが、 それ以外の工場も随分あり、代表的なものに製材所があります。 オランダのパルトロック風車 (柱風車の一形式) は製材用にデザインされた風車で、数百基あったことが知られています。

英国産業革命の時に、このミルの中に木綿の製造工場が含まれることになり、 まもなく、ミルに蒸気動力も使用されるようになります。 (但し、風車は回転が一定ではなく、木綿工場には不向きでしたが、 速度調整をする装置が遠心力ガバナーとして蒸気エンジンに取り込まれています。) 工場は 20 世紀始めまでミルの形をとっていますが、この頃に小型の電動モーターが登場し、 個々の機械が小型の電動モーターで動力を与えられる現代的な工場 -- ファクトリー (factory) -- が登場することになります。

風車 (Windmill)

風車 (windmill) は帆 (sail) とか羽根 (blade) とか呼ばれる翼 (vane) によって風のエネルギーを 回転エネルギーに変換する構造である。 何世紀も前に、風車 (windmill) は通常は穀物を製粉したり (製粉所)、 水をポンプで汲み上げたり (風力ポンプ)、あるいはどちらにも使用された。 回転エネルギーを直接熱に変換する風車 (windmill) がある。 現在の風車の大半は風力タービンの形をとって発電に使用されたり、 土地の排水や地下水のくみ上げに使用される。 風車 (windmill) は 9 世紀に始めてペルシャに登場し、 そしてその後に登場したのは:  中東、中央アジア、中国、インド、そしてヨーロッパである。

オランダ、ユトレヒトの
ライン・アン・ゾーン風車 (Rijn en Zon)
ニューヨーク州ウォーターミルの
ジェームス・コーウィス風車
(James Corwith Windmill)
  1. 先駆
  2. 水平風車 (Horizontal windmills)
  3. 垂直風車 (Vertical windmills)
  4. メカニズム (Mechanics)
  5. 普及と凋落
  6. 風力タービン (Wind turbines)
  7. 風力ポンプ (Windpumps)
先駆

1 世紀のローマ領エジプトの アレクサンドリアのヘロン (Hero of Alexandria, Heron) が記述していることは;  風力で駆動するホイールが機械に動力を与えているように思われる。 彼の風力オルガンの記述は実用的な風車 (windmill) でなく、 初期の風力おもちゃ、あるいは風力機械のデザイン思想 (design concept) である。 機械は動作したかもしれないし、そうでなかったかもしれないからで、 テキストとデザインの問題で曖昧さがあるからである。 風力駆動の別の初期の実例は prayer wheel (祈りの輪) で、 これはチベットと中国で最初に使用されたと思われている。 もっとも始めて登場した時代は不確定で、 400 年頃、7 世紀頃、あるいはその後のこともある。

訳注
原文の prayer wheel (祈りの輪) には日本語のウィキペディアにリンクが張ってあり、 リンクをたどると マニ車が表示される。ところが prayer wheel には複数の形式が記され、 その 1 つが Mani wheel (マニ車) としてある。これの水や風で回転するバージョンがあり、 以上で述べているものは風で回転するものと思われる。
ヘロンの風力オルガンの記述の
19 世紀における再構成
水平風車 (Horizontal windmills)

最初の実用的な風車は垂直な軸の周りを、水平面で回転する帆であった。 アフマド Y. アルハサン (Ahmad Y. al-Hassan) によれば、これらの panemone 風車は東ペルシャ、あるいはホラーサーン (Khorasan) で発明された。これは 9 世紀のペルシャの地理学者イスタフリー (Estakhri) により記録されている。 より初期の風車の逸話は第 2 代カリフ (calif) である ウマル (Umar, AD 634 年 - 644 年) が関連し、 その信頼性は問題があり、その根拠は、これが 10 世紀の文書に登場しているからである。 6 枚から 12 枚の帆で作り、ヨシ (reed) のマット、あるいは布の素材 (material) で覆い、 これらの風車 (windmill) は穀物を粉にしたり、水を汲み上げるのに使用され、 後のヨーロッパの垂直風車 (vertical windmill) とは随分違っていた。 風車が広範囲に使用されたのは:  中東、中央アジア、そして後に中国に広まり、ここからインドに広まった。

ペルシャの水平風車 ケント州マーゲイト (Margate) のフーパー風車
18 世紀ヨーロッパの水平風車

類似の形式で、長方形の羽根を持つ水平風車は灌漑に使用され、 13 世紀の中国 (北方の 金王朝 (Jurchen Jin) の最中) にも見出せ、1219 年の 耶律楚材 (Yelü Chucai) の トルキスタン (Turkestan) の旅行で導入された。

水平風車は 18 世紀と 19 世紀にヨーロッパで、少しの数が建設され、 例えば、ロンドンのバタシー (Battersea) のファウラー風車 (Fowler's Mill)、及び ケント (Kent) のマーゲイト (Margate) のフーパー風車 (Hooper's Mill) がある。 これらの近世 (early modern) の実例は、中東と極東の水平風車に 直接影響を受けたのではなく、 産業革命に影響を受けた技術者により独立に発明されたようである。

垂直風車 (Vertical windmills)

証拠がないため、中東の水平風車がヨーロッパの風車の発展を触発したか否かに関して、 歴史学者の間に議論が起きた。 北西ヨーロッパで、水平軸の風車、あるいは垂直風車 (帆が動く面からこう呼ばれる) は 北フランス、東イングランド、 フランドル (Flanders) の三角地帯で、 12 世紀と 13 世紀から始まると信じられている。

ヨーロッパにおける最も初期の風車 (垂直形式であったと思われている) は 1185 年のもので、ヨークシャーの昔のウィードリー村 (Weedley) のもので、 これは ハンバー河口を見下ろす高原 (ウォールド、Wold) の南端にあった。 これより初期の幾つかは、確かな年代は不明であるが、風車を言及するものが見つかっている。 これらの初期の風車は穀類を粉にすることに使用された。

柱風車 (Post mill)
詳細は柱風車参照。

現在の証拠ではヨーロッパの最初の風車 (windmill) の形式は柱風車 (post mill) であり、 このような名称があるのは、大きな上向きの柱の理由からで、この上に風車の主構造 (本体 (body) あるいはバック (buck, 牡鹿) と呼ぶ) が平衡を取っていた。 本体をこのように搭載することによって、風車は回転して、風の方向に向くことができた; これは風車が北西ヨーロッパで経済的に操業するために、本質的に要求されることで、 風向きが変化したのである。本体は製粉機械をすべて含んでいた。 最初の柱風車は沈下型式 (sunken type) であり、柱は風車を支えるために土塁に埋めた。 後に、架台 (trestle) と呼ばれる木の支えが作られた。 これは、しばしばラウンドハウス (roundhouse、円形の家) で覆ったり、囲んだりして、架台を風雨から守り、 貯蔵場所を提供した。 この形式の風車はヨーロッパで、最も普通であったが、 19 世紀にもっと強力な塔風車 (tower mill) とスモック風車 (smock mill、smock = 上っ張り) がこれにとって代わった。

中空柱風車 (Hollow-post mill)

中空柱風車では、本体が搭載されている柱は中空になっており、駆動軸を収容した。 これにより本体の下、あるいは外にある機械を駆動することが可能となり、一方で、本体を風に向けることができた。 すくい車 (scoop wheels) を駆動する中空柱風車はオランダで使用されて、 14 世紀以後、湿地帯を排水した。

塔風車 (tower mill)
詳細は塔風車参照。

13 世紀の終わりにかけて、風車全体ではなく、キャップ (cap, 蓋) のみが回転する 石造の塔風車が導入された。 塔風車の伝搬には拡大する経済が付きまとい、 これにより、より大きく安定した動力源が求められた、 もっともこれを建設するのはもっと高価であった。 柱風車と対照的に、塔風車のキャップのみを風の方向に回転する必要があり、 従って、本体の構造をもっと高くして、帆をより長くすることを可能にし、 これにより弱風時にさえ有効な仕事を提供することが可能となった。 キャップを風の方向に向けるには:  ウィンチ、あるいはキャップ内部の歯車、あるいは風車の外にあるテール・ポール (tail pole、後部棒) のウィンチによっている。 キャップと帆を自動的に風の方向に向ける方法はファンテール (fantail, 鳥の扇形の尾) を使用することによっており、 ファンテールは帆に直角に搭載された小さな風車で、風車の後方にある。 これらは柱風車 (post mill) のテール・ポール (tail pole、後部棒) に装着され、普通にあるのは:  英国、 かっての大英帝国の英語圏、 デンマーク、 及びドイツであるが、他の場所では珍しい。 地中海の幾つかの場所の周りでは、キャップが固定された塔風車が建設されており、 これは風向が大半の場合に、ほとんど変化しないからである。

スペイン、コンスエグラ (Consuegra) の塔風車
スモック風車 (smock mill)
詳細はスモック風車を参照。

スモック風車は塔風車の後の進展で、石造の塔がスモック (smock、上っ張り) と呼ばれる 木枠で交換されたものである。 スモックは藁ぶき、板張り、あるいは他の資材 -- 例えばスレート、金属板 (sheet metal) 、あるいはタール紙 (tar paper) -- で覆われている。 スモックは普通、八角形であるが、辺の数が違う実例がある。 塔風車よりも軽量であるため、スモック風車は排水風車として現実的である、 というのは排水風車はしばしば不安定な下層土に建設しなければならないからである。 スモック風車は排水に起源があるが、他の目的にも使用される。 立て込んだ地域で使用される時には、周りの建物よりも持ち上げられて石の基盤の上に建設される。

台がついたスモック風車 2 基
ドイツ、グリートジール (Greetsiel)
エストニア、Kuremaa の風車
メカニズム (Mechanics)
帆 (sails)
詳細は風車の帆参照。

普通の帆は格子の骨組みから構成し、この上に帆布が広げられた。 風車業者 (miller) は風と必要な動力に応じて、広げる布の量を調節した。 中世の風車では帆布ははしご形式の帆の配置に出入りして巻き付けた。 後の風車では格子の骨組みがあって、この上に帆布を広げ、一方寒い気候では、布を木の薄板で置き換えた。 この方が凍結状態では扱いやすかった。 ジブ帆 (jib sail) は地中海の国々で普通良く見られ、 円材 (spar) の周りに巻き、一枚の三角形の布から構成される。

すべての場合に、帆を調整するためには風車を停止しなければならない。 18 世紀末と 19 世紀の英国の発明が風速に応じて自動調節する帆につながり、 介在する必要がなくなり、1807 年のウィリアム・キュービット (William Cubitt) により発明された 特許の帆で頂点を迎えた。 これらの帆では、布を連結したシャッターの仕組みで置き換えた。

フランスでは、 ピエール=テオフィール・ベルトン (Pierre-Théophile Berton) の発明により、 縦方向の木製の薄板が、メカニズムで接続され、これにより風車の回転中に (帆を) 開放した。 20 世紀には航空機の開発から空気力学の知識が増え、 ドイツの技術者 Bilau と何人かのオランダのミルライトによる 効率化の更なる改良につながった。 風車の過半数は 4 枚の帆から構成されている。 5 枚、6 枚、あるいは 8 枚の帆からなる複数帆の風車が建設されたのは:  英国 (とりわけリンカンシャーとヨークシャーの州内部あるいはその周辺)、 ドイツ、 及びそれほど普通ではないがこれ以外にあった。 初期の複数帆の風車が見られるのは:  スペイン、 ポルトガル、 ギリシャ、 ルーマニアの一部、 ブルガリア、そして ロシアである。 偶数枚の帆がある風車は利点があり、帆が壊れても、壊れた帆とその反対側の帆を取り除いて走らせることが可能で、 これによって風車の平衡が失われないからである。

オランダでは、帆の静止状態 -- すなわち、風車が動作していない時 -- は長い間、信号を与えるのに使用された。 もしも羽根 (blade) が "+" 信号 (3-6-9-12 時) で停止していれば、 風車は仕事に使用できた。 もしも、羽根が "x" 配置で停止していれば、風車は閉鎖中で、機能しなかった。 帆がわずかに傾けば (頂点の羽根が 1 時)、 喜びの信号で、例えば健康な赤ん坊が生まれたことであった。 羽根が 11-2-5-8 に傾けば哀悼、あるいは警告の信号であった。 これは第二次世界大戦中のナチの活動 -- 例えばユダヤ人の捜索 -- を地元に発信した。 2014 年マレーシア航空フライト 17 の撃墜されたオランダ人犠牲者に敬意を表して、、 オランダ中で風車が哀悼の位置に設定された。

デ・ファルク (Da Valk) 風車が哀悼の位置、1962 年オランダの
ウィルヘルミナ (Wilhelmina) 女王の死後
機械
詳細は水車・風車工場の機械用語集を参照。

風車内部の歯車は帆の回転運動から、機械装置に動力を伝える。 帆は水平な風車の軸で支えられる。 風車軸 (Windshaft) は完全に木造で製造されることもあるし、 木造でポール・エンド (pole end, 帆が搭載される個所) が鋳鉄の事もあるし、 あるいはまったく鋳鉄のこともある。 ブレーキ・ホイールが 前ベアリングと後ベアリングの間の 風車軸 (windshaft) に設置されている。 ホイールは縁 (rim) の外側の周りにブレーキがあって、 縁 (rim) の側面に歯があり、 これは転がり歯車 (wallower) と呼ばれる水平歯車 (垂直な直立軸の上端にある) を駆動する。 製粉風車では 大平歯車 (spur wheel) が直立軸の下の方にあって、 軸にある 1 つ以上の ストーン・ナット (stone nut) を駆動し、 これが各々臼石 (ミルストーン (millstones)) を駆動した。 柱風車 (post mill) では、時々平歯車の配置の代りに、 ヘッド・ホイール (head wheel、上端ホイール) 且つ/あるいは テール・ホイール (tail wheel、下端ホイール) が直接臼石を駆動することもあった。 追加の歯車が 「袋持ち上げ機」 等を駆動した。 もしも穀物を粉にする応用以外に、風車を利用すれば、機械は違っている。 排水風車 (drainage mill) は上向きの軸の下端にある別の歯車セットを使用し、 すくい車 (scoop wheel) や アルキメデスのスクリューを駆動する。 製材所 (sawmill、風車鋸) ではクランクシャフト (crankshaft) を使用して、 鋸に往復運動を提供した [訳注:丸鋸でないことに注意]。 風車 (windmill) はこれ以外の多くの産業工程に動力を与えるために使用され、これに含まれるものに:  製紙工場 (paper mill)、 粉砕工場 (threshing mill)、 あるいは、油の種、羊毛、塗料、石製品を処理することがある。

ビービー風車 (Beebe) の
機械の等長描画
ケント州メパン(Meophan,/ˈmɛpəm/)
スモック風車( キリック風車) の図式
柱風車の断面
アムステルダムの
「Admiraal のスモック風車」
の風車軸、ブレーキ・ホイール
とブレーキ・ブロック
ニューヨーク、イースト・ハンプトン
パンティゴ風車内部
歴史的米国建物の測量
土地排水の 1793 年の
オランダのスモック風車の
技術絵
1813 年の技術絵
普及と凋落

14 世紀に、風車はヨーロッパで人気になり、1850 年のピークには風車の総数は推定 200,000 基あり、 500,000 基あった水車と比較するとささやかであった。 風車が利用されたのは:  水がほとんどない場所、 冬に水が凍結する場所、 平坦な場所で川の流れが遅すぎて、要求された動力を提供できない場所であった。 産業革命の到来と共に、主要な産業エネルギー源としての風と水の重要性は凋落し、 まもなく (蒸気工場の) 蒸気と内燃エンジンが取って代わった、 もっとも風車は 19 世紀末まで大量に建設され続けた。 もっと最近では風車は歴史的価値から保存され、 古代の機械があまりに壊れやすくて動作できなければ、静的に展示され、 そうでなければ、完全に稼働な風車として展示されている。

風車に殴打された ドン・キホーテ
ギュスターヴ・ドレによる絵
1815 年の英国、ウェールズ
の風車
ザーンセ・スカンス (Zaanse Schans)
の油風車の デ・ズーカー
塗料風車の デ・カット
パルトロック風車
デ・ゲクローンデ・プーレンブルフ

1850 年頃、オランダで使用されていた 10,000 基の風車のうち、 およそ 1000 基がいまだに存在している。 これらの大半はボランティアによって駆動されており、 幾つかの製粉工場はなお商的に操業している。 排水風車の多くは現代のポンプ場のバックアップになっている。 ザーン地方 ([訳注:Zaan = 川の名称]) は世界で最初に産業化された地域といわれ、 18 世紀末までに、およそ 600 基の風力産業が操業していた。 経済変動と産業革命は、穀物風車と排水風車よりも、このような産業にずっと多くの影響を与え、 従って、ほんの少しが残っていないのである。

風車の建設は 17 世紀に ケープ植民地 (Cape Colony) に広がった。 初期の塔風車はケープ植民地の突風を生き延びることがなく、 1717 年に、 ヘーレン 17 世 (Heeren XVII) は大工、石工、資材を送付して、耐久性のある風車を建設しようとした。 風車は 1718 年に完成し、 オウデ・モレン (Oude Molen、old mill) と呼ばれ、パインランズ駅 (Pinelands Station) と Black River の間にあった。 取り壊されてから長くたち、その名称はパインランズ (Pinelands) の技術学校の名称として生き延びている。 1863 年には、ケープ・タウンには 11 基の風車がパールデン・アイランド (Paarden Eiland) からモウブレイ (Mowbray) まで広がっていた

風力タービン (Wind turbines)

風力タービンは風車のような構造で、発電をするために特別に開発された。 これらは風車開発の次の段階とみなすことができる。 最初の風力タービンを 19 世紀末までに建設したのは:  スコットランドの ジェームズ・ブライス教授 (James Blyth、1887 年)、 オハイオ州クリーブランドの チャールズ F. ブラッシュ (Charles F. Brush、1887 年 - 1888 年)、 デンマークの ポール・ラ・クール (Poul la Cour、1890 年代) である。 1896 年のラ・クール (la Cour) の風車は、後に Askov 村の発電所になった。 1908 年までに、デンマークには 72 基の風力発電機があり、 5 kW から 25 kW まで及んだ。 1930 年代までに、風車は広く使用されて、米国の農場で発電に利用され (米国では電力網がまだ建設されていなかった)、 風車を建設した企業は例えば:  ジェイコブス・ウィンド (Jacobs Wind), ウィンチャージャー (Wincharger), ミラー・エアライト (Miller Airlite), ユニバーサル・エアロエレクトリック (Universal Aeroelectric), Paris-Dunn, エアライン (Airline), 及びウィンパワー (Winpower) であった。

現代的水平軸の実用規模の風力発電の先駆は:  USSR の バラクラヴァ (Balaklava) で、1931 年から 1942 年まで任務に就いた WIME-3D で、 30 m の塔上の 100 kW の発電機、 米国バーモント州 (Vermont) のカスルトン (Castleton) のグランパズ・ノッブ (Grandpa's Knob) と呼ばれる山に 1941 年に建設されたスミス・パトナム (Smith-Putnam) 風力タービン (125 MW)、 及び 1974 年から 1980 年代中頃まで開発された NASA の複数の風力タービンである。 これらの 13 基の実験的風力タービンの開発は今日使用されている風力タービン技術の多くを開拓し、 これに含まれるものに:  鋼チューブの塔、 可変速度発電機、 羽根の複合材料、 部分スパン・ピッチ・コントロール (partial-span pitch control)、 更には 空気力学的構造、 音響技術デザイン特性 である。 現代的風力産業は 1979 年に始まり、 風力タービンがデンマークの製造業者 Kuriant, Vestas, Nordtank, 及び Bonus によって連続的に製造された。 これらの初期のタービンは今日の標準では小さなもので、各々 20 - 30 kW の容量があった。 この時以来、商用タービンの大きさは随分と増え、Enercon E-126 は 7MW までを供給する能力があり、 一方、風力タービンの製造は多くの国に広がった。

中国、 張家口 (Zhangjiakou) に
おける一群の風力タービン
嵐の中の 3 基の風車

21 世紀が始まり、エネルギー・セキュリティー (energy security)、 地球温暖化 (global warming)、 そしていずれ化石燃料がなくなることの懸念が増大し、 再利用可能なエネルギーの利用可能な形全ての興味が拡大した。 世界中で、何千基もの風力タービンが現在操業しており、 2018 年現在で、公称容量 (nameplate capacity) は 591 GW である。

風力ポンプ (Windpump)
詳細は 風力ポンプを参照。

風力ポンプは少なくとも 9 世紀以来、水を汲み上げるのに使用され、 現在のアフガニスタン、イラン、及びパキスタンで使用された。 風力ポンプの使用はイスラム世界で広く使用され、後で中国とインドに広がった。 次に風車 (windmill) はヨーロッパで、その後広範囲に使用され、 とりわけオランダと英国の イースト・アングリア地区で、中世中頃以後に、農業や 建築目的のために土地の排水に使用された。

アメリカの風車 (American windmill)、 あるいは 風エンジン (wind engine) は 1854 年にダニエル・ハラデー (Daniel Halladay) により発明され、 大半は井戸から水を汲み上げるのに使用された。 大きな風車が使用された仕事には:  木を鋸でひくこと、 干し草を刻むこと、 穀物の殻を取ったり、すり潰したりすることであった。 初期のカリフォルニアなどの州では、 風車は自己充足家庭給水システムの一部分で、 このシステムには手掘りの井戸と木製の給水塔があり、 塔は木の側板で囲まれた レッドウッド (redwood、セコイア) のタンクを支え、 これはタンクハウスと呼ばれた。 19 世紀後半には、鋼の羽根と鋼の塔が木造建築の代りとなった。 1930 年のピークには、推定 600,000 基の装置が使用された。 製造業者、例えば 「U.S. 風エンジン・ポンプ会社」 (U.S. Wind Engine and Pump Company), 「チャレンジ風車・飼料風車会社」 (Challenge Wind Mill and Feed Mill Company), 「アップルトン製造会社」 (Appleton Manufacturing Company), 「スター」 (Star), 「エクリプス」 (Eclipse), 「フェアバンクス・モース」 (Fairbanks-Morse), 「デンプスター風車製造会社」 (Dempster Mill Manufacturing Company) 及び 「エアモーター」 (Aermotor) は南北アメリカに供給した。 これらの風力ポンプが広範囲に使用された農場と牧場があったのは:  米国、カナダ、アフリカ南部、そしてオーストラリアであった。 風力ポンプには多くの羽根の造作があり、そのため弱風下で相当なトルクでゆっくりと回転し、 強風下では自己制御 (self-regulating) した。 塔頂上のギアボックスとクランクシャフトは回転運動を往復運動に変え、 これが棒によって下方に伝えられ、下のポンプ・シリンダーに至っていた。 このような風車は水を汲み上げ、 飼料機械、鋸、農業機械の動力を与えた。

米国、 サウス・ダコタのエアーモーター (Aermotor、[訳注:企業名]) 形式の風力ポンプ

オーストラリアではトゥーンバ (Toowoomba) のグリフィス兄弟 (Griffiths Brothers) は 1876 年から アメリカ方式の風車を製造し、1903 年からは 「南十字星風車」 (Southern Cross Windmill) の商標名を使用した。 これらは グレートアーテジアン盆地 (Great Artesian Basin) の水を利用することによって、オーストラリアの田舎の偶像となった。別の良く知られた業者は アデレード (Adelaide), パース (Perth( 及びシドニー (Sydney) の メッターズ社 (Metters Ltd.) であった。