الطاحونة الهوائية:
الريح مصدر متقلب للطاقة، غالبًا ما تكون سرعة الرياح منخفضة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها عمليًا، لذا ظلت طاقة الرياح عمومًا موردًا هامشيًا، منذ بداية طاقة الرياح حوالي 1000 بعد الميلاد، تم نشر التكنولوجيا للحصول على الطاقة الأكثر اقتصادّا من الرياح، فجاءت التطورات الحاسمة في تصميم طواحين الهواء التي بدأت في شمال غرب أوروبا، مع أنّه تعود أصول أول طواحين الهواء الأفقية في بلاد فارس والصين، تُعد الطاحونة الهوائية جهاز للاستفادة من طاقة الرياح بواسطة أشرعة مثبتة على عمود دوار، تُثبَّت الأشرعة بزاوية أو تُحرَّف قليلاً بحيث تنقسم قوة الرياح ضدها إلى مكونين.
ما هي قصة اختراع طاحونة الهواء؟
مثل نواعير الماء، كانت طواحين الهواء من بين المحركات الرئيسية الأصلية التي حلت محل البشر كمصدر للطاقة، انتشر استخدام طواحين الهواء على نطاق واسع في أوروبا منذ القرن الثاني عشر حتى أوائل القرن التاسع عشر، استمر تراجعها، بسبب تطور الطاقة البخارية، لمدة 100 عام أخرى، بدأ زوالها السريع في أعقاب الحرب العالمية الأولى مع تطوير محرك الاحتراق الداخلي وانتشار الطاقة الكهربائية ولكن منذ ذلك الوقت فصاعدًا أصبح توليد الكهرباء بواسطة طاقة الرياح موضوعًا لمزيد من التجارب.
أقدم الإشارات المعروفة إلى طواحين الهواء تعود إلى طواحين الهواء الفارسية في عام 644 ميلادي وإلى طواحين الهواء في سيستان، في بلاد فارس عام 915م، كانت تلك الطواحين من نوع الطاحونة الأفقية، مع أشرعة من محور عمودي يقف في مبنى ثابت، التي لها فتحات لمدخل ومخرج الريح بشكل معاكس لبعضها البعض، تقود كل مطحنة زوجًا واحدًا من الأحجار مباشرة، تم إرسال عمال الطواحين الفارسيين، الذين تم أسرهم من قبل قوات جنكيز خان، إلى الصين لتعليم بناء طواحين الهواء وقد استمر استخدامها في الري هناك منذ ذلك الحين.
إنّ طاحونة الهواء العمودية ذات الأشرعة على المحور الأفقي، مشتقة مباشرة من طاحونة المياه الرومانية بمحركها من الزاوية اليمنى إلى الحجارة من خلال زوج واحد من التروس، يُعرف الشكل الأول للمطحنة العمودية بمطحنة (post mill) لها جسم يشبه الصندوق يحتوي على التروس والآلات وتحمل الأشرعة، يتم تثبيته على عمود خشبي مدعوم جيدًا ومثبت في عارضة أفقية على من جسم المطحنة، يمكن قلبه بحيث يمكن مواجهة الأشرعة في مهب الريح.
كان التطور التالي هو وضع الحجارة والتروس في برج ثابت، له رأس متحرك أو غطاء يحمل الأشرعة ويمكن قلبه على مسار، على قمة البرج، يرجع تاريخ أقدم رسم إيضاحي معروف لمطحنة برجية إلى حوالي عام 1420م، تم العثور على مطاحن البرج والبريد في جميع أنحاء أوروبا وتم بناؤها أيضًا من قبل المستوطنين في أمريكا، للعمل بكفاءة يجب أن تواجه أشرعة الطاحونة هواء الريح بشكل مباشر، في المطاحن الأولى تم تدوير غطاء الطاحونة البرجية يدويًا عن طريق عمود عادم طويل يمتد إلى أسفل الأرض.
في عام 1745م، اخترع إدموند لي في إنجلترا أسلوب يعرف (the automatic fantail) يتكون هذا من مجموعة من خمس إلى ثماني دوارات صغيرة مثبتة على سلم طاحونة عامودية بزوايا قائمة على الأشرعة ومتصلة عن طريق التروس بعجلات تعمل على مسار حول المطحنة، عندما تنحرف الريح فإنّها تضرب جوانب الدوارات وتدورها ومن ثم عجلات الجنزير أيضًا والتي تدير جسم الطاحونة حتى تصبح الأشرعة مرة أخرى في مهب الريح، يتم تثبيت أشرعة الطاحونة على محور، أو عمود رياح مائل لأعلى بزاوية من 5 درجات إلى 15 درجة على الأفقي.
كانت أشرعة الطاحونة الأولى عبارةً عن إطارات خشبية ينشر عليها قماش الشراع؛ تم تثبيت كل شراع على حدة مع استقرار الطاحونة، كانت الأشرعة الأولى عبارةً عن طائرات مسطحة مائلة بزاوية ثابتة في اتجاه الدوران؛ في وقت لاحق تم بناؤها مع تطور مثل ذلك لمروحة طائرة، في عام 1772م، اخترع أندرو ميكلي هو اسكتلندي شراع يسمّى (spring sail) وتحكم بها بواسطة قضيب متصل وزنبرك على كل شراع وفقًا للطاقة المطلوبة؛ كانت الأشرعة ضمن حدود ذاتية التنظيم.
تم إحضار مضخة الرياح الحلقيّة في الولايات المتحدة بواسطة دانيال هالادي في عام 1854م وأدّى إنتاجها من الفولاذ بواسطة ستيوارت بيري في عام 1883م إلى اعتمادها عالميًا لأنّها على الرغم من عدم فعاليتها، كانت رخيصة وموثوقة، يتكون التصميم من عدد من دوارات صغيرة مثبتة بشكل شعاعي في عجلة، يتم التحكم تلقائيًا بواسطة ضبط دوران الطاحون عن طريق ضبط العجلة بعيدًا عن المركز فيما يتعلق بمحور الانعراج العمودي وهكذا كلما زادت سرعة الرياح، تدور الطاحونة على محورها الرأسي، ممّا يقلل من المساحة الفعالة وبالتالي السرعة.
كان أهم استخدام لطاحونة الهواء هو طحن الحبوب، في بعض المناطق كانت استخداماتها في تصريف الأراضي وضخ المياه مهمة بنفس القدر، تم استخدام طاحونة الهواء كمصدر للطاقة الكهربائية منذ طاحونة (P. La Cour)، التي بنيت في الدنمارك عام 1890م بأشرعة حاصلة على براءة اختراع على برج فولاذي، زاد الاهتمام في استخدام طواحين الهواء لتوليد الطاقة الكهربائية على المستويين الفردي والتجاري في السبعينيات.
أنواع طواحين الهواء الأساسية:
- طواحين الهواء الأفقية: هذا النوع من طواحين الهواء يتم وضع مروحة تجمع الرياح بشكل أفقي، تم اكتشاف أنّ هذا النوع من الطواحين هو الأقدم، تم إنشاؤها في شرق فارس بين القرنين السابع والثامن الميلاديين، كما تم استخدام عدد محدود منها في الصين وأوروبا.
- طواحين الهواء العمودية: النوع الأكثر شيوعًا من طواحين الهواء التي بدأ استعمالها في كل من الشرق الأوسط وأوروبا (القرن الثاني عشر)، حدثت معظم فترات استخدام طواحين الهواء المنظمة بين القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، عندما توقف استخدام طواحين الهواء فقط لطحن الحبوب أو نقل المياه واستخدمت في مجموعة واسعة من الوظائف الصناعية (حتى قطع الأخشاب).
أنواع طواحين الهواء العمودية:
- Post mill: النوع الأول والأكثر شعبية من طواحين الهواء الأوروبية الخشبية التي تم بناؤها بين القرنين الثاني عشر والتاسع عشر، تتكون من عمود صلب كبير حيث يتم تركيب المروحة التي تجمع طاقة الرياح.
- طاحونة البرج: طاحونة هوائية قوية وطويلة تتكون من غطاء علوي يتم تدويره في المروحة الدوارة للاستفادة من سرعة وحركة الرياح (على الرغم من أنّ بعضها مصنوع بأسطح ثابتة)، نظرًا لقوة الهيكل، تمكنت شفرات طواحين الأبراج من أن تكون أوسع وأطول بكثير.
- Smock mill: تصميم طاحونة الهواء الذي تم إنشاؤه بعد إدخال ميل برج قوي، تم إنشاؤها لتكون نصف الهيكل السفلي مصنوعًا من الحجر أو الطوب والنصف العلوي مصنوع من الخشب، لمحاربة الظروف البيئية بشكل أفضل، تمت تغطية الجزء الخارجي من الإطار الخشبي ببعض المواد الأخرى الأكثر متانة مثل القطران أو الورق أو الصفائح المعدنية.
