풍차

풍차

풍차의 날개는 비스듬히 또는 비틀리게 달려 있어 풍차에 가해지는 풍력은 2가지 성분으로 분리된다.

그중 하나는 날개면에 작용하여 회전력을 준다. 풍차는 수차(水車)와 같이 인간을 대신해서 동력을 제공하던 초기의 주요원동기로서 10~12세기 약 650년간 유럽에서 널리 사용되었다. 증기기관의 발달로 풍차의 사용은 점진적으로 감소해 제1차 세계대전 이후에는 내연기관의 발달로 인한 전기 보급으로 급속하게 쇠퇴했다. 그러나 이후 풍력발전(風力發電)에 대한 연구는 더 많이 이루어졌다. 풍차에 대한 가장 오래된 기록은 644년의 물방아 제작자와 915년의 페르시아 세이스탄의 풍차에 대한 것이다.

당시 사용하던 풍차는 수평형 풍차로서 건물에 고정된 수직축에 날개들이 방사상(放射狀)으로 달려 있고 바람의 출구와 입구가 서로 정반대편에 달려 있다. 각 풍차는 기어를 이용하지 않고 한 쌍의 맷돌을 직접 가동시키는데, 이 설계는 최초의 수차에서 사용되었던 방법이다. 칭기즈 칸은 페르시아의 물방아 목수를 중국으로 압송해 가서 풍차 만드는 방법을 가르치도록 했다.

풍차는 중국에서 주로 관개용(灌漑用)으로 아직까지 사용되고 있다.

수평축에 날개가 달려 있는 수직형 풍차는 한 쌍의 기어를 통해 맷돌과 수직으로 연결된 전동체계를 가진 로마 시대의 수차에서 연유했다. 최초의 수직형 풍차는 회전식 풍차로 알려져 있다. 회전식 풍차는 기어, 맷돌, 기타 기계장치들이 들어 있고 날개를 지지하는 상자 모양의 몸체를 가지고 있는데, 그것은 방앗간의 2층에 있는 수평보에 끼워진 목제 기둥에 의해 견고히 지지되어 있고 바람을 맞는 방향으로 향하도록 회전할 수 있다.

그이후 맷돌과 기어를 고정된 탑에 설치하는 방식의 발달된 형태가 등장했다. 이는 가동식 덮개를 가지고 탑 정상부의 궤도 또는 틀 위에서 날개가 돌아가도록 되어 있다. 가장 오래된 탑형 풍차의 기원은 1420년까지 거슬러올라갈 수 있다. 회전식 풍차나 탑형 풍차는 유럽 도처에서 사용되었으며, 미국에서 정착민들이 만들기도 했다.

효율적인 작동을 위해서 날개는 바람을 정면으로 맞아야 하므로 회전식 풍차의 몸체 또는 탑형 풍차의 덮개는 회전해야 했는데, 이런 기능은 지면까지 내려와 있는 꼬리막대를 손으로 돌려 얻을 수 있었다. 1745년 영국의 E. 리는 자동으로 풍차를 회전시킬 수 있는 소형 날개를 발명했다. 이 소형 날개는 5~8개이며 회전식 풍차의 꼬리막대 또는 사닥다리에 직각으로 달려 있으며, 기어에 의해 풍차 주위의 궤도 위에서 움직이는 바퀴에 연결되어 있다(사개). 바람의 방향이 바뀌게 되면 바람은 그 소형 날개의 측면을 쳐서 돌리고, 따라서 궤도의 바퀴도 돌아 바람의 방향이 다시 풍차 날개와 직각이 될 때까지 풍차의 몸통 또는 덮개를 돌린다.

그 소형 날개는 탑형 풍차의 덮개에 장착되어 틀 위의 기어가 달린 래크를 움직일 수도 있다. 풍차 날개는 대개 수평에서 5~15° 정도 위쪽으로 경사진 상태로 축 또는 굴대에 장착된다. 최초의 풍차 날개는 나무틀에 범포(帆布)를 펼쳐서 만들었으며, 각 날개는 풍차에 개별적으로 고정시켜 달았다. 초기의 날개는 평면으로 회전 방향과 일정한 각도를 유지했으나 후에 비행기의 프로펠러와 같이 꼬아서 만들었다.

1772년 스코틀랜드의 A. 미클은 기존의 범포 대신 베니션 블라인드(Venetian blind：끈으로 오르내리게 하고 채광조절을 하는 올이 넓은 발)의 경첩이 달린 빈지문(빈지로 된 문)을 가진 스프링 날개를 발명하여, 각 날개에 스프링과 막대기를 연결해 조절했다(스프링 세일). 각각의 스프링이 요구되는 힘에 따라 조절되도록 풍차의 지주에 각각 달면 날개는 일정한 한도 내에서 스스로 조절된다.

1789년 잉글랜드의 S. 호퍼는 빈지문 대신 감아올리는 차양을 사용했으며, 풍차가 작동하는 동안 모든 차양들이 동시에 원격조정될 수 있도록 만들었다. 1807년 W. 큐비트 경은 미클의 경첩이 달린 빈지문과 S. 호퍼가 발명한 원격조정방식을 체인(지면에서 굴대를 관통한 구멍을 지나는 막대로 연결된)을 사용해 결합시킨 날개를 만들어 특허를 냈다.

이 조절방식은 우산의 작동원리와 비교할 수 있는데, 체인에 걸리는 무게의 변화로 날개는 자체 조절이 되도록 만들어졌다.

1854년 미국에서 D. 할러디에 의해 환상(環狀) 날개가 달린 풍차 펌프가 발명되었다. 또한 1833년 S. 페리는 이것을 철로 만들었는데, 비효율적임에도 불구하고 값이 싸고 신뢰성이 있어 전세계적으로 널리 사용하게 되었다. 이것은 바퀴에 방사상으로 작은 날개가 달려 있는 구조로 되어 있다.

속도는 자동조절식인데, 바람이 강하면 풍차는 수직축을 따라 돌아 유용면적을 줄여 속도를 줄인다. 풍차는 곡식을 제분하는 데 가장 유용하게 쓰였다. 특정 지역에서는 배수·양수에도 중요한 역할을 했다. 1890년 덴마크에서 P. L. 쿠어가 철제 탑 위에 큐피트 경이 특허를 낸 날개와 한 쌍의 소형 날개를 장치해서 제작한 풍차가 나온 이후로 풍차는 전력원으로 사용되어왔다. 발전에 풍차를 이용하고자 하는 관심은 1970년대에 들어와 다시 일기 시작했다.