مقدمه
امروزه موضوع استفاده از انرژی های تجدیدپذیری چون انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی امواج دریا و … به دلیل مزیت هایی چون مقرون به صرفه بودن و عدم آلودگی زیست محیطی در سرتاسر جهان بر کسی پوشیده نیست و روز به روز بر ظرفیت تولید آن افزوده می شود. بکارگیری ظرفیت های بالقوه این منابع در تولید انرژی الکتریکی به دلیل نیاز روزافزون به مصرف برق و همچنین کاهش اثرات گازهای گلخانه ای که برای زمین مضر است، از چند دهه پیش مورد توجه بوده و فرآیندی بوده که از قدیم تاکنون رو به پیشرفت و توسعه بوده است. انرژی باد به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر و دوستار طبیعت، از دیرباز مورد توجه بشر بوده و مورد استفاده قرار می گرفته است. در قدیم کاربری انرژی باد به صورت تبدیل آن به انرژی مکانیکی جهت چرخاندن چرخی برای آسیاب کردن دانه در آسیاب های بادی یا زه کشی مزارع در کشاورزی توسط چرخه های بادی بوده است. اکنون در قالب استفاده از توربین بادی های سرعت ثابت و سرعت متغیر انرژی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل شده و به شبکه برق تزریق می شود تا در جای مناسب به مصرف برسد. بنابراین درست است که کاربری انرژی باد از قدیم تا به امروزه دستخوش تغییر شده اما هیچ وقت از کانون توجه بشر به دور نبوده است.
در این مطلب آموزشی قصد داریم در مورد پیشینه تاریخی استفاده از انرژی باد صحبت کنیم و در مورد آسیاب های بادی و چرخه بادی بحث خواهیم کرد.
منشأ پیدایش
در قدیم انرژی باد بوسیله وسایلی که آسیاب بادی و چرخ بادی نامیده می شده، گرفته شده و بعد از تبدیل آن به انرژی مکانیکی باعث دوران یک چرخ شده و از حرکت آن چرخ جهت آسیاب کردن دانه و یا زه کشی مزارع در کشاورزی استفاده می شده است. گمانه زنی های متناقضی در مورد ریشه های تاریخی آسیاب های بادی وجود دارد. برخی از نویسندگان معتقدند که بقایای آسیابهای سنگی با قدمت 3000 سال پیش در مصر نزدیک اسکندریه کشف شده است. با این حال هیچ دلیل قانع کننده ای وجود ندارد که مصریان، فنیقی ها، یونانی ها یا رومیها واقعاً آسیاب ها را می شناختند. اولین اطلاعات موثق از منابع تاریخی در مورد وجود آسیابهای بادی از سال 644 قبل از میلاد سرچشمه می گیرد که در مورد آسیاب هایی از ناحیه مرزی سیستان مربوط به ایران – افغانستان می باشد. اما مورد بعدی مربوط به طرحی می شود که به سال 945 باز می گردد و یک آسیاب بادی با محور عمودی را به تصویر می کشد. بدیهی است که از آن برای آسیاب دانه استفاده می شده است. به طور مشابه، آسیاب های بسیار ابتدایی از قدیم تاکنون در افغانستان باقی مانده اند (شکل 1)
شکل 1) آسیاب محور عمودی برای آسیاب دانه، افغانستان
چند قرن بعد، اروپائیان متوجه شده اند که چینی ها همچنین از چرخ های بادی برای زه کشی مزارع کشاورزی استفاده می کنند. امروزه دیگر نمی توان فهمید که آیا چینی ها قبل از ایرانیان در مورد آسیابهای بادی اطلاع داشته اند یا خیر و یا اینکه آیا ممکن است آسیاب های اروپایی فقط یک نمونه از اختراع چینی ها باشند یا خیر. به هر حال نکته قابل توجه این است که چرخ های بادی چینی نیز ساختارهای ساده ای داشته اند که از چوب بامبو و بادبان پارچه ای ساخته شده و دارای محور عمودی چرخشی بوده اند (شکل 2)
شکل 2) چرخ بادی باستانی برای زه کشی آب به مزارع
آسیاب بادی با محور افقی چرخش، که آسیاب سنتی می باشد، احتمالاً ابتدا در اروپا به طور مستقل از آسیاب بادی محور عمودی مشرق اختراع شده است. بر طبق اولین اطلاعاتی که تأییده شده، منشأ آن در سال 1180 میلادی در دوبله نرماندی می باشد. طبق گفته این منبع، قرار بوده یک «آسیاب سه پایه» در آنجا برپا شود.
اطلاعات مشابه همچنین به استان بربانت اشاره دارد که گفته می شود یک آسیاب بادی در اوایل سال 1119 در آنجا ساخته شده است. بدین ترتیب از گوشه شمال غربی اروپا، آسیاب ها به سرعت در سرتاسر شمال و شرق اروپا تا فنلاند و روسیه گسترش یافتند. تعداد زیادی آسیاب پس از قرن سیزدهم در آلمان پدیدار شد (شکل 3)
شکل 3) آسیاب بادی سه پایه آلمانی در قرن 15
علاوه بر آسیاب های سه پایه که کاملاً از چوب ساخته می شدند، «آسیابهای برجی» در یک تا دو قرن بعد ایجاد شدند. در این نوع ساختار، چرخه بادی برروی یک برج گرد ساخته شده از سنگ استوار است. این نوع آسیاب عمدتاً از جنوب غربی فرانسه به سمت منطقه مدیترانه گسترش یافته است، به همین دلیل است که اغلب از آن به عنوان آسیاب بادی مدیترانه ای یاد می شود.
هیچ اطلاعات موثقی در مورد اینکه آیا آسیاب های سه پایه ای و برجی اولیه می توانستند به سمت باد منحرف شوند، وجود ندارد. به هر حال انحراف به سمت باد به زودی به یک خاصیت رایج در آسیاب های سه پایه ای تبدیل شد. آسیاب های سه پایه ای در شکل ساده و قابل سرویس خود تا قرن بیستم وجود داشته اند.
در هلند، چندین پیشرفت قطعی روی آسیاب های بادی در قرن 16 انجام شد که منجر به یک نوع جدید از آسیاب شد که «آسیاب بادی هلندی» نامیده می شد. مشخص نیست که این آسیاب از نوع سه پایه ای یا برجی بوده و برخی نمونه های آن در شمال نیز یافت می شود که به عنوان نمونه اولیه کار می کرده است. ساختار خانه آسیاب ثابت مربوط به نوع هلندی که در آن درپوش برج با چرخ باد چرخانده می شد، موجب می شد که هر دوی ابعاد و دامنه کاربردها افزایش یابد. بنابراین، آسیاب بادی تاریخی در اواسط قرن نوزدهم به کمال رسیده است.
آسیاب های بادی اروپایی
جالب است بدانیم که انواع آسیابهای بادی که در طول تاریخ تکامل یافته اند، قادر به حفظ اشکال اصلی خود بوده اند و تا زمان حال با یکدیگر همزیستی داشته اند. حتی چرخ های بادی محور عمودی باستانی از شرق به طور کامل از بین نرفته اند. در اروپا، آسیاب قدرتمندتر هلندی قادر به جابجایی و حرکت مانند آسیاب سه پایه ساده تر نبود. به نظر می رسد که آسیاب بادی سه پایه که به طور قابل ملاحظه ای ارزانتر بود، تا زمانی که فقط مسئله آسیاب کردن دانه در مقدارهای نسبتاً کم مطرح بود، راه حل اقتصادی تری به شمار می رفت. در مقابل این پیشینه، نگاهی کوتاه به دو نمونه از این آسیاب ها خواهیم داشت.
آسیاب بادی سه پایه
سه پایه ای که کل خانه آسیاب برروی آن قرار گرفته و دور آن می چرخید، ویژگی اصلی آسیاب بادی سه پایه است (شکل4). چرخه بادی که معمولاً چهار بادبان داشت، در قسمت فوقانی خانه آسیاب نصب شده بود.
شکل 4) آسیاب بادی سه پایه ای آلمانی
در اروپای مرکزی بادبان های آسیاب بادی سه پایه تقریباً همیشه از پارچه پوشیده می شدند. در اروپای شمالی و شرقی بادبان های پوشش داده شده با چوب همیشه معمول بودند. خانه آسیاب با کمک قطعه ای بنام «دم» به دیوار پشت ثابت شده و در جهت باد چرخانده می شد، به صورتیکه به سمت بیرون ادامه یافته و در پایین تقریباً به زمین می رسید. آسیاب های بادی سه پایه تقریباً به طور کامل از چوب ساخته می شدند و منحصراً برای آسیاب دانه مورد استفاده قرار می گرفتند. اشکال خارجی آنها بر طبق ترجیحات منطقه ای به طور زیادی تغییر می کرد.
آسیاب بادی برجی
آسیاب بادی برجی با خانه آسیاب برج سنگی گرد خود اساساً در ناحیه های مدیترانه رواج داشته است. در ابتدا چرخه بادی نمی توانست از مسیر خود منحرف شود. بعداً محور بادی به صورتی پشتیبانی شد که می توانست موقعیت خود را به تعدادی موقعیت حمایتی تغییر دهد بنابراین حداقل یک جهت یابی سخت به سمت باد بدست آورده می شد. در مناطق شرقی مدیترانه، آسیابهای بادی برجی قرون وسطایی به طور معمول دارای چرخه های بادی با بادبانهای مثلثی بود (شکل 5)
شکل 5) آسیاب بادی برجی یونانی