Mulino a vento

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Un tipico mulino a vento olandese circondato da tulipani
Mulini a vento a Campo de Criptana nella Mancia in Spagna
Moulins en Hollande (Mulini in Olanda), di Armand Guillaumin (1904).

Il mulino a vento è una struttura costruita per sfruttare l'energia del vento (energia eolica) e attraverso l'utilizzo di pale per trasformarla in energia meccanica (ovvero energia cinetica) utilizzabile per scopi o processi agricoli, artigianali e industriali. Secoli fa, i mulini a vento venivano utilizzati per macinare grano, pompare acqua, o entrambi. La maggior parte dei mulini moderni utilizzano turbine per generare elettricità oppure pompe per pompare l'acqua e drenare il terreno o estrarre acqua dal sottosuolo.

Origine[modifica | modifica wikitesto]

Il mulino a vento ebbe origine in Persia circa 3.000 anni prima di Cristo, anche se secondo altre fonti fu inventato intorno al VII secolo d.C. nella regione del Sistan, oggi in Afghanistan.[1][2] Era sostenuto da strutture innalzate sulla torre di un castello o in cima a una collina; il vano superiore ospitava le macine, quello inferiore alloggiava il rotore. In passato era usato fra l'altro per produrre farina.
I mulini a vento hanno avuto notevole importanza nel sollevamento dell'acqua in Olanda (dal 1180[3]) e in Inghilterra prima dell'invenzione della macchina a vapore.
Nell'Ottocento negli Stati Uniti fu ideato un mulino a vento usato per prelevare acqua da un pozzo a scopo irriguo; tale soluzione si è poi diffusa in tutto il mondo perché semplice ed efficace.

Un mulino a vento a Trapani

In Italia antichi mulini a vento a sei pale, conservati o restaurati, sono tuttora in uso nelle saline di Trapani per macinare il sale o pompare acqua di mare da una vasca all'altra.

Mulini nell'antichità[modifica | modifica wikitesto]

Il mulino dell'ingegnere greco Erone di Alessandria nel primo secolo d.C. è il più antico esempio dell'utilizzo di una ruota azionata dal vento per produrre energia. Un altro esempio di utilizzo di una ruota azionata dal vento è la ruota della preghiera tibetana, la quale, in antichità ,veniva utilizzata in Tibet e in Cina fin dal quarto secolo. Si pensa che l'imperatore babiloniano Hammurabi avesse pianificato l'utilizzo dell'energia eolica per il suo ambizioso progetto di irrigazione nel diciassettesimo secolo a.C..

Mulino fenicio[modifica | modifica wikitesto]

Nell'area del Mare Mediterraneo orientale in passato si era diffuso anche un modello di mulino eolico chiamato mulino fenicio, in cui le pale erano posizionate all'interno del corpo della costruzione, di forma cilindrica. Le finestre sul mulino indirizzavano l'aria all'interno muovendo le pale. Questo tipo di mulino era adatto a zone con venti deboli ma costanti. Un bell'esempio di mulino fenicio è situato nel comune di Borgio Verezzi in provincia di Savona.

Mulini a vento orizzontali[modifica | modifica wikitesto]

I primi mulini a vento realmente utili avevano pale che ruotavano su un asse verticale. Secondo Ahmad Y. al-Hassan, questo tipo di mulini vennero inventati nella parte orientale della Persia come riportato dal geografo persiano Estakhri nel nono secolo. L'autenticità di un antico aneddoto di un mulino a vento che coinvolge il secondo califfo Umar (634-644 d.C.) è messa in dubbio in quanto sempra essere un documento datato al decimo secolo. Questi mulini a vento orizzontali utilizzavano da sei a dodici pale rivestite in stuoie di canne ed erano usati per macinare grano o estrarre acqua, erano inoltre differenti dai successivi mulini a vento verticali europei. I mulini a vento erano ampiamente utilizzati in medio oriente e in Asia centrale, successivamente il loro utilizzo si espanse anche in Cina e India.

Un simile mulino a vento orizzontale con pale rettangolari, usato per l'irrigazione, può essere trovato in Cina nel tredicesimo secolo (durante la dinastia Jurchen Jin nel nord), esso fu introdotto dal viaggiatore Yelü Chucai dal Türkistan nel 1219.

Pochi mulini a vento orizzontali furono costruiti in Europa durante il XXIII e XIX secolo, ad esempio il mulino Fowler a Battersea a Londra, e il mulino Hooper a Margate nel Kent. Questi primi esempi moderni sembrano non essere stati direttamente influenzati dai mulini a vento orizzontali del medio e lontano oriente, ma sono stati frutto del lavoro degli ingegneri influenzati dalla rivoluzione industriale.

Mulini a vento verticali[modifica | modifica wikitesto]

Data la mancanza di evidenze, esistono dibattiti fra gli storici per determinare se i mulini orizzontali del medio oriente siano stati fondamentali per lo sviluppo dei mulini europei. Nel sud-ovest dell'Europa, i mulini ad asse orizzontale o mulini verticali (chiamati così per il piano di movimento delle pale) si crede siano inizialmente datati all'ultimo quarto del ventesimo secolo nel triangolo della Francia settentrionale, Inghilterra meridionale e nelle Fiandre.

I primi esempi di mulini a vento in Europa (assumendo che siano di tipo verticale) sono datati a partire dal 1185 nel villaggio di Weedley nello Yorkshire che era situato nella parte meridionale del Wond di fronte all estuario Humber. È stata trovata anche qualche antecedente, ma di datazione meno certa, fonte Europea del dodicesimo secolo che fa riferimento a mulini a vento. Questi primi mulini erano usati per macinare il grano.

Mulini a palo[modifica | modifica wikitesto]

Attualmente i primi esempi di mulini a vento Europei sono mulini a palo, così denominati per il largo palo verticale su cui si basa l'intera struttura del mulino. Montando il corpo del mulino in questo modo, il mulino può ruotare in modo da ricevere il vento frontalmente; un requisito fondamentale di qualsiasi mulino a vento per operare economicamente nel nord-ovest dell'Europa, dove la direzione del vento è variabile. Il corpo contiene tutti i meccanismi. I primi mulini a palo erano di tipo sunken, dove il palo era chiuso in una collinetta per supportarlo. Successivamente, fu sviluppato un supporto in legno. Esso era spesso coperto in cima o circondato da una cupola per proteggere il supporto in legno dalle precipitazioni e per creare dello spazio destinato alla funzione di magazzino. Questo tipo di mulino era il più comune in Europa fino al diciannovesimo secolo, quando mulini più potenti come mulini a torre e mulini smock non li sostituirono.

Mulini a palo incavato[modifica | modifica wikitesto]

Nei mulini a palo incavato, il palo su cui il corpo si sostiene è incavato, per accogliere l'albero motore. Questo rende possibile azionare meccanismi sotto o fuori dal corpo del mulino non compromettendo l'abilità del mulino di ruotare il corpo in direzione del vento. i rotori dei mulini a palo incavato erano usati in Olanda per drenare zone paludose dal quattordicesimo secolo in poi.

Mulini a torre[modifica | modifica wikitesto]

Dalla fine del tredicesimo secolo, furono introdotte strutture in muratura sulle quali era possibile far ruotare solo la testa del mulino invece che l'intero corpo. La loro diffusione avvenne durante la domanda di un economia in espansione di fonti energetiche più stabili, anche se erano più costosi da costruire. In contrasto al mulino a palo, soltanto la testa del mulino doveva ruotare in direzione del vento, quindi la struttura portante poteva essere molto più alta, e di conseguenza le pale potevano essere più lunghe, questo permetteva al mulino di essere utilizzabile anche in condizioni di basso vento. La testa poteva essere ruotata in direzione del vento sia da argani che da ingranaggi al suo interno o da un argano montato all'esterno del mulino sul palo di coda. Un metodo per mantenere automaticamente il mulino sempre in direzione del vento era l'utilizzo di un rotore di coda, il quale era montato perpendicolarmente alle pale sul retro del mulino. Anch'esse erano montate su pali di coda ed erano comuni in Gran Bretagna e in altri paesi anglosassoni dell'impero Britannico, Danimarca, e Germania, ma rari in altre zone. Introno ad alcune parti del mar Mediterraneo, venivano costruiti mulini a vento fissi perché la direzione del vento non variava spesso.

Mulini a vento smock[modifica | modifica wikitesto]

Il mulino a vento smock è di più tardo sviluppo, la torre in muratura è rimpiazzata da una strutura in legno, chiamata "smock". Lo smock è comunemente di base ottagonale, anche se esistono esempi con più, o meno, lati. Lo smock è ricoperto di paglia, imbarcato o coperto con altri materiali, come ardesia, lamine di metallo o catrame. La struttura più leggera comparata ai mulini a torre rendono i mulini a vento smock pratici per il drenaggio dato che dovevano essere costruiti in aree dove il sottosuolo era spesso instabile. Essendo nati come mulini per il drenaggio, i mulini a vento smock vengono utilizzati per diversi scopi. Quando vengono usati in un'area edificata, sono spesso posizionati su una base rialzata per sopraelevarli rispetto agli edifici che li circondano.

Meccanismo[modifica | modifica wikitesto]

Pale[modifica | modifica wikitesto]

Le pale comuni consistono in una struttura reticolare sulla quale è ancorata la tela. Il mugnaio può regolare la superficie sulla quale si estendono le vele in base alla potenza richesta. Nei mulini a vento medievali la copertura delle pale era passata fra le maglie della struttura della vela. Dopo il medioevo i mulini vennero costruiti con una struttura reticolare sopra la quale era distribuita la tela, mentre in climi più freddi, la tela era rimpiazzata da lamine di legno, le quali erano più facili da gestire in condizioni di gelo. La vela a fiocco è comunemente utilizzata nei paesi mediterranei, e consiste in un semplice triangolo di tessuto avvolto intorno ad un asta.

In tutti i casi, un mulino necessita di poter essere fermato per aggiustare le pale. Invenzioni dalla Gran Bretagna nel diciottesimo e diciannovesimo secolo portarono a pale che si regolano autonomamente rispetto all'intensità del vento senza l'intervento del mugnaio, esse culminarono nelle pale brevettate e inventate da William Cubitt nel 1807. In queste pale, il rivestimento in tela è rimpiazzato da un meccanismo di serrande connesse fra solo.

In Francia, Pierre-Théophile Berton inventò in sistema che consiste di lamine di legno longitudinali connesse da un meccanismo che consentiva al mugnaio di aprirle mentre il mulino ruotava. Nel ventesimo secolo, la maggior conoscenza dell'aerodinamica dallo sviluppo dell'aeroplano condusse a ulteriori miglioramenti in efficienza da parte dell'ingegnere tedesco Bilau e diversi mugnai olandesi.

La maggior parte dei mulini a vento hanno quattro eliche. Mulini con multiple eliche, con cinque, sei o otto eliche, sono stati costruiti in Gran Bretagna (specialmente nella regione del Lincolnshire e Yorkshire e nei dintorni), Germania, e meno comunemente in altri luoghi. Precedenti mulini a vento con multiple vele sono situati in Spagna, Portogallo, Grecia, parte della Romania, Bulgaria, e Russia. Un mulino con maggior numero di pale ha il vantaggio di poter funzionare anche se una vela viene danneggiata rimuovendo la vela opposta in modo da bilanciare il mulino.

In Olanda la posizione stazionaria delle pale di un mulino, come se esso non stesse funzionando, è stata usata per dare segnali. Una leggera inclinazione delle vele davanti al mulino indica gioia, mentre un inclinazione delle pale del mulino verso di esso indica un lutto.

In Olanda, i mulini a vento vennero posizionati in segno di lutto in onore delle vittime olandesi del disastro aereo del volo 17 Malaysian Airlines nel 2014.

Meccanica[modifica | modifica wikitesto]

Gli ingranaggi all'interno di un mulino a vento convogliano la potenza ricavata dal moto rotatorio delle pale in un dispositivo meccanico. Le pale sono posizionate orizzontalmente su un asta di sostegno. L'asta può essere totalmente fatta legno, o legno con un asta di ferro all'estremità (dove sono montate le vele) o interamente fatta di ferro. Il freno a disco è montato sull'asta che sostiene le pale fra il supporto frontale e posteriore. Ha il freno attorno alla parte esterna della ruota e denti sul lato di essa che guidano l'ingranaggio orizzontale chiamato wallower sulla cima del albero montante verticale, guida uno o più denti di pietra i quali azionano ogni macina. I mulini a palo qualche volta hanno un rotore di testa o di coda che aziona direttamente i denti di pietra, invece dell'utilizzo dello sperone. Ruote dentate supplementari azionano un sacco di sollevamento o altri macchinari. La meccanica è invece diversa se il mulino è utilizzato per altri scopi invece che per la macina. Un mulino per il drenaggio utilizza un altro insieme di ruote dentate sulla parte terminale bassa dell'albero montante per azionare una ruota di raccolta o vite di Archimede usa un albero a gomiti per fornire un costante movimento rotatorio alla seghe. I mulini a vento sono stati utilizzati per alimentare anche molti altri processi industrali, come cartiere, trebbiatura, e per la lavorazione dell'olio di semi, lana, vernice e prodotti derivanti dalla lavorazione della pietra.

Diffusione e declino[modifica | modifica wikitesto]

Si stima che il numero massimo di mulini che sfruttano il vento in Europa si sia aggirato attorno a 200000 durante la loro massima diffusione, questo numero è di gran lunga inferiore al numero di mulini ad acqua che erano 500000. I mulini a vento erano utilizzati in regioni dove la presenza d'acqua non era sufficiente, dove i corsi d'acqua gelavano durante l'inverno e su terreni che non presentavano pendenza e quindi la velocità dell'acqua era troppo bassa per generare la potenza necessaria. Con l'avvento della rivoluzione industriale, l'importanza del mulino a vento ed ad acqua come fonte primaria di energia venne meno e furono in alcuni casi rimpiazzati da motori a vapore (nei mulini a vapore) e motori a combusione interna, anche se i mulini a vento sono stati costruiti in grandi quantità fino al diciannovesimo secolo. Più recentemente, i mulini a vento sono stati preservati per il loro valore storico, in alcuni casi sono mantenuti statici perché gli antichi ingranaggi potrebbero essere troppo fragili e rompersi se messi in movimento, e in altri casi sono ancora perfettamente fuzionaniti.

Dei 10000 mulini in uso in Olanda nel 1850, circa 1000 sono ancora in piedi. La maggior parte di questi sono mantenuti da volontari, e qualche mulino per la macina è ancora in uso per scopi commerciali. Molti mulini per il drenaggio sono utilizzati come supporto alle moderne stazioni di pompaggio. Il distretto Zaan è stato identificato come la prima area industrializzata al mondo con circa 600 mulini a vento operativi dalla fine del diciottesimo secolo. I cambiamenti economici e la rivoluzione industriale hanno avuto un impatto molto più forte su queste industrie che sui mulini per la macina e il drenaggio quindi solamente alcuni sono rimasti.

La costruzione di mulini si diffuse nella Colonia del Capo nel diciassettesimo secolo. I primi mulini non sopravvissero alle tempeste della Penisola del Capo, quindi nel 1717, Heeren XVI inviò carpentieri, muratori, e materiali per la costruzione di un mulino più resistente. Il mulino, completato nel 1718, divenne conosciuto come Oude Molen ed era collocato fra la stazione Pineland e Black River. Molto tempo dopo la sua demolizione, il suo nome continua ad essere ricordato grazie all'istituto tecnico a Pinelands. Dal 1863, a Città del Capo si potevano contare 11 mulini distribuiti fra Paarden Eiland fino a Mowbray.

Turbine eoliche[modifica | modifica wikitesto]

Una turbina eolica ha una struttura simule a quella di un mulino a vento ed è studiata per svolgere il comito specifico di produrre energia elettrica. Possono essere visti come il passo successivo dello sviluppo dei mulini a vento. Le prime turbine eoliche sono state costruite verso la fine del diciannovesimo secolo dal professor James Blyth in Scozia (1887), Charles F.Bush a Cleveland, Ohio (1887-1888) e Poul la Cour in Danimarca (1890). Il mulino di Cour dal 1896 diventò la fonte di elettricità per il villaggio Askov. Dal 1908 erano presenti 72 generatori eolici in Danimarca, producevano dai 5 fino a 25 kW. Dal 1930, le turbine eoliche erano ampiamente utilizzati per generare elettricità nelle aziende agricole degli Stati Uniti dove non erano stati ancora installati sistemi di distribuzione dell'elettricità, erano costruiti da compagnie come Jacobs Wind, Wincharger, Miller Airlite, Universal Aeroelectric, Paris-Dunn, Airline, e Winpower. La Dunlite Corporation produsse turbine per motivi simili in Australia.

Il precursore delle moderne turbine eoliche a asse orizzontale era il WIME-3D in servizio a Balaklava USSR dal 1931 fino al 1942, un generatore da 100 kW su una torre di 30 metri, la turbina eolica Smith-Putnam costruita nel 1941 sulla montagna conosciuta come Grandpa's Know a Castleton, Vermont, USA di 1,25 MW e le turbina NASA sviluppata dal 1974 fino alla metà degli anni ottanta. La produzione di queste tredici turbine eoliche sperimentali aprì la strada allo sviluppo del design delle turbine moderne in uso attualmente, tale design include: struttura di sostegno tubolare in metallo, generatori a velocità variabile, vele in materiale composito, e controllo parziale del beccheggio, aerodinamica, struttura, acustica. L'industria moderna della produzione delle turbine eoliche cominciò nel 1979 con la produzione in serie di turbine eoliche da parte del produttore danese Kuriant, Vestas, Nordtank, e Bonus. Queste prime turbine erano piccole comparate agli standard attuali, avevano la capacità di produrre dai 20 ai 30 kW ciascuna. Da allora, le turbine commerciali sono aumentate in dimensioni, la moderna turbina Enercon E-126 può produrre fino a 7 MW, la produzione di turbine eoliche è attualmente in corso in diversi paesi.

Dall'inizio del ventunesimo secolo sono nate delle preocupazioni riguardo ai metodi di produzione dell'energia elettrica, al riscaldamento globale, e l'eventuale esaurimento dei giacimenti di combustibili fossili, questo ha portato all'espansione dell'interesse riguardo forme alternative di energie rinnovabili. Globalmente, molte migliaia di turbine eoliche sono attualmente operative, con una capacità stimata di 194,400 MW. Nel 2009 la produzione di tale energia è da attribuire per il 48% all'Europa.

Pompe eoliche[modifica | modifica wikitesto]

Le pompe eoliche sono utilizzate fin dal nono secolo nella zona occupata attualmente dall'Afghanistan, Iran e Pakistan. L'uso delle pompe eoliche si diffuse nel mondo islamico e successivamente in Cina e India. Successivamente i mulini a vento cominciarono ad essere utilizzati in modo estensivo anche in Europa, in modo particolare in Olanda e in Gran Bretagna, dalla fine del medioevo in poi, per drenare terreni per l'agricoltura o per essere usati nell'edilizia.

Il mulino a vento americano, o motore a vento, fu inventato da Daniel Halladay nel 154 e fu usato spesso per pompare acqua dai pozzi. Versioni più grandi erano usate anche per tagliare legname, fieno, e sgranare e lavorare il grano. In California e altri stati, i mulini a vento facevano parte di un sistema domestico della raccolta dell'acqua il quale includeva un pozzo e una torre in legno in supporto di una botte di legno situata all'interno di una struttura contenitiva. Durante la fine del diciannovesimo secolo costruzioni in metallo rimpiazzarono le costruzioni in legname. Al momento della loro massima distribuzione, nel 1930, si stima la presenza di 600000 unità in uso sparse su tutto il territorio statunitense. Aziende come U.S. Wind Engine e Pump Company, Challenge Wind Mill e Feed Mill Company, Appleton Manufacturing Company, Star, Eclipse, Fairbanks-Morse, e Aermotor diventarono i principali fornitori nel nord e sud America. Queste pompe eoliche erano ampiamente utilizzate in fattorie e ranch negli Stati Uniti, Canada, Africa Meridionale, e Australia. Esse utilizzavano varie un ampio numero di pale, e di conseguenza ruotavano lentamente anche con scarso vento generando una coppia considerevole ed si regolavano autonomamente con venti forti. In cima alla torre era presente un cambio e un albero a gomito che convertiva il movimento rotatorio nel movimento alternato dei pistoni che venivano spinti attraverso un tubo fino al cilindro della pompa. I suddetti mulini pompavano acqua e alimentavano silos, seghe e macchinari agricoli.

In Australia, i fratelli Griffith a Toowoomba produssero mulini a vento dal 1876, con il nome di Shoutern Cross Windmills in uso dal 1903. Essi diventarono icone nel settore rurale australiano utilizzando l'acqua del grande bacino artesiano.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) Erich Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics, 3ª ed., Springer, 2013 [2000], p. 2, ISBN 978-3-642-27150-2.
  2. ^ "Ingegneria meccanica nel Vicino oriente medievale", di Donald R.Hill, pubbl. su "Le Scienze (Scientific American)", num.275, luglio 1991, pag.92-98
  3. ^ Sicuro di sapere? - Sapere.it

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