Ветряная мельница – это мельница, преобразующая энергию ветра в энергию вращения с помощью лопастей называемых парусами, в отличие от
водяной мельницы, использующей энергию потока воды. Много веков назад, ветряные мельницы, как правило, использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для выполнения обеих задач. Большинство современных ветряных мельниц имеют форму ветровых турбин и используются для выработки электроэнергии; ветряные насосы используются для перекачки воды, осушения земель или выкачивания подземных вод.
Ветряные мельницы в древности
Ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в первом веке нашей эры, является наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма.
Другим примером древней ветрового привода является молитвенное колесо, используемое в Тибете и Китае в начале 4 века. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использование энергии ветра для своего амбициозного проекта по орошению.
Горизонтальные ветряные мельницы
Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса (лопасти), вращающиеся в горизонтальной плоскости, вокруг вертикальной оси. По словам Ахмада аль-Хасана ветряные мельницы были изобретены в восточной Персии, персидским географом Эстакхири в девятом веке. Подлинность сведений о более раннем изобретении ветряной мельницы вторым халифом Умаром (в течение 634 - 644 годов н.э.) ставится под сомнение на основании того, что сведения о ветряных мельницах появляются лишь в документах датируемых десятым веком.
Мельницы того времени имели от шести до двенадцати лопастей покрытых тростником или тканевым материалом. Эти приспособления использовались для измельчения зерна или добывания воды, и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц. Первоначально ветряные мельницы получили широкое распространение на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а затем постепенно стали популярными в Китае и Индии.
Подобный тип горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, также можно найти в тринадцатом веке в Китае (во время правления династии Цзинь на севере), открытой и привезённой в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем в 1219 году.
Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали на территории Европы в 18-м и 19-м веках. Наиболее известными, из сохранившихся до наших дней, являются Мельница Хупера в графстве Кент и мельница Фаулера в Баттерси в окрестностях Лондона. Вероятнее всего, мельницы существовавшие на территории Европы в те времена были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции; конструкция европейских мельниц не была заимствована у восточных стран.
Вертикальные ветряные мельницы
Относительно происхождения вертикальных ветряных мельниц дебаты историков продолжаются до сих пор. Из-за отсутствия достоверных сведений невозможно ответить на вопрос являются ли вертикальные мельницы оригинальным изобретением европейских мастеров или конструкция заимствована у ближневосточных стран.
Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 годом; она была расположена в бывшем селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в 12-м веке. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерновых культур.
Козловая мельница
Существуют данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.
При монтаже корпуса мельницы таким образом она получала возможность вращаться по направлению ветра; это позволяло работать более продуктивно в северо-западной Европе, где направление ветра изменяется с короткими интервалами. Основания первых козловых мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте. Позже была разработана деревянная опора получившая название эстакада (либо козлы). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время неблагоприятных погодных условий.
Этот тип ветрянных мельниц был наиболее распространенным в Европе до девятнадцатого века, до тех пор пока мощные башенные мельницы не заменили их.
Полая (пустая) козловая мельница
Мельницы этой конструкции имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах, а также не было необходимости поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, так как применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах начиная с 14 века.
Башенная мельница
К концу 13 века был введен в эксплуатацию новый тип мельничной конструкции, башенная мельница. Ее основным преимуществом являлось то, что в движение приводилась только лишь верхняя часть конструкции, в то время, как основная часть мельницы оставалась неподвижной.
Широкое распространение башенных мельниц пришло с началом периода укрепления экономики, из-за необходимости наличия надежных источников энергии. Фермеров и мельников не смущала даже более высокая стоимость возведения по сравнению с другими типами мельниц.
В отличие от козловой мельницы, в башенной мельнице только крыша башенного стана реагировала на наличие ветра, это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, что, в свою очередь, позволяло изготовлять лопасти большего размера, благодаря чему вращение мельницы было возможно даже в условиях слабой ветрености.
Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по направлению движения ветра благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру благодаря наличию небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям в задней части ветряка. Данный тип конструкции получил распространение на территории бывшей Британской империи, Дании и Германии. На территории расположенной на небольшом расстоянии от Средиземного моря, башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, так как изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.
Шатровая мельница
Шатровая мельница является усовершенствованным вариантом башенной мельницы, где каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существуют мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, листовым металлом либо толем. Более легкая конструкция, по сравнению с башенными мельницами, делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить конструкцию в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип мельниц использовали в качестве дренажной мельницы, но позже сфера использования значительно расширилась.
При возведении мельницы в застроенных районах она обычно помещалась на основание из каменной кладки, что позволяло поднять конструкцию над окружающими зданиями для лучшего доступа ветра.
Механическое устройство мельниц
Лопасти (паруса)
Традиционно парус состоит из каркаса-решётки на которой расположена парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности. В средние века лопасти представляли собой решетку на которой располагалась парусина, в то время, как в условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.
Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце восемнадцатого века конструкции, которая автоматически приспосабливалась к скорости ветра без вмешательства мельника. Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 году. В этих лопастях, ткань заменили механизмом соединенных затворов.
Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, который позволял мельнику открыть их во время вращения мельницы.
В двадцатом веке, благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.
Большинство ветряных мельниц имеют четыре паруса. Наряду с ними существуют мельницы оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании (особенно в графствах Линкольншир и Йоркшир), Германии, и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.
Мельница с четным числом парусов имеет преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей, возможно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.
В Нидерландах во время того, как лопасти мельницы находятся в неподвижном состоянии, их используют для передачи сигналов. Небольшой наклон парусов по направлению к главному зданию символизирует радостное событие; в то время, как наклон в противоположную от главного здания сторону символизирует скорбь. Ветряные мельницы по всей Голландии, были помещены в позиции траура в память о голландских жертвах авиакатастрофы малазийского Боинга в 2014 году.
Мельничный механизм
Шестерни внутри мельницы передают энергию от вращательного движения парусов к механическим устройствам. Паруса закреплены на горизонтальных валах. Валы могут быть полностью сделаны из дерева, дерева с металлическими элементами или целиком из металла. Тормозное колесо устанавливают на валу между передним и задним подшипниками.
Мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, например для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.
Распространение мельниц
Общее количество ветряных мельниц в Европе, по оценкам экспертов, достигало количества около 200 000 во времена наибольшего распространения этого типа устройств, эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 000
водяных мельниц, существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки замерзали зимой и в равнинных регионах, где поток рек были слишком медленными, чтобы обеспечить требуемую мощность для работы водяных мельниц.
С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем, ветряные мельницы по прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца 19-го века.
В наши дни ветряные мельницы часто являются охраняемыми конструкциями, так как была признана их историческая ценность. В некоторых случаях старинные мельницы существуют в качестве статичных экспонатов (когда древние машины слишком хрупки, чтобы привести их в движение), в других случаях, как полностью рабочие экспонаты.
Из 10 000 ветряных мельниц, используемых в Нидерландах в 1850х годах, около 1000 мельниц до сих пор находятся в рабочем состоянии. Большинство ветряков в настоящее время обслуживается добровольцами, хотя некоторые мельники до сих пор работают на коммерческой основе. Многие из дренажных мельниц существуют в качестве резервного механизма для современных насосных станций. Регион Заан в Голландии был первым промышленным регионом мира в котором к концу 18 века функционировало около 600 ветряных мельниц. Экономические колебания и промышленная революция имела гораздо большее влияние на ветряные мельницы, чем на другие источники энергии, это привело к тому, что лишь немногие из них удалось сохранить до наших дней.
Строительство мельниц было распространено на территории Капской колонии в Южной Африке в 17 веке. Но первые башенные мельницы не пережили штормы на мысе полуострова, поэтому в 1717 году было решено построить более прочную мельницу. Мастера, специально присланные Голландской Ост-Индской компанией завершили строительство к 1718 году. В начале 1860х годов, Кейптаун мог похвастаться 11 мельницами.
Ветряные турбины
Ветряная турбина по сути является ветряной мельницей, структура которой специально разработана для выработки электроэнергии. Ее можно рассматривать как следующий шаг в развитии ветряной мельницы. Первые ветряные турбины были построены в конце девятнадцатого века профессором Джеймсом Блитом в Шотландии (1887 г.), Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде, штат Огайо (1887-1888)и Полем ля Куром в Дании (1890-е). Мельница Поля ля Кура начиная с 1896 года выполняла функции электрогенератора в селе Аскове. К 1908 году насчитывалось 72 ветряных электрогенератора в Дании, с мощностью в пределах от 5 до 25 кВт. К 1930-м годам ветряные мельницы получили широкое распространение на фермах в Соединенных Штатах, где их использовали для выработки электроэнергии, в связи с тем, что еще не были установлены системы передачи и распределения энергии.
Современная ветроэнергетическая промышленность началась в 1979 году с запуска серийного производства ветровых турбин датскими производителями Kuriant, Vestas, Nordtank и Bonus. Первые турбины были небольшими по сегодняшним меркам, с мощностью 20-30 кВт каждая. С тех пор турбины коммерческого производства были значительно увеличены в размерах; Турбина Enercon E-126 способна обеспечить поступление до 7 МВт энергии.
С началом 21-го века, наблюдается рост озабоченности населения по поводу энергетической безопасности, глобального потепления и истощения ископаемого топлива. Все это в конечном итоге привело к увеличению интереса к всевозможным видам возобновляемых источников энергии и усилило интерес к ветровым турбинам.
Ветряные насосы
Ветряные насосы использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с 9-го века. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от Средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.
Американский ветряной насос или ветряной двигатель, был изобретен Даниэлем Халадеем в 1854 году и использовался в основном для подъема воды из колодцев. Более крупные версии ветряного насоса также использовались для таких задач, как распиловка древесины, измельчение сена, шелушение и размол зерна. В Калифорнии и некоторых других штатах, ветряной насос был частью автономной системы по добыче хозяйственно-бытовой воды, которая также включала ручной колодец и деревянную водонапорную башню. В конце 19-го века стальные лопасти и башни заменили устаревшие деревянные конструкции. На пике своего развития в 1930 году, по оценкам экспертов около 600 000 ветряных насосов находились в использовании. Производством ветряных насосов занимались такие американские компании, как Pump Company, Feed Mill Company, Challenge Wind Mill, Appleton Manufacturing Company, Eclipse, Star, Aermotor и Fairbanks-Morse, со временем именно они стали основными поставщиками насосов в Северной и Южной Америке.
Ветряные насосы широко используются на фермах и ранчо в Соединенных Штатах, Канаде, Южной Африке и Австралии в наши дни. Они имеют большое количество лопастей, что позволяет им вращаться с большей скоростью при слабом ветре и замедлять движение до необходимого уровня при сильном ветре. Такие мельницы поднимают воду для нужд комбикормовых заводов, лесопильных заводов и сельскохозяйственных машин.
В Австралии компания Griffiths Brothers занимается изготовлением ветряных мельниц под названием «Southern Cross Windmills» начиная с 1903 года. В наши дни они стали незаменимой частью австралийского сельского сектора благодаря использованию воды Большого артезианского бассейна.
