Все о ветряных мельницах

Знать все о ветряных мельницах, о том, что это и как работает, нужно не только из праздного интереса. Устройство и описание лопастей — это еще не все, нужно понимать, для чего нужны мельницы. Достаточно сказать про ветряные мельницы и про их строительство для электричества, про иное хозяйственное значение.

Мельницы были созданы в тот момент, когда началось массовое выращивание пшеницы и других злаков. Но использовать силу ветра для вращения конструкции смогли не сразу. В глубокой древности колеса вращали рабы либо тягловый скот. Позже начали создавать водяные мельницы. И наконец, после всех появилась уже и ветряная конструкция.

Несмотря на кажущуюся простоту, на деле она, наоборот, очень сложна. Создать такое изделие стало возможным только при учете нагрузки от ветра и при правильном подборе длительности действия механизма для конкретной задачи. А задачи эти были весьма разнообразны — и колка дров, и откачка воды. Самые ранние модели – «козловки» –строились по той же схеме, что и деревянный дом.

Потом появились так называемые шатровые мельницы, которые имеют неподвижный корпус, вращение совершает лишь верхушка с главным валом.

Подобные модели способны приводить в движение 2 жернова и потому отличаются повышенной производительностью. Мельница считалась, что характерно, не просто утилитарным инструментом. Ей уделялось крупное значение в мифах, легендах и сказках. Не было стран, где бы отсутствовали такие представления. Существовали различные мотивы мифов: замурованные при строительстве фундамента люди, обитающие на мельнице духи, спрятанные клады, таинственные подземные ходы и так далее.

Ветряная мельница работает потому, что воздушные потоки воздействуют на лопасти и приводят их в движение. Этот импульс поступает на передаточное устройство, а через него — на собственно рабочую часть мельницы. В старых моделях лопасти увеличивали до нескольких метров. Только таким путем удавалось повысить площадь контакта с воздушными потоками. Величина подбирается сообразно основной функции и необходимой мощности.

Если мельница устроена с самыми крупными лопастями, то она может молоть муку. Только такое решение обеспечивает эффективное кручение тяжеловесных жерновов. Совершенствование конструкции стало возможным благодаря развитию аэродинамических представлений. Современная технологическая проработка позволяет обеспечить неплохой результат даже при относительно скромной площади ветрового контакта.

Сразу за лопастями в схеме находится редуктор либо иной передаточный механизм. В некоторых моделях это оказывался вал, на который и монтировали лопасти. Другой конец вала оснащался инструментом (узлом), совершавшим работу. Однако постепенно от такой конструкции, несмотря на простоту, отказались.

Редукторное исполнение оказалось куда эффективнее и изящнее. Редукторы преобразуют импульс от крутящихся лопастей в полезную работу. А стоит разъединить части редуктора, можно быстро остановить работу. Потому механизм не крутится впустую, и даже резкое усиление ветра не так страшно. Важно: сейчас мельницы применяются исключительно для электричества.

Но даже появление первых мельниц стало настоящей революцией в технологии. Безусловно, сегодня 5 — 10 л. с. на крыло кажутся совершенно «детской» величиной. Однако в эпоху, когда не было не то что мотороллеров, но и до паровозов оставалось несколько веков, это оказалось грандиозным достижением. В XI – XIII веках человек получил в свое распоряжение мощь, которая была недоступна в прежнюю эпоху. Энерговооруженность хозяйства сразу значительно возросла, и именно поэтому во многом стал возможен резкий взлет европейской экономики в тот период.

Сравнивать ветряную мельницу удобнее всего с водяным аналогом. Водяная конструкция насчитывает более давнюю историю и независима от перемены ветра. Водные течения гораздо более стабильны. Можно также использовать силу прилива и отлива, что для ветряного аппарата совершенно недоступно. Эти обстоятельства обусловили тот факт, что распространенность водяных мельниц была во много раз выше в любых государствах средневековья.

Сила ветра для размола зерна, как уже говорилось, начала применяться позже. Такое решение вдобавок влекло существенные дополнительные расходы. Однако в Голландии в XV веке, а особенно с начала XVII столетия оценили другие достоинства ветряных мельниц. Они толкали цепи с черпаками, удалявшими грунтовые воды. Без этого нововведения было бы невозможно освоить значительную часть территории современных Нидерландов.

В Голландии ветряные мельницы стали популярны и по другой причине — там почти беспрерывно дуют западные ветры, переносящие воздух от Атлантического океана в сторону Балтийского моря. Потому особых проблем как с ориентированием лопастей, так и с использованием техники не возникало. В наши дни сравнивать ветряные мельницы уместнее всего с водяными не по качеству и возможностям размола зерна, а по пригодности для электрогенерации. Стабильность электропитания падает, стоимость сетевой энергии растет, и потому так важно выбрать подходящий для себя тип.

Ветряные электростанции работают фактически от бесконечного ресурса. До тех пор, пока на Земле сохраняется атмосфера и планету освещает Солнце, ветры не прекратятся. Такие устройства не засоряют окружающую среду, потому что в отличие от дизельных и бензиновых систем они не выбрасывают токсичных веществ. Однако назвать ветряную электроустановку совсем экологичной нельзя, потому что она создает сильный шум, и в ряде стран на него даже устанавливают законодательные ограничения. Наконец, ветряная мельница не может нормально работать в сезоны пролета птиц.

В России ни шумовых, ни календарных ограничений пока нет. Но они могут появиться в любой момент. И в любом случае ветряная электростанция — как современный ветряк, так и классическая мельница — не может находиться в непосредственной близости от жилья. Кроме того, реальная эффективность определяется сезоном, временем суток, погодой, рельефом местности; все это прямо влияет на скорость потока воздуха и на эффективность его применения.

Еще одним минусом ветроэлектростанции является уже отмеченная нестабильность ветра. Использование аккумуляторов частично решает эту проблему, но одновременно усложняет систему и делает ее более дорогой. Иногда приходится также дополнительно применять другие источники энергии. Зато ветряная мельница монтируется быстро — с учетом подготовки площадки понадобится не более 10-14 суток. Под такую установку требуется довольно много места, особенно если учитывать размах лопастей и пространство, которое должно быть свободно по соображениям безопасности.

Ветряные мельницы мукомольного производства работали с 1 либо 2 жерновыми поставами. Поворот на ветер происходит двумя способами — по козловой и по шатровой схеме. Козловая методика означает, что вся мельница полностью проворачивалась вокруг столба из дубовой древесины. Этот столб монтировали в центре тяжести, а не симметрично по отношению к корпусу. Поворот к ветру расходовал много энергии и потому был сильно усложнен.

Традиционно козловые мельницы оснащались одноступенчатой механической передачей. Она эффективно крутила укороченный вал. По козловой методике выполнена еще и мельница Bock. Более совершенный вариант — шатровая (она же голландская) схема. В верхней части здание оснащалось поворотной рамой, которая поддерживала колесо и увенчивалась шатрообразной кровлей.

Поворот к ветру благодаря облегченной конструкции происходит с куда меньшими усилиями. Ветровое колесо могло быть очень большого сечения, поскольку его поднимали на большую высоту. В большинстве случаев шатровая мельница оснащалась двухступенчатой передачей. Промежуточное строение имеет колчанный тип мельницы. В нем круг поворота размещался на высоте 0,5 корпуса, важный подвид — дренажная мельничная установка.

Быстродействие ветряной мельницы в прошлом было лимитировано прочностью передающего устройства. Ограничения были связаны с деревянными зубцами колес и цевками. В результате нарастить коэффициент применения ветровой энергии (КПД) невозможно. Сами зубья и цевки для них делались по шаблону из качественной сухой древесины. Для этой цели подходили:

• акация;
• береза;
• граб;
• вяз;
• клен.

Колесный обод главного вала изготавливали из березы либо вяза. Доски выкладывали в два пласта. Снаружи обод по кругу тщательно отделывали; чтобы держались спицы, использовали болты. Те же болты помогали подтянуть диски. Основное внимание при совершенствовании конструкции уделялось исполнению крыльев.

В достаточно старых мельницах решетки крыльев накрывали парусиной. Но позднее ту же функцию успешно исполняли тесовые доски. Обнаружилось также, что еловый тес подходит лучше. Изначально крылья создавали с неизменным углом заклинивания лопасти, варьировавшимся от 14 до 15 градусов. Изготовить их довольно просто, однако слишком много ветровой энергии растрачивалось впустую.

Применение винтовой лопасти позволило нарастить КПД до 50% по сравнению с более старым вариантом. Сменный угол заклинивания в наконечнике колебался в пределах 1 — 10, а в основании от 16 до 30 градусов. Один из наиболее современных вариантов — с полуобтекаемым профилем. Ближе к концу периода шатровых мельниц их строили уже почти исключительно из камня. В некоторых случаях, конечно, ветряная система подключалась к водяному насосу, что позволяло орошать земельные участки.

В самом раннем типе таких конструкций, как и на мукомольных предприятиях, можно было уменьшать площадь крыльев, частично снимая парус либо открывая жалюзи. Это решение позволяло предотвращать повреждения даже при усилении ветра. Но все равно оставалась проблема тихоходности ветродвигателя с большим количеством лопастей либо с большой шириной крыльев. Причина вполне очевидна — очень серьезный страгивающий момент. Решение нашла немецкая компания «Кестер», которая выпускала ветроколесо «Адлер» с минимумом лопастей и значительной дистанцией между ними; такая конструкция уже имела среднюю быстроходность.

Еще более продвинутые конструкции на крыльях со стороны подсоса оснащались особыми клапанами. Потому регулировка происходила автоматически, что обеспечивало максимально высокое быстродействие. В рабочем состоянии удержание клапанов обеспечивала пружина. Все конструировали так, что из-за этих клапанов даже при активном движении не возникало сильного сопротивления. Если заданная частота кручения из-за центробежной силы была превышена, происходил поворот клапанов.

При этом сопротивление воздушному потоку нарастало, он использовался куда менее плавно и не так эффективно, как обычно. Зато в норме удавалось снизить страгивающий момент. В течение XVIII и XIX столетий ветряными мельницами пользовались уже на всей планете. Их перестали делать полукустарными способами, начали выпускать на заводах многолопастные ветровые двигатели из металла. К концу XIX века лишь немногие модели были лишены функций автоматической регулировки темпа кручения и жесткой фиксации колеса в направлении мотора.

В индустриально развитых странах делали тогда уже сотни тысяч комплектов для мельниц в год. Начался также выпуск усовершенствованных экономичных моделей, призванных, прежде всего, вырабатывать электричество. Мощность таких систем сравнительно невелика, обычно не превышала 1 кВт, чаще всего предусматривалось оснащение колесами с 2-3 лопастями крыльчатого формата. Подключение к генератору происходит через редуктор. Для накопления энергии в таких системах применялись аккумуляторы малой и средней емкости.

Чтобы построить мельницу, нужно учесть ряд нюансов.

Важно учитывать вращение лопастей. Потому поблизости не должно быть никаких посторонних строений и конструкций. Желательно выбирать ровную площадку, иначе постройка может быть перекошена. Участок очищают от всей растительности и иных мешающих вещей. Еще учитывают, как все будет смотреться внешне.

Построить ветряную мельницу можно даже из фанеры, прочного пластика или металла. Никто не запрещает также комбинировать их. Но все же классическому подходу оптимально соответствует использование деревянной доски, бруса, фанеры. Для гидроизоляции принимают полиэтилен, а для крыши — рубероид. Потому нужны еще молотки и гвозди, дрели, пилы и другой инструментарий для деревянного строительства: рубанки, УШМ, ведра и кисти.

Несмотря на декоративность большинства ветряных мельниц, схема строительства все равно подразумевает подготовку основания. Рытье ямы и заливка раствора не обязательны. Вполне достаточно использовать выкладку бруса или бревен. Обычно конструкция по форме близка к трапеции. Внутренний и наружный каркасы связывают при помощи вертикальных стоек, размещаемых под заданным углом.

При обшивке конструкции обращают внимание на проемы окон и дверей. Критически важна также точка монтажа лопастей. Двери ставят со вспомогательными креплениями. Подкреплять балки с лопастями можно брусом. Обивка возможна любым материалом, обеспечивающим герметично закрытую поверхность, наиболее колоритно покрытие деревом.

Форму крыши выбирают индивидуально. Ровное и прямое покрытие ничуть не хуже устанавливаемого под углом. Достаточную гидроизоляцию обеспечит слой рубероида. Лицевая крыша получается при помощи досок либо фанеры. Необходимости использовать более декоративные варианты отделки нет.

Ставить мельницу нужно на сухую приготовленную площадку. По мере надобности используют анкеры, чтобы гарантировать жесткость крепления. Обязательно стоит свериться с законодательными и нормативными актами, чтобы не иметь проблем. В любом случае также соблюдают рекомендации по электробезопасности и заземлению. Необходимо подключать генератор через провода определенного сечения и в «уличной» изоляции.

Родосские мельницы, находящиеся около порта Мандрнаки, дробили очень долго зерно, которое доставляли прямо в гавань по морю. Изначально их было 13, по другим данным — 14. Но лишь 3 дошли до нашего времени и сохранены как памятники. На острове Эланд примерно та же ситуация — вместо 2000 мельниц сохранилось только 355. Их демонтировали в начале прошлого века, потому что необходимость отпала, к счастью, самые красивые постройки уцелели.

Также стоит отметить:

• Zaanse Schans (север Амстердама);

• мельницы островов Миконос;

• город Консуэгра;

• мельничную сеть Киндердейк;

• ветряные мельницы иранского Наштифана.