Мельницы.ветряные мельницы, история, типы и конструкции. В истории Соединенных Штатов мельницы сыграли очень важную роль в освоении Запада Америки в конце XIX века

Одним из первых стабильных источников энергии, освоенных человеком, был ветер.

Благодаря ветру произошли великие географические открытия, человечество получило возможность путешествовать, орошать поля, молоть зерно и, наконец, оно научилось превращать ветер в чистую энергию в виде электричества.

Если существовал Ноев ковчег, то он, вероятно, плыл под парусами.

Энергия «от уст Эола» (рис. 4.1) впервые была использована на парусных судах, служивших главным транспортным средством для перевозки товаров по Нилу в древнем Египте.

Древние греки относили изобретение паруса к тем же далёким временам, когда был освоен огонь и приручены дикие животные. В длинном ряду благодеяний, которыми Прометей осчастливил род человеческий, Эсхил упоминает и парус:

«льняными крыльями суда снабдил, и смело по морям погнал».

Из старых документов доподлинно известно, что уже четыре тысячи лет тому назад отважные финикийцы, жившие на восточном берегу Средиземного моря, интенсивно пользовались парусом. Он был примитивным и несовершенным, но с его помощью финикийцы доплыли до устья Нила, где организовали бойкую торговлю с египтянами, а две с половиной тысячи лет назад даже совершили первое описанное в истории плавание вокруг Африки. Перед людьми, овладевшими энергией ветра, открылись океаны. С парусом связано начало освоения новых земель, новых рынков. Энергия ветра способствовала развитию цивилизации.

Силу ветра ценили и умели использовать с древних времён во многих странах. И хотя на суше энергию ветра никогда не использовали так широко, как на море, тем не менее достоверно известно о существовании ветряных колёс за тысячи лет до нашей эры. Например, в районе Александрии сохранились остатки ветряных мельниц, которым не меньше трёх тысяч лет. Вавилоняне использовали их для осушения болот, в Египте, на Ближнем Востоке, в Персии строили ветряные водоподъёмники и мельницы.

За 200 лет до нашей эры в Персии для размола зерна применялись простые ветряные мельницы с вертикальной осью вращения, а ещё раньше их использовали в Китае.

Мельницы такого вида вращались вокруг вертикальной оси подобно вращающейся юле или игрушечному гироскопу. Старинные персидские ветромельницы изготавливались креплением пучков камыша к деревянной раме, которая вращалась, когда дул ветер. Стена, окружавшая мельницу, направляла ветер на раму (рис. 4.2).

Зафиксировано упоминание о ветряной мельнице в Иране в 644 году, когда в обвинительном акте против некоего Абу Лулуа, убившего халифа Умара ибн ал-Каттаба, он назван «строителем ветряных мельниц». Немногим более чем через 200 лет ветряные мельницы появляются в городке Сиетеке на границе между Ираном и Афганистаном.

Использование мельниц с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащённых поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря.

В XI веке ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и при возвращении крестоносцев попали в Европу. Первое упоминание о ветряной мельнице в Европе, вначале во Франции, относится к 1105 году: в архивах сохранилось разрешение, выданное некоему монастырю на постройку мельницы. Французские хроники 1180 года и английские 1190 года уже прямо говорят о работающих ветряных мельницах, но ещё совсем не о тех, с которыми впоследствии сражался хитроумный идальго Дон Кихот Ламанчский! Это были неуклюжие сооружения с вращающимися в горизонтальной плоскости лопастями, укреплёнными на деревянном корпусе. По принципу действия английские и французские мельницы были однотипными. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны.

Ветряная мельница трудом многих поколений совершенствовалась и приобретала более знакомый нам облик. Она оказалась существенно проще водяной, значительно дешевле. Основной её недостаток заключался в непостоянстве энергоносителя – ветра.

Ветер – помощник капризный, так как быстро и постоянно меняет своё направление. Эта проблема долгое время мешала использовать силу ветра. Наконец, в ХIII столетии было найдено решение – ветря

ное колесо, которое с помощью примитивного рычага поворачивалось и таким образом крылья всегда были подставлены ветру. В рукописи 1270 года, именуемой «Водномельничный Псалтырь», имеется изображение одной из первых ветряных мельниц.

Представительницей усовершенствованной конструкции этого направления является ветряная мельница типа «Bock» (рис. 4.3). На деревянной нижней раме, так называемой «Bock», располагался вращающийся на вертикальной цапфе корпус мельницы. С помощью наклоненной наружу балки корпус мельницы поворачивался, и крылья устанавливались в направлении ветра. На этих мельницах в течение сотен лет мололи зерно. Они были надёжны, просты и долговечны. В случае необходимости мельники могли вручную собственными силами отремонтировать их. С экономической точки зрения использовать ветряную мельницу типа «Bock» было настолько выгодно, что власти не могли остаться в стороне и начали выдвигать свои требования. В середине века мельнику приходилось платить своему феодалу десятую часть выручки, которую давала мельница. Епископ Утрехтский даже публично объявил о том, что все ветры и ветерки провинции являются его личной собственностью. Правда, до наших дней не дошло, дул ли ветер также и тогда, когда его владелец ему приказывал. Но мельницы типа «Bock» использовались повсеместно.

а

б

Рис. 4.3. Общий вид (а) и разрез (б) ветряной мельницы типа «Bock»

В XIV веке ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц стали голландцы, так как в Голландии (Нидерландах) эти мельницы послужили основой энергетической базы. Можно сказать, что страна самим своим существованием обязана им: ведь большая часть территории Нидерландов («низменной страны» в буквальном переводе) лежит ниже уровня моря. Именно ветряные двигатели дали возможность провести грандиозные работы по осушению болот и откачке воды. Сила ветра была противопоставлена силе другой стихии – морской, постоянно угрожавшей затопить землю маленькой страны.

Голландцы внесли много усовершенствований в конструкцию ветряных мельниц. Мельницы имели, как правило, четыре деревянных крыла решетчатой конструкции с натянутой на них грубой парусиной. Сворачивая или разворачивая эти «паруса», люди соответственно уменьшали или увеличивали площадь крыльев и таким образом преобразовывали изменчивую силу ветра в относительно равномерный ход ветродвигателя. У некоторых мельниц было до восьми крыльев (рис. 4.4, 4.5).

Крылья некоторых ветряных мельниц, выполненные целиком из дерева, имели вид жалюзи. В них для регулирования напора ветра вместо парусины использовали подвижные пластины. В XVI веке примитивные поперечные паруса на деревянных полках уступили место парусам, закреплённым на деревянных брусках с двух сторон маха (рис. 4.6).

Позже для улучшения аэродинамической формы крыльев бруски были присоединены к задней кромке. В более современных конструкциях паруса заменили тонким листовым металлом, использовались стальные махи и различные типы жалюзи и щитков для регулирования частоты вращения ветроколеса при больших скоростях ветра.

Ветряные колёса работали по тому же принципу, что и водяные, и поэтому имели очень большие размеры: размах крыльев до 28 м, ширину крыльев 2 м, а высота всей башенной конструкции мельницы достигала 30 м. Крупные ветряные мельницы при больших скоростях ветра могли развивать мощность до 66 кВт.

Ветряные мельницы, так же как и водяные, недолго оставались просто приспособлениями для перемалывания зерна. В 1582 году в Голландии была построена первая маслобойня, использующая энергию ветра, в 1586 году – первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением печатной машины, а в 1592 году появились лесопильные заводы для производства лесоматериалов с использованием энергии ветра. Мельницы также мололи нюхательный табак и пряности, ткали полотно.

Экономический расцвет Голландии, куда Петр I (1672–1725) ездил учиться уму-разуму, в XVI веке был вызван именно развитием ветроэнергетики в этой стране. Голландцы успешно перешли от первоначального использования ветряков для осушения низких приморских земель к их приспособлению в качестве привода различных производств. В результате Голландия стала самой энерговооруженной страной в тогдашней Европе.

Наиболее удачную конструкцию ветряной мельницы еще в XVII веке предложил голландец Ян Андриаанезоон (впоследствии во всём мире её стали называть «голландской»). С помощью этой мельницы он осушил 27 озёр, заслужив у соотечественников почётное прозвище «Леегватер» – «опустошитель вод».

Максимальное распространение ветряных мельниц в доиндустриальной Европе наблюдалось в 1700-е годы, когда на равнинах Германии, Италии, России, Украины, Испании и, конечно же, Голландии – классической страны ветряных мельниц – мерно вращали свои крылья деревянные великаны. В 30-х годах XVIII столетия в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота. А к концу XIX века в Голландии их насчитывалось свыше 10 000 (в 1923 г. – только 2500, а в наше время – едва тысяча), а в маленькой Дании – 30 тысяч для бытовых целей и 3 тысячи ветродвигателей, которые использовались в промышленности.

В свое время ветряная мельница была важным строением, которое позволяло осуществлять большое количество операций. С ее помощью можно было легко измельчить зерно в муку или на корм для скота. Сегодня мельницами, которые работали бы от потока ветра или воды, никто не пользуются, но их с успехом применяют в ландшафтном дизайне. Ков принцип работы мельницы и можно ли ее собрать самостоятельно? Об этом речь пойдет в статье.

Принцип работы

Принцип работы ветряной мельницы можно описать довольно просто. В качестве движущей силы используются потоки воздуха, которые постоянно перемещаются. Ветер воздействует на три основных узла:

• лопасти;
• передающий механизм;
• механизм, выполняющий работу.

В мельницах, которые использовались раньше, лопасти могли достигать в длину несколько метров каждая. Это делалось для увеличения площади захвата ветра. Размеры подбирались в зависимости от того, какую функцию выполняла мельница. Если мощность мельницы требовалась больше, то и пропеллер был больше. Самыми большими лопастями оснащались мельницы, которые мололи муку. Это связано с тяжелыми жерновами, которые необходимо было вращать. Форма лопастей ветряка со временем совершенствовалась, и они создавались в согласии с законами аэродинамики, что дало возможность увеличить их эффективность.

Следующим модулем ветряка, который следует за лопастями является редуктор или передающий механизм. Иногда таким модулем служил только вал, на который были смонтированы лопасти. На втором конце вала находился инструмент, который выполнял работу. Но такой механизм ветряка не отличается особой безопасностью и надежностью. Остановить мельницу при необходимости попросту невозможно. Кроме того, вал мог легко сломаться, если его чем-то заклинило. Редуктор является более эффективным и изящным решением. Он подходит для того, чтобы преобразовать вращение лопастей в полезную работу различного характера. Кроме того, разъединив компоненты редуктора, можно легко прекратить взаимодействие.

Оборудование, которое могло применяться и применяется с мельницей является самым разнообразным. Кроме жерновов, это могут быть различные измельчители на основе лезвий, благодаря которым в короткие сроки можно приготовить корм для скота. На мельницах могло быть установлено столярное оборудование, которое приводилось в действие силой ветра.

Где можно использовать мельницу

Мельницы испытывают второе рождение, но это не объясняется возвратом к методам производства, которые использовались раньше. Все больше людей задается вопросом о принципе действия такой конструкции. Те, кто одним глазом видели небольшую ветряную мельницу, которая была установлена у кого-то в саду, захотели иметь мельницу и у себя на участке. Мельница может стать именно той изюминкой, которой не хватало для территории сада с деревьями. Мельница придает индивидуальности любому участку. Сложно найти две одинаковые мельницы, которые были бы сделаны своими руками. Каждый мастер вносит свои наработки.

Ветряную мельницу можно доработать и задействовать в качестве генератора электрической энергии. Это позволит освещать территорию двора с использование светодиодных лампочек и не платить за электричество. Для этого потребуются определенные знания физики и смекалка. Похожим образом можно задействовать мельницу, если на участке протекает небольшой ручеек.

Подход к ландшафтному дизайну должен быть умеренным. Без особых сложностей можно насадить разнообразие цветов и других растений, но смотреться это будет безвкусно. В каждом проекте должна быть своя изюминка. Ровно подстриженным газоном редко кого можно удивить. Мельница на участке даст возможность выделиться. Возле нее можно оборудовать небольшой уголок для отдыха после тяжелого дня, она может быть тайником для дорогих сердцу мелочей. О других возможностях использования такой мельницы рассказано ниже.

Дополнительные способы использования

Ветряная мельница может быть не только генератором и простым элементом, который украсит участок. У нее может быть и другое практическое применение. Именно поэтому стоит хорошо подумать, где именно ее можно установить. Например, если по садовому участку проведена система автоматического полива, то, скорее всего, может присутствовать люк, в котором находятся все водопроводные узлы. Такой люк невозможно скрыть под газонной травой, но, если этого не сделать, тогда он будет выделяться и портить вид. Как раз в этом случае на помощь придет мельница. Она может быть смонтирована непосредственно на крышку люка, чем скроет ее. При этом у посетителей не возникнет подозрений в том, что что-то не так.

Не всегда элементы канализации спрятаны в люки. Кроме того, на газоне могут быть и другие элементы, которые необходимо скрыть. За счет того, что материал для мельницы подбирается легкий, то он не может повредить элементы. Также корпус выполняется в виде колпака, поэтому может быть установлен сверху. Если соорудить мельницу больших габаритов, то этому нескончаемо рады будут дети. Они смогут использовать мельницу для игр с друзьями. Если конструкция будет применяться именно таким способом, то ее необходимо хорошо укрепить, чтобы она не травмировала чад. Кроме того, понадобится вход, который необходимо сделать с обратной стороны.

Для ухода за садом и газоном применяется немало инструмента. Удобнее, если он будет находиться непосредственно на участке и за ним не придется возвращаться в кладовку возле дома. В этом тоже может помочь мельница. Внутри мельницы можно оборудовать отличное помещение для хранения инвентаря. Чтобы он хранился как можно компактнее, можно соорудить различные садовые органайзеры. Мельницу можно соорудить из природного камня или огнеупорного кирпича. В этом случае можно все продумать так, чтобы она служила мангалом. Для этого также можно соорудить небольшой столик.

Обратите внимание! Проблемой для многих являются кроты, которые постоянно перерывают территорию сада. Можно частично решить этот вопрос с помощью мельницы. Она способна передавать вибрации от вращения. Делается это благодаря тому, что ножки вкапываются в землю минимум на 20 см. Дополнительно можно смонтировать в конструкции ветряка вибромоторы, которые будут отпугивать животных.

Изготовление своими руками

К изготовлению мельницы нельзя подходить легкомысленно. Хотя конструкция ветряка и может казаться довольно простой, но необходимо все правильно рассчитать. Только в этом случае можно получить действительно стоящее изделие, которое сможет украсить участок. Первым делом необходимо выбрать территорию, на которой будет установлена конструкция ветряка. Если поместить изделие между деревьев, то оно там затеряется и не будет радовать глаз, кроме того, сила ветра между деревьями меньше, поэтому вращение лопастей может практически отсутствовать, что будет плохо при наличии генератора внутри.

Обратите внимание! На открытую местность проще доставить требуемые материалы, а также легче проводить сборку лопастной конструкции ветряка.

После выбора участка под ветряк производится его уборка и подготовка. Первым делом выполняется очистка от различных элементов, которые могут мешать. Это касается старых веток, кустарников или большого сорняка. Если раньше на участке росло дерево, то потребуется выкорчевать пенек. После уборки убирается трава и снимается небольшой участок грунта в том месте, где будет располагаться мельница. Далее подготавливается фундамент, на который будет смонтирован ветряк.

Чертеж

Нет строгих правил по сборке собственного варианта мельницы. Основной задачей будет нарисовать хороший схематический рисунок. На нем должны быть видны все детали мельницы. В зависимости от выбранного участка и целей, которые назначены для мельницы подбираются размеры. Их необходимо указать непосредственно на эскизе. Пример виден на фото выше. Следующим шагом идет подбор материала для мельницы. В его качестве подойдет древесина, но ее необходимо обработать антисептиком, а также покрыть лаком, чтобы она не разбухала от воздействия влаги, а также не была изъедена вредителями.

Обратите внимание! Отличным решением для конструкции ветряка будет сосна. Она пропитана смолами, поэтому прекрасно отталкивает влагу. Стоимость такой древесины сравнительно невысока, поэтому она отлично подходит для задуманного.

Подготовка фундамента

Когда с размерами все ясно, можно перейти к изготовлению фундамента для ветряка. Это необязательная процедура, но она требуется, если ветряк будет значительных размеров и применяться, как служебное помещение. Выкапывается небольшая яма на глубину в 50 см. Слоем в 15 см делается подсыпка щебня, таким же пластом укладывается песок средней зернистости. Его необходимо хорошо утрамбовать и выровнять, чтобы ветряк стоял ровно. Далее выставляется опалубка на ту высоту, на которую будет возвышаться фундамент для ветряка. В большинстве случаев она не требуется.

Внутрь ямы под фундамент ветряка укладывается армирующая сетка. Она изготавливается из арматуры, которая переплетается между собой вязальной проволокой. Сверху производится заливка бетона. Его необходимо хорошо утрамбовать, чтобы не было пустот, из-за которых в фундаменте ветряка могли бы пойти трещины. Монтаж ветряка на фундамент можно производить по истечении нескольких недель.

Сборка

Первым делом для мельницы понадобится каркас. Его можно изготовить из деревянного бруса с размерами 5×5 см. Крепить его необходимо не к бетонному основанию, а к небольшому ростверку. Его можно изготовить из бруса с размером 10×10 см. Из бруса изготавливается квадрат или прямоугольник. Все будет зависеть от выбранной конструкции. Элементы прочно соединяются между собой. Необходимо проверить соответствует ли каждый гол 90°. После этого на фундамент под мельницу укладывается слой гидроизоляции из рубероида. Он необходим, чтобы влага от бетона не повредила древесину. На рубероид укладывается деревянная конструкция основы ветряка и прикручивается к основанию анкерами.

Следующим шагом будет установка каркаса из бревен. На четырех углах крепятся стойки под мельницу. Чаще всего стенки мельницы имеют трапециевидную форму, поэтому бруски крепятся не под прямым углом, а с небольшим уклоном. Для этого их необходимо предварительно обрезать. Фиксация к основанию производится металлическими уголками. Когда четыре стойки для мельницы находятся на своих местах, делается верхняя обвязка. Дополнительно крепятся поперечные распорки, которые увеличат прочность всей конструкции мельницы. Это как раз тот момент, когда необходимо укрепить места, где будет располагаться окно и двери.

Следующим шагом сооружается крыша мельницы. В ветряках отлично смотрится небольшая двускатная крыша. Из брусков сооружаются треугольные фермы, которые монтируются сверху мельницы. После этого производится обшивка всех стен ветряка, кроме лицевой. Обшивку ветряка можно осуществить деревянной вагонкой или блок-хаусом. Ближе к крыше с лицевой стороны ветряка фиксируется механизм, на который будет установлены лопасти. Это может быть труба, в которую запрессовано несколько подшипников. Закрепить ее можно на горизонтальные перекладины каркаса ветряка с помощью хомутов. В подшипники вставляется металлический вал от лопастей. Его можно изготовить из отрезка арматуры.

Одним из самых сложных элементов ветряка является пропеллер. Выше приведена примерная конструкция лопастей для ветряка. Размеры можно пропорционально увеличить в зависимости от того, какие габариты имеет конкретная конструкция ветряка. После этого пропеллер устанавливается на подготовленный ранее вал. Теперь можно зашить переднюю стенку ветряка. Далее в ветряк монтируется окно и двери, а также выполняется организация внутреннего пространства. В качестве кровельного настила для ветряка подойдет профнастил или металлическая черепица. Видео о сборке декоративного ветряка есть ниже.

Обратите внимание! Важно предусмотреть механизм, который будет стопорить вал ветряка. Это понадобится во время сильного ветра, чтобы лопасти ветряка не были повреждены.

Резюме

Как видно, ветряк или мельница может оказаться довольно полезным дополнением саду. Благодаря своему уникальному виду ветряк однозначно будет привлекать внимание прохожих и гостей. Кроме того, ветряк значительно упростит задачу по обслуживанию сада. Внутри мельницы можно разместить насосное оборудование и основные узлы управления, что сохранит их от неблагоприятных погодных условий.

Для выполнения заданий используйте план на форзаце учебника.

По плану местности можно решать практические задачи. Так, например, на плане местности хорошо видно, что холм, обозначенный на нём, имеет абсолютную высоту 160,7 м, юго-западный склон его пологий, а восточный - крутой.

Или другой пример. По плану нужно определить, виден ли от ветряной мельницы паром через реку Нить. Ответ: паром можно увидеть. Ведь место, где построена мельница, выше уровня воды в реке Нить, и от мельницы к реке местность всё время понижается.

1-2. Изображение холма с помощью горизонталей.

Если же наблюдатель находится на 150 м восточнее вершины холма, то паром он не увидит, потому что в этом случае его закрывает вершина холма. И действительно, в 150 м от вершины холма проходит горизонталь 155 м. К западу от наблюдателя в направлении парома через реку Нить местность повышается более чем на 5 м (от 155 до 160,7 м). Чтобы увидеть паром, надо встать у отметки 160,7 м или западнее её.

Выполните самостоятельно несколько заданий по плану местности.

Задание 1

Определите высоту холма, изображённого на плане местности:

1. абсолютную;
2. относительную.

Задание 2

Можно ли увидеть от посёлка Петрово озеро Утиное? Поясните свой ответ.

Задание 3

Наблюдатель стоит при впадении реки Луч в реку Нить. Определите, увидит ли он автомобиль, стоящий у северного подножья холма. Аргументируйте свой ответ.

Задание 4

Велосипедист от посёлка Лесной доехал до холма и вернулся обратно. В каком направлении ему было легче ехать?

Задание 5

Где на реке Луч лучше строить плотину? Обоснуйте свой ответ.

Задание 6

На каком берегу реки Нить можно загорать на пляже?

Прототип современных европейских ветряных мельниц впервые упоминается в источниках под 1143 г. В отличие от своих восточных предшественниц, эта мельница уже имела вертикально стоящее колесо с лопастями, которое можно было вручную поворачивать на оси в зависимости от направления ветра. Первая засвидетельствованная в Западной Европе мельница такого типа крутилась в 1180 г. во Франции.

Ранние типы мельниц

Древнейший тип ветряной мельницы — козловая, названная так по врытым в землю козлам, придававшим сооружению устойчивость. Закрепленную на них деревянную крышу можно было поворачивать, приспосабливаясь к направлению ветра. Поворачивали ее с помощью специального рычага, крепившегося на задней стенке и свисавшего почти до земли. Колесо имеет, как правило, четыре крыла, расположенных в верхней части мельницы. К слегка наклонному крыльчатому валу крепится большое зубчатое колесо, передающее движение вертикальному валу, который, в свою очередь, поворачивает жернов.

В XIII-XIV вв. в Средиземноморье появились так называемые башенные мельницы, отличавшиеся большей производительностью и распространившиеся от юго-западной Франции до северозападных окраин Европы. Такая мельница представляет из себя неподвижную башню, так что ее крылья нельзя повернуть по ветру.

Всегда в правильном положении

В начале XV в. вошла в употребление новая конструкция: голландская шатровая ветряная мельница, которую уже не надо было поворачивать по ветру целиком. На неподвижной башне крепилась вращающаяся крыша, а ветряное колесо поворачивалось в горизонтальной плоскости. Такие мельницы можно было делать выше, чем старые козловые. Благодаря этому они улавливали больше ветра и обладали большей производительностью. Однако это не всегда радовало людей, чью рабочую силу с лепдастью заменяли новые конструкции. В 1581 г. нидерландские ремесленные цеха протестовали против конкуренции техники.

В эпоху паровых машин ветряные мельницы почти исчезли. Вместо них появились ветряные моторы с большим количеством крыльев на колесе: их использовали как насосы для орошения полей. В 1930 г. у них появилась новая задача: ветряные генераторы впервые стали вырабатывать электрический ток. Сейчас это использование силы ветра — одно из важнейших.

• 1772 г.: шотландец Эндрю Мейкл изобрел мельничные крылья со шторками, которые открывались в случае бури, предохраняя колесо от повреждения.
• 1925 г.: француз Ж. Дарье изобрел ротор с вертикальной осью, который улавливает ветер, откуда бы он ни дул.
• 1957 В на датском острове Фальстер установлена станция мощностью 200 кВт. прототип современного ветряного турбогенератора.

Сила ветра это один из древнейших используемых человечеством источников энергии, которое, бесспорно, является одним из самых экономичных. Мореплаватели использовали силу ветра для морских путешествий под парусами еще за 3500 лет до новой эры. Простые мельницы были широко распространены в Китае 2200 лет назад. На Среднем Востоке, в Персии около 200 года до н.э. стали использоваться ветряки с вертикальной осью для перемалывания зерна. Первые персидские ветряки изготавливались из вязанок камыша, которые прикреплялись к деревянной раме, которая вращалась, когда дул ; стена вокруг мельницы направляла поток ветра против лопастей .

В XI веке в Европе начали распространяться ветряки завозились странствующими купцами и рыцарями из крестовых походов. Эти первые мельницы постоянно совершенствовались, сначала голландцами, затем англичанами, и наконец получили конструкции с горизонтальной осью. Жители Голландии обнаружили, что ветром очень удобно пользоваться для откачки воды, чтобы осушить землю, что для этой страны, расположенной в низовьях и поэтому страдает от наводнений, является очень актуальным. Наиболее активно в промышленному Европе мельницы использовались в XVIII веке, когда только в одной Голландии их было более ста тысяч. С их помощью мололи зерно, качали воду и пилили дрова. Впоследствии большинство ветряков , способных конкурировать с дешевым и надежным ископаемым топливом, были заменены паровыми двигателями. Однако и сегодня ветряки используются достаточно широко.

В истории Соединенных Штатов мельницы сыграли очень важную роль в освоении Запада Америки в конце XIX века.

Они были жизненно необходимы первым поселенцам Великих равнин. Ветряки поставляли воду на дорогу и пастбища, в места, удаленные от рек и источников воды. Позже ветряки стали использовать в удаленных от населенных пунктов хозяйствах для выработки электрической энергии. За последние 100 лет американцы создали более 8 миллионов ветровых установок для водопидняття, назначенных в большинстве случаев для пастбищ и скота.

В старых мельниц лопасти были деревянными и могли использовать около 7% энергии ветра. Благодаря новаторской работы Томас Перги, который в конце XIX века провел около 5000 экспериментов с разными видами «колеса» (т.е. ротора), деревянные лопасти уступили место лопастям из изогнутого металла, что увеличило установок вдвое — до 15%.

вечно возобновляемая и неисчерпаемая, пока греет солнце. Ветер образуется на земле в результате неравномерного нагрева ее поверхности Солнцем.

Воздух над водной поверхностью в течение светлой части суток остается сравнительно холодным, так как энергия солнечного излучения расходуется на испарение воды и поглощается ею. Над сушей воздух нагревается благодаря тому, что она поглощает солнечную энергию меньше, чем поверхность воды. Нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, а его заменяет холодный воздух от поверхности воды. Ночью суша охлаждается быстрее, чем вода, и температура над водой будет выше, чем над сушей. Поэтому ветры меняют свое направление, и холодный воздух суше вытесняет нагретый воздух водной поверхности.
Аналогично происходят изменения направления ветров в горной местности, где в течение дня теплый воздух поднимается вдоль склонов, а ночью холодный воздух спускается в долины.
Воздух циркулирует и вследствие вращения Земли: движение происходит в направлении, противоположном направлению движения часовой стрелки в северном полушарии, и по направлению движения часовой стрелки — в южном.

Что такое энергия ветра?

Часть солнечной энергии, которая достигает внешних слоев земной атмосферы, превращается в кинетическую энергию частиц воздуха, движущихся есть ветра. Кинетическая энергия ветрового потока равна

A = (m v2) / 2,

где m — масса воздуха, движущегося кг
v — скорость ветра, м / с.

Имеет ряд специфических особенностей: малую концентрацию, отнесенную к единице объема воздушного потока; случайный характер изменения скорости, с другой стороны, повсеместное распространение этого источника энергии, слишком совершенные технические средства ветроэнергетики и их экономическая эффективность позволяют рассматривать его как дополнение к » большой «энергетики, прежде всего для обеспечения энергией потребителей в труднодоступных районах, удаленных от источника централизованного энергоснабжения.

Мощность ветрового потока определяется как

P = A /? =? ((F v3) / 2),

где? — Плотность воздуха, кг / м;
F — площадь, которую пересекает ветровой поток, м2;
v — скорость ветра, м / с.

Ветровое колесо, размещенное в потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27 = 0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, охватываемую ветровым колесом Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м / с в лучшем случае может иметь мощность на валу 85 кВт.

Окрестности, пригодные для размещения ветроагрегатов делятся на несколько классов (по типам неровностей). Такое разделение (см. табл. 1,) демонстрирует возможности обеспечения энергией ветроустановок в условных единицах (10 баллов соответствует отсутствию неравенств, то есть 0-й класс поверхности), по методике европейской практики строительства ветростанций.

Таблица 1 — ветрового потенциала местности по характеру неравенств

Оценка энергообеспеченности по баллам в зависимости от характера не всегда однозначна. Известно, что после застройки местности или после посадки деревьев ее аэродинамика может резко измениться, может увеличиться количество ветрового времени и вырасти сила ветра. То же касается и горной местности. Несмотря на значительные завалы в отдельных местах, пересеченность местности может образовывать нечто вроде каналов, в которых скорость ветра гораздо выше, чем на открытой местности.

Кроме среднегодовой скорости для каждой местности есть свой профиль скоростей, который, влияет на величину скоростного напора. Вот почему для эффективного улавливания ветра есть своя оптимальная высота расположения ветроагрегата над уровнем земли. Так же, как и для среднегодовой скорости, предварительно делаются исследования эффективной высоты расположения ветроагрегата при различных ветровых нагрузках и мощностях самого ветроагрегата.

Есть две принципиально разные конструкции ветроустановок: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Более распространены ветроустановки с горизонтальной осью.

Основными элементами ветроэнергетических установок являются витроприймальний устройство (лопасти), редуктор передачи крутящего момента к электрогенератора, и . Витроприймальний устройство вместе с редуктором передачи крутящего момента образует . Благодаря специальной конфигурации витроприймального устройства в воздушном потоке возникают несимметричные силы, создающие крутящий момент. В зависимости от мощности генератора ветроустановки делятся на классы, их параметры и назначение приведены в табл. 2.

Таблица 2 — Классификация ветроустановок