Ветряные мельницы: от древней Персии к современной ветроэнергетике

Исторический контекст

Ветряная мельница — устройство, преобразующее энергию ветра во вращение регулируемых лопастей. Исторически использовались для помола зерна и водонасоса, сегодня легли в основу современных ветроэлектростанций, выдающих чистую электроэнергию.

История

Человечество использует ветер веками — сначала для парусников. Первая задокументированная ветряная мельница датируется Персией (500–900 гг. н.э.) — вертикальная осевая водонасосная машина, позже адаптированная для помола. Китайские мельницы упоминаются с 1219 г., но персидское первенство задокументировано.

После крестовых походов идея попала в Европу. Ранние европейские образцы (1270 г.) имели горизонтальную ось, вероятно, вдохновленные водяными колесами и ради большей эффективности. Мельничные мастера, особенно в Нидерландах и Англии, усовершенствовали дизайн: башенные мельницы, многоэтажные «смок-мельницы», автоматизированные управления.

Ветряные мельницы были «электродвигателями» доиндустриальной Европы: пилили дрова, окрашивали ткани, перерабатывали табак. В 19 веке паровая машина и прерывистость ветра привели к упадку крупных мельниц, но небольшие вентиляторные типы процветали — особенно в США, где с 1850 по 1970 постройка более 6 млн штук.

Конструктивные типы

Две основные категории: горизонтальная ось и вертикальная ось. Горизонтальные (штурвальные, смок, башенные, вентиляторные) доминируют за счет высшего КПД.

• Штурвальные (Post mills): единая вертикальная опора, всё здание поворачивается навстречу ветру.
• Смок-мельницы (Smock mills): корпус неподвижен, поворачивается только шляпка с лопастями — позволяют больше паруса и прочнее строительство.
• Башенные (Tower mills): развитие смок: постоянный круглый каменный/кирпичный корпус — лучшая защита от погоды.
• Вентиляторные (Fan-type): компактные автономные блоки: мачта, колесо, хвостовое рулевое устройство, насос. Мачта 3–4,5 м, диаметр лопастей 1,8–4,9 м.

Сырьё

• Штурвальные: дерево. Лопасти — легкая бальза, рама — твердые породы, покрытие — краска/смола.
• Смок и башенные: древесина, кирпич, камень.
• Вентиляторные: оцинкованная сталь (мачта), легкая сталь/алюминий (лопасти), бронза/латунь (насосы, устойчивы к замерзанию), кожа/синтетические полимеры (прокладки, О-кольца).

Производство и монтаж (на примере вентиляторной мельницы)

Изготовление элементов мачты

• Рулоны оцинкованной стали выпрямляют, режут, при необходимости сварят. Готовые детали сверлят с высокой точностью, покрывают защитным слоем, упаковывают.

Сборка редуктора

• Литые зубчатые колеса, валы, роторы вручную собирают в погодостойкий корпус, несущий колесо и хвостовое устройство.

Изготовление ветрового колеса

• Стальной обод скатывают в обруч, сверлят, монтируют центральный вал и спицы. Лопасти вырезают из листового металла, гнут, крепят к обручу болтами и хомутами.

Подготовка площадки

• Выбирают место с преобладающим ветром ≥ 15 миль/ч (24 км/ч). Убирают препятствия. Основание поднимают на бетонную плиту или насыпь для лучшего обдува.

Финальная сборка

• Собирают мачту на земле, поднимают вертикально. Болтами крепят к основанию, натягивают стяжки, проверяют устойчивость. Последовательно монтируют редуктор, главный вал, ветровое колесо, хвост, насос — мельница в деле.

Контроль качества

Визуальные инспекции на каждом этапе производства выявляют дефекты. Настароенное строительство требует тщательной рабочей мастерской; регулярное ТО гарантирует долгосрочную эффективность.

Будущее

Традиционные дизайны практически не меняются, но новые материалы и турбинные технологии перестраивают отрасль. Государственные инвестиции в ветропарки (особенно в Калифорнии) демонстрируют сдвиг к крупномасштабным сетевым турбинам — устойчивой альтернативе ископаемому топливу.

Источники

Книги

• Baker T.L. North American Windmill Manufacturers' Trade Literature, Univ. of Oklahoma Press, 1998.
• Clegg A.J. Windmills, Horseshoe Publications, 1995.
• Hills R.L. Power from Wind: A History of Windmill Technology, Cambridge Univ. Press, 1994.
• Hooker J. In Praise Of Windmills, Circle Press Pubns, 1990.
• Watts M. Water and Wind Power, Shire Publications, 2000.