Как устроена ветряная мельница для зерна. Как работает ветровая мельница в ветряную погоду. Принцип мельниц-шатровок был иной

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.

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 , 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.

Ветряные мельницы в разных странах

Ветряные мельницы Голландии

В 1738 - 40 годах в голландском городке Киндердейк были построены 19 каменных ветряных мельниц для защиты низин от затопления. Ветряные мельницы перекачивали воду с территории, расположенной ниже уровня моря в реку Лек, которая впадает в Северное море. Кроме перекачивания воды, ветряные мельницы использовались для выработки электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 году стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.

Сегодня воду с отметки ниже уровня моря в Киндердейке перекачивают современные насосные станции, а ветряные мельницы в 1997 году были внесены в Список объектов мирового наследия Юнеско.

Прародители ветровых мельниц появились почти четыре тысячи лет назад в Египте. Изначально ветряная мельница имела постоянное направление лопастей и ременной привод к оси каменного жернова. Позже в конструкции появились шестерни и подшипники, поворотные механизмы. Такое устройство без радикальных изменений успешно использовалось до начала прошлого века и сейчас тоже имеет применение.

Причины успеха энергии ветра

Характеристики ветровой энергии уникальны. Заслуживают отдельного упоминания свойства, ставшие причиной длительного успеха ветряных мельниц. Сравнение характеристик источников энергии позволяет понять столь продолжительное и географически широчайшее применение энергии ветра:

Но есть у ветра и недостатки. Например, вошедшее в поговорку непостоянство. Направление ветра меняется так часто, что пришлось даже создавать мельницы с вращающимся корпусом. А изменение силы ветра от ураганной до штиля не позволяет рассчитывать на стабильность поступления энергии. Другие природные источники энергии тоже нестабильны и со своими недостатками. Солнце не дает энергии по ночам, а днем может уйти за тучи. Реки есть не везде, а там, где есть, могут пересохнуть или замерзнуть на месяцы.

Еще одним минусом является малая плотность ветра - 1,29 кг/м3. К примеру, плотность воды составляет почти тонну. Для получения одинаковой по величине энергии площадь лопастей у ветряной мельницы должна быть в 750 раз больше, чем у водяной. А для таких конструкций должен быть и соответствующий корпус.

Но, тем не менее, почти четыре тысячи лет ветер был востребован, как источник энергии, на Европейском, Азиатском и Африканском континентах. И сейчас о нем не забывают.

Как ветер крутит лопасти

Так как воздух имеет массу, то движение воздуха имеет кинетическую энергию. Когда на пути ветра, дующего в определенном направлении, появляется предмет, их взаимодействие можно описать с помощью векторов силы. Ветер будет отталкивать препятствие и отталкиваться сам в противоположенном направлении. При этом лопасть, закрепленная на оси конструкции, будет изгибаться вдоль оси вращения и крутиться на ней. Графически это выглядит следующим образом:

Ветер после соприкосновения отражается от лопасти, оставляя ей часть энергии:

1. на изгиб лопасти по направлению ветра, чему конструкция противостоит с силой Fл2-1, создающей потенциальную энергию. На величину этой силы уменьшится вектор силы ветра Fв2-1;
2. создавая кинетическую энергию вращения, на лопасть действует сила Fл2-2. При этом уменьшается вектор силы ветра Fв2-2, меняя его направление.

Величина кинетической энергии, передаваемой ветром через лопасти, зависит от массы взаимодействующего с лопастью воздуха, скорости его движения, направления относительно лопастей - чем перпендикулярней, тем лучше.

В самой мельнице, кроме конструкции лопастей, можно минимизировать потери на трение, применяя на оси подшипники, а передаточном механизме - шестерни, либо устанавливая генератор непосредственно на ось лопастей.

Зная, как работает мельница, можно попробовать изготовить ее самостоятельно. Хотя бы в декоративных целях.

Как рассчитать крылья мельницы

Сначала нужно решить, для чего и где строить мельницу. Обычно ветровая машина ставится на открытой местности , например - на даче. Если вокруг забора близко и плотно растут деревья, придется делать высокий корпус для ветряка. В этом случае обязательно потребуется фундамент.

Фундамент нужен и невысоким, но тяжелым корпусам. Для дачных дел достаточно по периметру будущего строения уложить на глубину до 0,7 метра бетон или плотные ряды кирпичей. Для декоративных сооружений достаточно подмостить и утрамбовать один слой кирпича, изолирующего сооружение от влаги.

Теперь надо решить, для чего следует строить мельницу . Вариантов много:

• для подъема воды из скважины;
• для получения электроэнергии;
• для отпугивания кротов;
• для хранения садовых инструментов;
• в декоративном назначении.

Порядок вариантов представлен по снижению требований к мощности устройства, т.е. по упрощению механизма. Определение требований к дизайну остается правом и обязанностью владельца.

Сразу запомним, что реальная мощность бытового ветряка не превышает 500 Вт при скорости ветра 5-8 м/с. Однако электроэнергию можно накапливать, включая при необходимости мощные потребители на короткий срок. Например, насос для подъема воды.

Главное в ветряке, это лопасти. В первую очередь для определения конструкции лопастей нужно знать о том, что чем больше мощность - тем большую площадь проекции на плоскость вращения должны иметь лопасти. Это достигается увеличением количества, длины, площади и угла разворота лопастей.

Для расчета средней мощности конструкции потребуется знание силы обычных для местности строительства ветров. Кроме того, лопасти мельницы должны быть перпендикулярны преобладающим направлениям ветра. Эти сведения следует узнать в сети Интернет по запросам "статистика скорости ветра" и "роза ветров" для своего региона.

Осталось подсчитать размер лопастей. Например, средний ветер 5 м/с, а потребляемая мощность электроприбора 100 Вт. Потери на преобразование кинетической энергии вращения оси мельницы в электрическую составят порядка 20% - 40%.

Коэффициент полезного действия можно посчитать, учитывая точные паспортные значения КПД генератора на оси, выпрямителя, стабилизатора, преобразователя постоянного тока в переменный напряжением 220 В. При расчете проценты потерь не суммируются, надо последовательно перемножить КПД каждого прибора, чтобы получить КПД системы преобразования вращения в электричество. Еще половина мощности ветра теряется на лопастях.

Снизить потери преобразования можно исключив, например, преобразователь постоянного тока в переменный, если исполнительное устройство может работать от аккумулятора. Отсутствие какого-либо другого устройства также возможно, если напряжение и ток не имеют большого значения для работы устройства - например, небольшая лампочка накаливания, еще практичнее - светодиодная.

Мощность ветрогенератора прямо пропорциональна плотности воздуха , умноженного на скорость ветра в третьей степени (для 5 м/с - 125). Если разделить результат на удвоенную площадь проекции лопастей на плоскость вращения,получается мощность, которую может выработать генератор на оси вращения лопастей.

Для примера можно посчитать площадь проекции для 4 лопастей шириной 0,5 м, образовывающих при вращении круг диаметром 2 м, закрепленные под углом 60 градусов к плоскости вращения. Площадь по формуле d/2*sin(30)*0.5*4 равна 2/2*0,25*4=1 квадратному метру.

Такая конструкция, при наиболее распространенном в России среднем значении скорости ветра 5 м/с, получает от ветра энергию в количестве 1,29*125/2*1 = 80 Вт. Снять половину на преобразование во вращательное движение, убрать 25% на преобразование в электроэнергию и останется около 30 Вт для потребителей. Максимальная ветровая мощность при таком ветре на лопастях, полностью перекрывающих в проекции площадь круга, может вырасти в 3,14 раза. В итоге потребителю достанется максимум около 100 Вт. Не так уж и плохо.

Если в декоративных целях использовать светодиоды, размеры мельницы изменятся до смешных, был бы низкий ветер вдоль земли.

Без преобразования в электрическую используют энергию ветра для отпугивания мелких насекомых, живущих под землей. Достаточно опустить на 15 сантиметров в углубление деревянную ось, вращающуюся от ветряка, как вибрация почвы отпугнет их на несколько метров, не мешая хозяевам.

Разновидности лопастей ветряков

Конструкции лопастей бывают не только с вертикальным вращением, но и с горизонтальным. Лопасти могут иметь винтовую конструкцию , изменяемую парусность. Строились мельницы на века и так, чтобы в каждом строении была уникальность. Современные конструкции тоже поражают разнообразием.

Статистика и перспективы

В России конца 19 века работали около 200 000 мукомольных мельниц. Обычный ветряк вырабатывал мощность 3,5 кВт, большой с диаметром лопастей 24 метра - до 15 кВт. Суммарная вырабатываемая ими мощность в то время доходила до 750 мВт. Сейчас используются ветряные электрогенераторы и считанные единицы мельниц другого назначения. А энергии все они вырабатывают в 50 раз меньше, чем 100 лет назад, целых 15 мВт. Планы развития. конечно. создаются, ведь потенциал ветра над нашей страной составляет десятки миллиардов киловатт.

Пока планы не реализовались, можно перефразировать известное выражение Владимира Маяковского и сказать: "Если мельницы строят - значит - это кому-то нужно? Значит - кто-то хочет, чтобы они были?" Завораживающая красота работающих мельниц стала мощным вдохновляющим фактором для умельцев, создающих шедевры во дворах и на дачных участках.

Пейзаж с ветряными мельницами нам более знаком на полотнах европейских мастеров живописи восемнадцатого-девятнадцатого века.

Сейчас множество работающих ветряных мельниц можно увидеть только в Нидерландах. Правда, они там вовсе не муку мелют, хотя есть и такие. Они откачивают воду из одних каналов в другие. Как же была устроена ветряная мельница? Увидеть это можно разве что в Прибалтике и самих Нидерландах. Первое, что нужно сделать, чтобы она хорошо работала, - поймать ветер. Для этого ее крышу разворачивали в нужном направлении с помощью специального колеса и рычага. Колесо как раз и было связано с крышей. Когда крыша достигала требуемого положения, колесо стопорили специальной цепью. Затем отпускали специальный тормоз, и крылья мельницы начинали вращаться, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Вал, на котором крепились крылья, через деревянные передавал вращение на главную вертикальную ось.

Применение.

Далее устройство ветряной мельницы могло быть разным. С ее помощью откачивали воду, отжимали масло из семян, даже изготавливали с ее помощью бумагу и пилили лес, ну и, конечно, мололи муку. Мельница для муки делала свою работу с помощью все тех же каменных жерновов. С появлением парового и других видов двигателей она, можно сказать, утратила свое значение для промышленности. Но в наше время, когда люди учатся беречь энергию и природу, ветряная мельница возродилась в другом качестве, как дешевый и экологичный источник электроэнергии. Сотни ветряков, ее правнуков, работают в Голландии, Нидерландах и Германии. В США, Канаде и Австралии отдаленные фермерские хозяйства с успехом используют ветровые генераторы для производства электричества для нужд дома и хозяйства.

Декоративный элемент. Его строительство.

Сегодня ветряная мельница получила популярность в качестве декоративного элемента приусадебного хозяйства. Сделать ее несложно. Такая мельница, своими руками собранная возле загородного дома или дачи, украсит любой уголок сада. Начинается работа с изготовления фундамента. Роется яма на глубину 70 см, и закладывается кирпичный фундамент. Из 50х50 сваривается каркас по размерам 80х120х270. Каркас обшивается брусом 40х40. Можно конструкцию сверху обшить вагонкой. Каркас устанавливается на фундамент. Древесину сверху покрывают защитной пропиткой в несколько слоев. Изнутри корпус утепляется пенопластом и фанерой. Далее выполняется крыша. На стропила крыши стелется сплошная обрешетка, которая затем укрывается рубероидом в два слоя. На рубероид укладывается кровельный материал. Затем собирается механизм. Подбирается и устанавливается ось и два подшипника. Собираются лопасти из деревянных планок с сечением 20х40мм, которые скрепляются с помощью саморезов. Лопасти устанавливаются на ось. Верхняя часть фундамента также обшивается брусом. Внутреннее помещение можно использовать для хранения, например,

Мельница – это механизм, в котором размалывают различные зёрна, например, пшеницу, для того, чтоб получить муку, или мелкий корм для животных.

Мельницы бывают разных форм и объёмов.

Существует несколько типов:
Ручные
Водяные
Ветряные
Электрические

У всех видов мельниц есть размалывающие механизмы, называемые жерновами. Они приводятся в движение с помощью разных сил.

Ручные мельницы работают от приложенной силы. Пока человек крутит ручку, мельница работает, как только он устал, и решил отдохнуть, мельница не перемалывает зёрна.

Водяные мельницы используют силу воды. Такие мельницы строятся обычно возле рек с быстрым течением. У водяной мельницы на колесе есть специальные лопатки, когда вода течёт, она упирается в эти лопатки, тем самым толкая их и приводя в движение всё колесо, а они в свою очередь вращают жернова.

Подобным образом работает и

Ветряные мельницы работают с помощью ветра. Они имеют лопасти со скошенными краями. Когда дует ветер, он скользит о наклонные поверхности и отталкивает их. Они начинают крутиться.

Электрические мельницы вращают жернова с помощью специальных моторчиков, которые работают от электричества.

В настоящее время используются в основном электрические мельницы.

Когда человек хочет получить муку, он идёт на мельницу, высыпает пшеницу в специальный контейнер, из которого зёрна подаются в небольшом количестве в жернова. Там они размалываются на мелкие кусочки, которые очищаются и просеиваются. В конце мы получаем чистую белую муку, из которой наши мамы пекут нам вкусные булочки и пироги.

Мини-тест

1. Для чего нужна мельница?
2. Какие виды мельниц бывают?