Что такое ветряная мельница: Ветряная мельница — устройство, принцип работы, история, фото: Самые красивые дома

Ветряная мельница — устройство, принцип работы, история, фото: Самые красивые дома

Ветряная мельница – это мельница, преобразующая энергию ветра в энергию вращения с помощью лопастей называемых парусами, в отличие от водяной мельницы, использующей энергию потока воды. Много веков назад, ветряные мельницы, как правило, использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для выполнения обеих задач. Большинство современных ветряных мельниц имеют форму ветровых турбин и используются для выработки электроэнергии; ветряные насосы используются для перекачки воды, осушения земель или выкачивания подземных вод.

Ветряные мельницы в древности

Ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в первом веке нашей эры, является наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма. Другим примером древней ветрового привода является молитвенное колесо, используемое в Тибете и Китае в начале 4 века. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использование энергии ветра для своего амбициозного проекта по орошению.

Горизонтальные ветряные мельницы

Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса (лопасти), вращающиеся в горизонтальной плоскости, вокруг вертикальной оси. По словам Ахмада аль-Хасана ветряные мельницы были изобретены в восточной Персии, персидским географом Эстакхири в девятом веке. Подлинность сведений о более раннем изобретении ветряной мельницы вторым халифом Умаром (в течение 634 — 644 годов н.э.) ставится под сомнение на основании того, что сведения о ветряных мельницах появляются лишь в документах датируемых десятым веком.

Мельницы того времени имели от шести до двенадцати лопастей покрытых тростником или тканевым материалом. Эти приспособления использовались для измельчения зерна или добывания воды, и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц. Первоначально ветряные мельницы получили широкое распространение на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а затем постепенно стали популярными в Китае и Индии.

Подобный тип горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, также можно найти в тринадцатом веке в Китае (во время правления династии Цзинь на севере), открытой и привезённой в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем в 1219 году.

Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали на территории Европы в 18-м и 19-м веках. Наиболее известными, из сохранившихся до наших дней, являются Мельница Хупера в графстве Кент и мельница Фаулера в Баттерси в окрестностях Лондона. Вероятнее всего, мельницы существовавшие на территории Европы в те времена были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции; конструкция европейских мельниц не была заимствована у восточных стран.

Вертикальные ветряные мельницы

Относительно происхождения вертикальных ветряных мельниц дебаты историков продолжаются до сих пор. Из-за отсутствия достоверных сведений невозможно ответить на вопрос являются ли вертикальные мельницы оригинальным изобретением европейских мастеров или конструкция заимствована у ближневосточных стран.

Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 годом; она была расположена в бывшем селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в 12-м веке. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерновых культур.

Козловая мельница

Существуют данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.

При монтаже корпуса мельницы таким образом она получала возможность вращаться по направлению ветра; это позволяло работать более продуктивно в северо-западной Европе, где направление ветра изменяется с короткими интервалами. Основания первых козловых мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте. Позже была разработана деревянная опора получившая название эстакада (либо козлы). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время неблагоприятных погодных условий.

Этот тип ветрянных мельниц был наиболее распространенным в Европе до девятнадцатого века, до тех пор пока мощные башенные мельницы не заменили их.

Полая (пустая) козловая мельница

Мельницы этой конструкции имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах, а также не было необходимости поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, так как применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах начиная с 14 века.

Башенная мельница

К концу 13 века был введен в эксплуатацию новый тип мельничной конструкции, башенная мельница. Ее основным преимуществом являлось то, что в движение приводилась только лишь верхняя часть конструкции, в то время, как основная часть мельницы оставалась неподвижной.
Широкое распространение башенных мельниц пришло с началом периода укрепления экономики, из-за необходимости наличия надежных источников энергии. Фермеров и мельников не смущала даже более высокая стоимость возведения по сравнению с другими типами мельниц.
В отличие от козловой мельницы, в башенной мельнице только крыша башенного стана реагировала на наличие ветра, это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, что, в свою очередь, позволяло изготовлять лопасти большего размера, благодаря чему вращение мельницы было возможно даже в условиях слабой ветрености.

Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по направлению движения ветра благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру благодаря наличию небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям в задней части ветряка. Данный тип конструкции получил распространение на территории бывшей Британской империи, Дании и Германии. На территории расположенной на небольшом расстоянии от Средиземного моря, башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, так как изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.

Шатровая мельница

Шатровая мельница является усовершенствованным вариантом башенной мельницы, где каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существуют мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, листовым металлом либо толем. Более легкая конструкция, по сравнению с башенными мельницами, делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить конструкцию в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип мельниц использовали в качестве дренажной мельницы, но позже сфера использования значительно расширилась.

При возведении мельницы в застроенных районах она обычно помещалась на основание из каменной кладки, что позволяло поднять конструкцию над окружающими зданиями для лучшего доступа ветра.

Механическое устройство мельниц

Лопасти (паруса)

Традиционно парус состоит из каркаса-решётки на которой расположена парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности. В средние века лопасти представляли собой решетку на которой располагалась парусина, в то время, как в условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.

Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце восемнадцатого века конструкции, которая автоматически приспосабливалась к скорости ветра без вмешательства мельника. Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 году. В этих лопастях, ткань заменили механизмом соединенных затворов.

Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, который позволял мельнику открыть их во время вращения мельницы.

В двадцатом веке, благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.

Большинство ветряных мельниц имеют четыре паруса. Наряду с ними существуют мельницы оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании (особенно в графствах Линкольншир и Йоркшир), Германии, и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.

Мельница с четным числом парусов имеет преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей, возможно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.

В Нидерландах во время того, как лопасти мельницы находятся в неподвижном состоянии, их используют для передачи сигналов. Небольшой наклон парусов по направлению к главному зданию символизирует радостное событие; в то время, как наклон в противоположную от главного здания сторону символизирует скорбь. Ветряные мельницы по всей Голландии, были помещены в позиции траура в память о голландских жертвах авиакатастрофы малазийского Боинга в 2014 году.

Мельничный механизм

Шестерни внутри мельницы передают энергию от вращательного движения парусов к механическим устройствам. Паруса закреплены на горизонтальных валах. Валы могут быть полностью сделаны из дерева, дерева с металлическими элементами или целиком из металла. Тормозное колесо устанавливают на валу между передним и задним подшипниками.

Мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, например для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.

Распространение мельниц

Общее количество ветряных мельниц в Европе, по оценкам экспертов, достигало количества около 200 000 во времена наибольшего распространения этого типа устройств, эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 000 водяных мельниц, существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки замерзали зимой и в равнинных регионах, где поток рек были слишком медленными, чтобы обеспечить требуемую мощность для работы водяных мельниц.

С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем, ветряные мельницы по прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца 19-го века.

В наши дни ветряные мельницы часто являются охраняемыми конструкциями, так как была признана их историческая ценность. В некоторых случаях старинные мельницы существуют в качестве статичных экспонатов (когда древние машины слишком хрупки, чтобы привести их в движение), в других случаях, как полностью рабочие экспонаты.

Из 10 000 ветряных мельниц, используемых в Нидерландах в 1850х годах, около 1000 мельниц до сих пор находятся в рабочем состоянии. Большинство ветряков в настоящее время обслуживается добровольцами, хотя некоторые мельники до сих пор работают на коммерческой основе. Многие из дренажных мельниц существуют в качестве резервного механизма для современных насосных станций. Регион Заан в Голландии был первым промышленным регионом мира в котором к концу 18 века функционировало около 600 ветряных мельниц. Экономические колебания и промышленная революция имела гораздо большее влияние на ветряные мельницы, чем на другие источники энергии, это привело к тому, что лишь немногие из них удалось сохранить до наших дней.

Строительство мельниц было распространено на территории Капской колонии в Южной Африке в 17 веке. Но первые башенные мельницы не пережили штормы на мысе полуострова, поэтому в 1717 году было решено построить более прочную мельницу. Мастера, специально присланные Голландской Ост-Индской компанией завершили строительство к 1718 году. В начале 1860х годов, Кейптаун мог похвастаться 11 мельницами.

Ветряные турбины

Ветряная турбина по сути является ветряной мельницей, структура которой специально разработана для выработки электроэнергии. Ее можно рассматривать как следующий шаг в развитии ветряной мельницы. Первые ветряные турбины были построены в конце девятнадцатого века профессором Джеймсом Блитом в Шотландии (1887 г.), Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде, штат Огайо (1887-1888)и Полем ля Куром в Дании (1890-е). Мельница Поля ля Кура начиная с 1896 года выполняла функции электрогенератора в селе Аскове. К 1908 году насчитывалось 72 ветряных электрогенератора в Дании, с мощностью в пределах от 5 до 25 кВт. К 1930-м годам ветряные мельницы получили широкое распространение на фермах в Соединенных Штатах, где их использовали для выработки электроэнергии, в связи с тем, что еще не были установлены системы передачи и распределения энергии.

Современная ветроэнергетическая промышленность началась в 1979 году с запуска серийного производства ветровых турбин датскими производителями Kuriant, Vestas, Nordtank и Bonus. Первые турбины были небольшими по сегодняшним меркам, с мощностью 20-30 кВт каждая. С тех пор турбины коммерческого производства были значительно увеличены в размерах; Турбина Enercon E-126 способна обеспечить поступление до 7 МВт энергии.

С началом 21-го века, наблюдается рост озабоченности населения по поводу энергетической безопасности, глобального потепления и истощения ископаемого топлива. Все это в конечном итоге привело к увеличению интереса к всевозможным видам возобновляемых источников энергии и усилило интерес к ветровым турбинам.

Ветряные насосы

Ветряные насосы использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с 9-го века. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от Средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.

Американский ветряной насос или ветряной двигатель, был изобретен Даниэлем Халадеем в 1854 году и использовался в основном для подъема воды из колодцев. Более крупные версии ветряного насоса также использовались для таких задач, как распиловка древесины, измельчение сена, шелушение и размол зерна. В Калифорнии и некоторых других штатах, ветряной насос был частью автономной системы по добыче хозяйственно-бытовой воды, которая также включала ручной колодец и деревянную водонапорную башню. В конце 19-го века стальные лопасти и башни заменили устаревшие деревянные конструкции. На пике своего развития в 1930 году, по оценкам экспертов около 600 000 ветряных насосов находились в использовании. Производством ветряных насосов занимались такие американские компании, как Pump Company, Feed Mill Company, Challenge Wind Mill, Appleton Manufacturing Company, Eclipse, Star, Aermotor и Fairbanks-Morse, со временем именно они стали основными поставщиками насосов в Северной и Южной Америке.

Ветряные насосы широко используются на фермах и ранчо в Соединенных Штатах, Канаде, Южной Африке и Австралии в наши дни. Они имеют большое количество лопастей, что позволяет им вращаться с большей скоростью при слабом ветре и замедлять движение до необходимого уровня при сильном ветре. Такие мельницы поднимают воду для нужд комбикормовых заводов, лесопильных заводов и сельскохозяйственных машин.

В Австралии компания Griffiths Brothers занимается изготовлением ветряных мельниц под названием «Southern Cross Windmills» начиная с 1903 года. В наши дни они стали незаменимой частью австралийского сельского сектора благодаря использованию воды Большого артезианского бассейна.

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.

Ветряные мельнцы Испании

Ветряные мельницы Германии

Ветряные мельницы Украины

Ветряные мельницы Греции

Ветряные мельницы Бельгии

Ветряные мельницы Италии

Ветряные мельницы России

Ветряная мельница, Cуздальский Музей деревянного зодчества.

Ветряные мельницы Венгрии

Ветряные мельницы Израиля

Ветряная мельница Монтефиоре в Иерусалиме была построена в 1857 году на склоне напротив западных городских стен Иерусалима. Мельница была восстановлена в 2012 году.

4.4. Типы ветряных мельниц — Энергетика: история, настоящее и будущее

Технологические процессы производства с использованием ветряных мельниц крайне разнообразны. В соответствии с этим и мельницы подразделялись на различные типы.

Так, в мукомольном производстве были мельницы, работающие на один (см. рис. 4.3) или два (рис. 4.11) жерновых постава.

По конструктивным формам поворота на ветер существовало два основных типа ветряных мельниц – козловые и шатровые (рис. 4.12). Козловая ветряная мельница (рис. 4.12, а) целиком поворачивалась вокруг дубового столба. Столб устанавливался в центре тяжести, а не в центре симметрии, на фундаменте. Поворот на ветер требовал затраты больших усилий. Применялась одноступенчатая передача, вращающая короткий вал жернова. К козловому типу относится и мельница «Bock» (см. рис. 4.3). На рис. 4.13 представлен разрез более поздней конструкции козловой ветряной мельницы.

На рис. 4.12, б показан шатровый (голландский) тип. Неподвижное здание мельницы снабжалось сверху поворотной рамой, несущей ветроколесо и покрытой крышей в виде шатра. Поворот на ветер из-за меньшего веса поворачивающихся частей требовал значительно меньших усилий. Ветроколесо могло иметь увеличенный диаметр вследствие возможности его подъёма на большую высоту. Чаще всего применялась двухступенчатая передача (см. рис. 4.11). На рис. 4.14 представлена более совершенная конструкция шатровой мельницы.

Колчанный тип занимал промежуточное положение между шатровым и козловым типами. Поворотный круг располагался на половине высоты мельницы.

Дренажные мельницы, поворотная рама которых находились на уровне земли, относили к колчанному типу.

Быстроходность ветряных мельниц ограничивалась прочностью передачи с деревянными зубьями колёс и цевок шестерён. Поэтому повышение коэффициента использования энергии ветра за счёт увеличения быстроходности ветроколеса также было ограничено. Зубья и цевки (рис. 4.15) выполнялись по шаблону из сухого дерева (граб, акация, вяз, клён или берёза).

Рис. 4.11. Общий вид (а) и разрез (б) старинной европейской ветряной мельницы с двумя жерновами

Рис. 4.12. Схемы козловой (а) и шатровой (б) мельниц: 1 – ветроколесо; 2 – главный вал; 3 – одноступенчатая передача; 4 – вал жёрнова; 5 – засыпочный лоток; 6 – жёрнов; 7 – водило; 8 – центральный столб; 9 – двухступенчатая передача

Обод колеса на главном валу делался из досок берёзы или вяза, положенных в два слоя, с наружной стороны обрабатывался по окружности и притягивался болтами к спицам. Верхний и нижний диски цевочной шестерни вертикального вала связывались из досок толщиной 40 мм в два слоя. Диски также стягивались болтами. Колесо и шестерня крепились клиньями. Так как крылья являлись основной частью ветряных мельниц, то и развитие последних с момента их возникновения и до заката шло по пути совершенствования прежде всего конструкции крыльев.

В старых конструкциях решётка крыла покрывалась парусиной. Постепенно тёс вытеснил парус. Крылья начали обшивать тёсом (лучшим был еловый) толщиной в 6 мм, постоянной по длине (рис. 4.16). Обрывки полотна на парусном крыле, щели, грубо пригнанный тёс на дощатом крыле снижали в несколько раз подъёмную силу крыльев, а следовательно, во столько же раз и производительность ветряной мельницы.

У простейших мельниц крылья делали с постоянным углом заклинения лопасти (от 14 до 15°). Такие крылья были значительно проще в изготовлении, но коэффициент использования энергии ветра у них примерно в 1,5 раза меньше, чем у крыльев с винтовой лопастью. У некоторых шатровых мельниц крылья делали с переменным углом заклинения: на конце от 0 до 10° и у основания от 16 до 30°. Одна из последних конструкций крыльев с полуобтекаемыми профилями представлена на рис. 4.17.

Рис. 4.13. Разрез козловой ветряной мельницы

Рис. 4.14. Разрез шатровой ветряной мельницы

В Европе здания шатровых ветряных мельниц к моменту заката их эпохи строили из камня. Общий вид такой мельницы показан на рис. 4.18 (на заднем плане – современная ветровая электрическая установка).

У ветряной мельницы с приводом к водяному насосу для орошения земельных участков (рис. 4.19) наиболее старого типа, как и у зерновых мельниц, в случае ветра большой силы во избежание повреждений площадь крыльев уменьшалась вручную путем частичного снятия паруса (или открытия жалюзей). За счёт применения ветроколеса «Геркулес» диаметром 15 м (рис. 4.20), построенного Объединённым обществом ветряных турбин в Дрездене, был сделан очередной шаг к улучшению экономичности подобных установок.

Но все это тихоходные ветродвигатели, для которых характерны большое число лопастей или широкие крылья (см. рис. 4.3–4.5, 4.7–4.11, 4.13, 4.14, 4.18–4.20). Им присущ большой страгивающий момент.

Увеличить быстроходность ветронасосных установок удалось с использованием ветроколеса «Адлер» фирмы «Кестер» в Гольштинии (рис. 4.21, а) с малым числом лопастей и большим расстоянием между ними.

б Рис. 4.15. Передачи: а – одноступенчатая верхняя; б – двухступенчатая нижняя

Рис. 4.16. Обшивка крыла тёсом

Установка с этим колесом обладала средней быстроходностью. Ветроколесо быстроходного типа фирмы «Аэродинамо» (Берлин) на подсасывающей стороне крыльев уже имело клапаны (рис. 4.21, б) для автоматического регулирования. В рабочем состоянии клапаны удерживались пружиной и упором в горизонтальном положении так, что при движении крыла они не создавали значительного сопротивления.

При превышении определённой частоты вращения под действием центробежных сил клапаны поворачивались и создавали большое сопротивление, а также весьма значительно нарушали плавность потока на крыле, так что подъёмная сила крыльев делалась меньше, вследствие чего ветер использовался в меньшей степени.

Быстроходные ветродвигатели позволяли получать высокие значения коэффициента использования энергии ветра и большую мощность при тех же размерах, имели малый страгивающий момент.

Рис. 4.17. Конструкция крыльев с полуобтекаемыми профилями

На рис. 4.22 показана ветроустановка, которая накачивала воду с помощью подъёмного винта. Ветроколесо у нее такого же типа, как и на рис. 4.21, а, той же фирмы. Обращает на себя внимание форма профилей крыльев.

В XVIII–XIX веках ветряные мельницы сооружались практически по всему миру. Развитие машиностроения позволило перейти от кустарного производства деревянных мельниц к изготовлению в мастерских деревометаллических и к массовому производству в заводских условиях многолопастных ветродвигателей металлической конструкции. К концу XIX столетия они уже были снабжены системами автоматического регулирования скорости вращения и мощности, механизмами фиксации ветроколеса по направлению потока. Суммарный годовой выпуск в основных промышленно развитых странах составлял сотни тысяч двигателей. Ряд стран начал в значительных количествах выпускать на заводах также более совершенные по конструкции и экономичные быстроходные ветродвигатели, предназначенные в первую очередь для получения электрической энергии. Эти двигатели небольшой мощности (0,75–1 кВт) обычно выполнялись с двух(рис. 4.23, а) или трехлопастным (рис. 4.23, б) ветроколесом крыльчатого типа, соединённым через редуктор с генератором постоянного тока. Они снабжались системой аккумулирования энергии, чаще всего аккумуляторной батареей. Их использовали в быту для освещения небольших и удалённых объектов и зарядки аккумуляторных батарей.

Характерна установка на ветер ветроагрегата «Беркут-3» (см. рис. 4.23, а) с помощью двух виндроз в отличие от большинства аналогичных ветродвигателей, где эту функцию выполняет хвост (см. рис. 4.23, б, а также рис. 4.8–4.10, 4.20–4.22). Механизм виндроз представляет собой два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветроагрегата до тех пор, пока колёса не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра.

Рис. 4.19. Немецкая ветронасосная мельница для орошения земельных участков

Рис. 4.20. Ветронасосная установка с ветроколесом «Геркулес»

Рис. 4.18. Каменная ветряная мельница шатрового типа

Ограничение числа оборотов в ветроагрегате «Роралайт» производится поворотом лопасти с помощью центробежного регулятора, смонтированного на валу ветроколеса.

Значение ветряных мельниц и других ветроагрегатов в жизни людей и развитии человеческой цивилизации столь велико, что они заслуживают не только строгого – технического – сухого описания, но и поэзии.

Большой мастер лирической прозы К.Г. Паустовский (1892–1968) в очерке «Ильинский омут» оставил нам в наследство «оду» ветряной мельнице.

«Однажды летом я жил в степях за Воронежем. Все дни я проводил или в одичалом липовом парке, или на мельнице3ветряке, стоявшей на сухом кургане.

Вокруг ветряка росло много шершавого лилового бессмертника. Тесовая крыша ветряка была наполовину сорвана воздушной волной в те дни, когда к Воронежу подходили немцы.

В отверстие крыши было видно небо. Я ложился на глиняный тёплый пол мельницы и читал романы Эртеля или просто смотрел на небо в отверстие над моей головой.

а б

Рис. 4.21. Ветроколёса фирм «Адлер» (а) и «Аэродинамо» (б)

В нём непрерывно возникали всё новые очень белые и выпуклые облака и медленной чредой уплывали на север.

Тихое сияние этих облаков достигало земли, проходило по моему лицу, и я закрывал глаза, чтобы уберечь их от резкого света. Я растирал на ладони венчик чабреца и с наслаждением вдыхал его запах – сухой, целебный и южный. И мне чудилось, что рядом, за ветряком, уже открылось море, и что пах3 нут чабрецом не степи, а его наглаженные прибоями пески.

Рис. 4.22. Ветроустановка для накачивания воды с помощью подъёмного винта

Иногда я задремывал около жерновов. Вы3 сеченные из розового песчаника жернова переносили мою мысль ко временам Эллады.

Несколько лет спустя я увидел статую египетской царицы Нефертити, высеченную из такого же камня, как и жернова. Я был поражён женственностью и нежностью, какая заключалась в этом грубом песчанике. Гениальный ваятель извлёк из сердцевины камня дивную голову трепетной и ласковой молодой женщины и подарил её векам, подарил её нам, своим далёким потомкам, так же как и он, взыскующим нетленной красоты.

А два года спустя я увидел во Франции, в Провансе, знаменитую мельницу писателя Альфонса Доде. Когда-то он устроил в ней своё жилище.

Очевидно, жизнь на ветряной мельнице, пропахшей мукой и старыми травами, была удивительно хороша. Особенно на нашей воронежской мельнице, а не на мельнице Альфонса Доде. Потому что Доде жил в каменной мельнице, а наша была деревянная, полная ми3 лых запахов смолы, хлеба и повилики, полная степных поветрий, света облаков, перелива жаворонков и цвиканья каких3то маленьких птичек – не то овсянок, не то корольков.

Рис. 4.23. Ветроэлектрические быстроходные агрегаты: а – советский «Беркут33»; б – американский фирмы «Роралайт»

система охлаждения | инжиниринг | Британника

Похожие темы:

преобразование энергии
охлаждение
кондиционирование воздуха
адсорбционный охладитель

См. весь связанный контент →

система охлаждения , устройство, используемое для предотвращения превышения температурой конструкции или устройства ограничений, налагаемых требованиями безопасности и эффективности. При перегреве масло в механической трансмиссии теряет свою смазывающую способность, а жидкость в гидромуфте или гидротрансформаторе под создаваемым давлением вытекает. В электродвигателе перегрев вызывает ухудшение изоляции. Поршни в перегретом двигателе внутреннего сгорания могут заедать (заклинивать) в цилиндрах. Системы охлаждения используются в автомобилях, промышленном оборудовании, ядерных реакторах и многих других типах оборудования. (Для обработки систем охлаждения, используемых в зданиях, см. кондиционирование воздуха.)

Обычно используемыми охлаждающими агентами являются воздух и жидкость (обычно вода или раствор воды и антифриза), отдельно или в комбинации. В некоторых случаях может быть достаточно прямого контакта с окружающим воздухом (свободная конвекция); в других случаях может понадобиться принудительная конвекция воздуха, создаваемая либо вентилятором, либо естественным движением горячего тела. Жидкость обычно перемещается по непрерывному контуру в системе охлаждения с помощью насоса.

Подробнее по этой теме

Строительство: Отопление и охлаждение

Системы контроля атмосферы в малоэтажных жилых домах используют природный газ, мазут или электрические катушки сопротивления в качестве центральных источников тепла;…

В трансмиссии, если площадь поверхности корпуса (контейнера) достаточно велика по сравнению с теряемой мощностью, или если трансмиссия находится в движущемся транспортном средстве, обычно имеется достаточная свободная конвекция и нет необходимости в искусственном охлаждении. Для усиления эффекта охлаждения за счет увеличения площади поверхности корпус может быть снабжен тонкими металлическими ребрами. На некоторых стационарных механических трансмиссиях может потребоваться циркуляция смазочного масла по трубам, окруженным холодной водой, или использование вентилятора для продувки воздухом труб, окруженных маслом в резервуаре. На многих электродвигателях к вращающемуся элементу прикреплен вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха через корпус.

В автомобиле движение транспортного средства обеспечивает достаточное принудительно-конвекционное охлаждение трансмиссии и шестерен заднего моста; однако в двигателе выделяется так много энергии, что, за исключением некоторых ранних моделей и некоторых малолитражных автомобилей с маломощными двигателями, воздушного охлаждения недостаточно, и требуется система водяного охлаждения (радиатор).

Типичная автомобильная система охлаждения включает (1) ряд каналов, отлитых в блоке цилиндров и головке цилиндров, окружающих камеры сгорания с циркулирующей жидкостью для отвода тепла; (2) радиатор, состоящий из множества маленьких трубок, снабженных сотовыми ребрами для быстрого отвода тепла, который принимает и охлаждает горячую жидкость от двигателя; (3) водяной насос, обычно центробежного типа, для циркуляции жидкости по системе; (4) термостат для контроля температуры путем изменения количества жидкости, подаваемой на радиатор; и (5) вентилятор для подачи свежего воздуха через радиатор.

Для предотвращения замерзания в воду добавляют раствор антифриза или заменяют его. Чтобы повысить температуру кипения раствора, в системе охлаждения обычно создается давление с помощью герметизирующей крышки на радиаторе с клапанами, которые открываются наружу при заданном давлении и внутрь для предотвращения образования вакуума при охлаждении системы.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Уильямом Л. Хошем.

Как работают ветряные мельницы? Узнайте, что делают ветряные мельницы!

Ветряные мельницы пользуются неизменной популярностью в Америке. Они стали синонимом традиционной Америки, а также зеленой энергии.

Если вы хотите узнать, что делают ветряные мельницы, как работают ветряные мельницы и насколько эффективны ветряные мельницы, читайте дальше. В этой статье мы расскажем вам все, что вы хотите знать о ветряных мельницах!

Что такое ветряная мельница?

Ветряная мельница — это машина на башне, которая использует вращающиеся лопасти для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию или электричество.

В этой статье

• Что такое ветряная мельница?
• Как работают ветряные мельницы?
• Раннее развитие энергии ветра
• Когда были изобретены ветряные мельницы?
• Разработка современных ветряных турбин
• Насколько эффективны ветряные турбины?
• Что делают ветряные мельницы?
• Часто задаваемые вопросы
• Заключительные мысли

Как работают ветряные мельницы?

Ветряные мельницы использовались веками. Традиционные ветряные мельницы, подобные этим, используются для измельчения зерна, распиловки пиломатериалов и перекачки воды для орошения.

Сегодняшние трехлопастные турбины работают тихо и эффективно, собирая как можно больше энергии от господствующих ветров. Они превращают кинетическую энергию в электричество.

Ветер вращает две или три лопасти вокруг ротора, соединенного с главным валом ветряной мельницы. Главный вал содержит генератор для выработки электроэнергии. Мы обсудим генераторы в следующем разделе.

Ротор, состоящий из лопастей и ступицы, устанавливается на высоте 100 футов или более над землей, чтобы использовать преимущества быстрее, менее турбулентный ветер .

Ротор прикреплен к системе шага, которая поворачивает лопасти против ветра для управления скоростью ротора.

Как работает система шага ветряной турбины

Система шага соединена с низкоскоростным валом, который вращается со скоростью примерно 30-60 оборотов в минуту.

Тихоходный вал соединен с коробкой передач, которая преобразует низкую скорость вращения в высокую скорость вращения 100-1800 об/мин, требуемую генератором.

Когда ветер слишком сильный или слишком слабый для производства электроэнергии, система шага предотвращает вращение ротора.

Сильный ветер может сломать ротор и генератор, вызвав перегрев, поэтому сильный ветер нельзя использовать для получения энергии. Система шага поворачивает лопасти, чтобы избежать сильного ветра , позволяя им поворачиваться.

Как работает тормозная система ветряной турбины

Современные турбины также состоят из тормозной системы, которая может механически, электрически или гидравлически останавливать ротор в аварийных ситуациях.

Он связан с контроллером, который запускает ветряк при скорости ветра от 6 до 16 миль в час, а выключает ветряк , когда скорость ветра превышает 55 миль в час, чтобы предотвратить повреждение.

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные на контроллер, чтобы турбина автоматически защищалась при сильном ветре.

4 типа ветрогенераторов

Генератор может быть одного из 4 типов.

Тип ветряного генератора	Как работает генератор
Динамо-машина постоянного тока (постоянный ток)	Генератор содержит полюса и медные провода, которые создают электромагнитное поле при очистке графитовыми или угольными щетками. Щетки приводятся в действие ветряком. Это генерирует электричество с однонаправленным током, который обычно преобразуется в переменный ток, когда он выходит из ветряной мельницы.
Синхронные генераторы переменного тока	Вырабатывает 3-фазную энергию с помощью щеток, как генератор постоянного тока, но выходная мощность синхронизируется с вращением вала. Магниты стационарны, поэтому генератор эффективен и не требует особого обслуживания, хотя щетки изнашиваются.
Асинхронные генераторы переменного тока	Также известные как асинхронные генераторы , они работают так же, как синхронные генераторы, но выходная мощность может быть выше скорости вращения ротора. Это бесщеточные генераторы, и они являются наиболее популярными типами генераторов для ветряных турбин, поскольку их техническое обслуживание очень мало.
Ветряной генератор с импульсным сопротивлением	Этот генератор работает за счет естественного сопротивления магнитных полюсов. Фазные токи, возбуждаемые ротором, создают постоянный ток. Это надежные, простые и недорогие в производстве и обслуживании. В узле ротора нет ни магнитов, ни щеток.

Независимо от того, какой тип генератора используется в ветровой турбине, электроэнергия собирается и преобразуется в переменный или постоянный ток по мере необходимости , переданный вниз по башне и преобразованный в то же напряжение, что и в энергосистеме.

Вот видео TED-Ed, в котором простыми словами объясняется, как работают ветряные турбины и как мы можем использовать энергию ветра как часть нашего глобального энергетического портфолио.

Раннее развитие энергии ветра

Силу ветра впервые использовали моряки, которые понимали подъемную силу и могли использовать силу ветра с помощью парусов, чтобы продвигать корабль вперед без весел .

Эти знания привели к разработке первой ветряной мельницы парусного типа с вертикальной осью, использовавшейся древними персами и китайцами для измельчения зерна и перекачивания воды.

Они состояли из лопастей, называемых парусами или лопастями, которые, когда их поворачивал ветер, преобразовывали кинетическую энергию ветра в механическую энергию, которую можно было использовать для работы.

Ранние европейские ветряные мельницы с системами горизонтальной оси были основой современной технологии ветряных турбин, используемых для производства энергии.

Когда были изобретены ветряные мельницы?

Древние ветряные мельницы использовали тканевые паруса для ловли ветра и вращения ротора. Более поздние модели имели деревянные лезвия, которые были окончательно заменены стальными в конце 1800-х годов.

Нет никаких конкретных доказательств того, кто именно первым изобрел ветряную мельницу, будь то китайцы или персы, является предметом споров.

Несмотря на это, обе культуры начали использовать эту технологию примерно в одно и то же время для одних и тех же целей. Ранние ветряные мельницы использовались для перекачивания воды и перемещения точильных камней для измельчения зерна.

Некоторые считают, что ветряные мельницы попали в Северную Европу в результате крестовых походов. Однако различия в конструкции делают это маловероятным.

Ранние восточные ветряные мельницы использовали вертикальную ось, тогда как европейские ветряные мельницы имели горизонтальную ось. Эти данные свидетельствуют о том, что европейцы открыли энергию ветра и сконструировали ветряные мельницы независимо друг от друга.

На первых существующих иллюстрациях 1270 г. н.э. показаны чертежи ветряной мельницы столбового типа.

Столбовая мельница состояла из четырехлопастной мельницы, установленной на центральной стойке.

В нем использовались деревянные шестерни с зубчатым венцом, чтобы преобразовать движение горизонтального вала в вертикальное движение, которое вращало точильный камень.

Деревянная зубчатая передача использовалась Витрувием, римским инженером и архитектором первого века, для разработки первого водяного колеса с горизонтальной осью.

Считается, что конструкция башенной мельницы возникла примерно в конце 1300-х годов, а самой ранней известной иллюстрацией является Нормандская мельница между 1430 и 1440 годами .

Башенная мельница была выполнена с наклонными стенками, колпаком, который можно было вращать, горизонтальным ветровым валом и вертикальными парусами.

Шатровая мельница, , разработанный голландцами в 1526 г. на основе башенной мельницы, представляет собой вертикальную конусообразную башню с четырьмя-шестью сторонами, увенчанную крышкой, которая вращается, чтобы направить паруса против ветра.

Мельница была названа так из-за сходства с халатами, которые носили фермеры в то время.

В течение следующих 500 лет ветряные мельницы нашли множество разнообразных применений, помимо перекачки воды и измельчения зерна.

Новые виды использования включали ирригацию, дренажные насосы, лесопилки и переработку различных товаров, включая:

• Табак
• Специи
• Какао
• Краски
• Красители
• Сотни других продуктов, которые нужно было сортировать, измельчать или измельчать

Ветряная мельница для людей была изобретением. Он заменил человеческий труд и труд животных на много тяжелой работы.

Разработка современных ветряных турбин

Анемометр, огни видимости самолета и коробка передач видны, когда вы смотрите за ветряной турбиной. Занимаемая площадь ветряной турбины очень мала по отношению к выходной мощности.

Механические водяные насосные мельницы были впервые разработаны в Соединенных Штатах в 1854 году. Первоначально эти мельницы состояли из четырех деревянных лопастей, а в 1870 году их заменили стальными лопастями.

• В период с 1850 по 1970. Их основное применение было для поения скота и водоснабжения ферм.

• Очень большие ветряные мельницы использовались для перекачивания воды для паровозов.

• Первая ветряная мельница для выработки электроэнергии была изобретена в 1887 году шотландским профессором Джеймсом Блитом. Хотя он снабдил этим изобретением свой коттедж и местный лазарет, местные жители не доверяли новой технологии.

• Второй разработанной электрической ветряной мельницей была 144-лопастная ветряная мельница Чарльза Браша, законченная в 1888 году. Она питала его лабораторию в Кливленде, штат Огайо, до 1900 года, когда стало доступно общественное электричество .

В современном обществе ветряные мельницы, используемые для выработки электроэнергии, называются ветряные турбины .

1972-1986 годы были периодом бурного развития ветроэнергетики. Ветряная мельница прошла путь от крошечного домашнего ветряка мощностью 1–25 кВт до турбин мощностью 50–600 кВт, которые могли обеспечивать потребности небольших офисов.

За это время было разработано и испытано более 20 различных конструкций, большинство из которых оказались нереализуемыми и неэффективными.

Ветряные турбины эволюционировали от систем с четырьмя лопастями, впервые созданных в Соединенных Штатах, к системам с двумя лопастями и, наконец, к системам с тремя лопастями сегодня часто встречается на ветряных электростанциях.

Современные ветряные турбины, которые устанавливаются на ветряных электростанциях, обычно производят около 2,5-3 мегаватт – 6 миллионов кВт в год. Этого достаточно, чтобы обеспечить электричеством район.

Насколько эффективны ветряные турбины?

Обычно ветряные турбины работают с КПД 30-50% . Они могут улавливать только определенное количество энергии ветра, и не вся она преобразуется в электричество.

В очень ветреных районах ветряные мельницы могут работать около 70-80% времени . Это может сделать их одной из наиболее надежных альтернатив ископаемому топливу.

Что делают ветряные мельницы?

Ветряная электростанция, расположенная на берегу моря, многим бросается в глаза, но ее эксплуатационная эффективность выше, чем у большинства, благодаря постоянным морским ветрам.

Ветряная мельница использует силу ветра для таких целей, как измельчение зерна, перекачка воды и выработка электроэнергии.

Ветер заставляет лопасти вращаться, превращая кинетическую энергию в механическую . Вращающиеся лопасти вращают вал, который использует шестерни для настройки скорости ветра на мощность, пригодную для использования генератором для производства электроэнергии.

Одно из основных преимуществ энергии ветра заключается в том, что она может использовать один из наших лучших возобновляемых природных ресурсов — ветер — для производства электроэнергии и компенсации нашей потребности в ископаемом топливе.

Часто задаваемые вопросы

Связаны ли ветряные мельницы и гибель птиц?

Да. Ветрогенераторы смертельно опасны для птиц. Исследования показывают, что ежегодно от ветряных турбин погибает от 600 000 до 1 миллиона птиц. Это число будет расти по мере распространения ветряных электростанций.

Многие думают, что птицы будут просто кружиться вокруг вращающихся роторов, и большинство так и делает, но многие поражены этими чужеродными устройствами, которые были введены в их родную среду обитания и пути миграции.

Орлы и другие хищные особенно уязвимы, поскольку они охотятся на рыбу вдоль водных путей и береговых линий, которые сейчас заняты вращающимися ветряными турбинами.

Большой процент из смертей птиц приходится на мигрирующие стаи , чьи естественные миграционные пути проходят через ветряные электростанции.

Опасны ли ветряные мельницы для окружающей среды?

Они обычно считаются безопасными для окружающей среды за несколькими заметными исключениями.

• Для производства и строительства ветряных мельниц требуется много ископаемого топлива.
• Ветряные мельницы не подлежат вторичной переработке. Металлические компоненты могут быть переработаны, но массивные стеклопластиковые турбины отправятся на свалки .
• Известно, что ветряные турбины негативно воздействуют на птиц и летучих мышей. Федеральное правительство не требует сообщать эту информацию, поэтому широкая общественность не знает о разрушениях, которые ветряные турбины наносят местным видам.

Однако с точки зрения сохранения природных ресурсов и ограничения нашей зависимости от ископаемого топлива ветряные турбины полезны для окружающей среды.

Есть ли в океане ветряные мельницы?

Да, есть морские ветряные электростанции.

Эти ветряные турбины массивны — намного больше, чем наземные. Выходная мощность намного больше, и они работают гораздо стабильнее из-за преобладающих ветров.

У них есть недостатки, потому что они также приводят к гибели куликов.

Ученые-экологи подозревают, что вибрации от вышек и генераторов также вызывают смятение и стресс у дельфинов, рыб, китов и других морских млекопитающих.

Что означает «упираться в ветряные мельницы»?

Эта бронзовая статуя Дон Кихота и Санчо установлена ​​в Мадриде, Испания, в честь любимого пожилого странствующего рыцаря и его автора Мигеля де Сервантеса.

Это английская идиома из сказки «Дон Кихот» (key-HOE-tay). значит до сражаться или атаковать воображаемых врагов или создавать аргументы против причудливых врагов.

Это может относиться к любому типу наступательной или оборонительной позиции, которую кто-то может занять в ответ на воображаемую или незначительную угрозу .

Вот происхождение идиомы. В рассказе Сервантеса Дон Кихот желает быть идеалистичным и рыцарским рыцарем. У него нет такой возможности, потому что сама идея уже сильно устарела.

Не испугавшись, Дон Кихот отправляется на поиски приключений и социальных несправедливостей, которые он может исправить. Он неверно истолковывает все, что видит.

Изменившийся взгляд Дон Кихота на реальность возводится до смешного, когда он видит на горизонте ветряные мельницы и воображает, что они гиганты. Он атакует ветряные мельницы своим рыцарским копьем.

Рыцарские поединки, в которых 2 противника сражаются верхом на копьях. Цель состоит в том, чтобы сбить противника с лошади.

Состязание называется «тильт». Таким образом, Дон Кихот, как говорили, был , борющимся с ветряными мельницами.