Ветряная мельница — это структура, преобразующая энергию ветра во вращательную энергию с помощью лопастей, называемых парусами или лезвиями, традиционно предназначенных для помола зерна ( gristmills ), но в некоторых частях англоязычного мира этот термин также был расширен, чтобы охватить ветряные насосы , ветряные турбины и другие приложения. Термин «ветряной двигатель» также иногда используется для описания таких устройств. [1] [ неудавшаяся проверка ]
Ветряные мельницы использовались на протяжении всего периода высокого средневековья и раннего Нового времени ; горизонтальная или панемоновая ветряная мельница впервые появилась в Персии в IX веке, а вертикальная ветряная мельница впервые появилась в северо-западной Европе в XII веке. [2] [3] Считается иконой голландской культуры , [4] сегодня в Нидерландах насчитывается около 1000 ветряных мельниц . [5]
Ветряные машины, возможно, были известны и раньше, но нет никаких четких свидетельств существования ветряных мельниц до IX века. [6] Герон Александрийский (Герон) в Римском Египте первого века описал то, что, по-видимому, было ветряным колесом для приведения в действие машины. [7] [8] Его описание ветряного органа не является практической ветряной мельницей, а представляет собой либо раннюю ветряную игрушку, либо концепцию дизайна ветряной машины, которая могла быть или не быть рабочим устройством, поскольку в тексте есть двусмысленность и проблемы с дизайном. [9] Другим ранним примером ветряного колеса было молитвенное колесо , которое, как полагают, впервые было использовано в Тибете и Китае , хотя есть неопределенность относительно даты его первого появления, которое могло быть либо около 400 года , 7 век, [10] или после 9 века. [9]
Один из самых ранних зарегистрированных рабочих проектов ветряных мельниц был изобретен где-то около 700–900 гг. н. э. в Персии . [11] [12] Эта конструкция называлась панемон, с вертикальными легкими деревянными крыльями, прикрепленными горизонтальными стойками к центральному вертикальному валу. Сначала она была построена для перекачивания воды, а затем модифицирована для измельчения зерна . [13] [14]
Первые практические ветряные мельницы были мельницами-панемонами , использовавшими крылья, вращавшиеся в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси. Сделанные из шести-двенадцати крыльев, покрытых тростниковым матом или тканевым материалом, эти ветряные мельницы использовались для помола зерна или забора воды. [15] Средневековый отчет сообщает, что технология ветряных мельниц использовалась в Персии и на Ближнем Востоке во время правления халифа Рашидуна Умара ибн аль-Хаттаба ( р. 634–644 ), основываясь на разговоре халифа с персидским рабом-строителем. [16] Подлинность части анекдота с участием халифа Умара ставится под сомнение, поскольку он был записан только в 10 веке. [17] Персидский географ Эстахри сообщал о ветряных мельницах, которые работали в Хорасане (Восточный Иран и Западный Афганистан) уже в 9 веке. [18] [19] Такие ветряные мельницы были широко распространены на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а затем распространились оттуда в Европу, Китай и Индию. [20] К 11 веку ветряная мельница с вертикальной осью достигла частей Южной Европы, включая Пиренейский полуостров (через Аль-Андалус ) и Эгейское море (на Балканах ). [21] Похожий тип горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, использовавшейся для орошения, можно также найти в Китае тринадцатого века (во время династии Чжурчжэнь Цзинь на севере), введенный путешествиями Елюй Чуцая в Туркестан в 1219 году. [22]
Ветряные мельницы с вертикальной осью строились в небольших количествах в Европе в XVIII и XIX веках, [15] например, мельница Фаулера в Баттерси в Лондоне и мельница Хупера в Маргейте в Кенте . Эти ранние современные образцы, по-видимому, не были напрямую связаны с ветряными мельницами с вертикальной осью средневековья, а были независимыми изобретениями инженеров XVIII века. [23]
Горизонтально-осевая или вертикальная ветряная мельница (названная так из-за плоскости движения ее крыльев) является разработкой XII века, впервые использованной в северо-западной Европе, в треугольнике северной Франции , восточной Англии и Фландрии . [24] Неясно, повлияло ли на вертикальную ветряную мельницу внедрение горизонтальной ветряной мельницы из Персии-Ближнего Востока в Южную Европу в предыдущем столетии. [25] [26]
Самое раннее достоверное упоминание о ветряной мельнице в Северной Европе (предположительно вертикального типа) датируется 1185 годом в бывшей деревне Уидли в Йоркшире, которая находилась на южной оконечности Уолда с видом на эстуарий Хамбер . [27] Также были найдены несколько более ранних, но менее определенно датированных европейских источников XII века, упоминающих ветряные мельницы. [28] Эти самые ранние мельницы использовались для помола злаков . [29]
В настоящее время имеются доказательства того, что самым ранним типом европейской ветряной мельницы была столбовая мельница, названная так из-за большого вертикального столба, на котором уравновешивается основная конструкция мельницы («корпус» или «козёл»). При такой установке корпуса мельница может вращаться в направлении ветра; это необходимое условие для экономичной работы ветряных мельниц в северо-западной Европе, где направление ветра изменчиво. Корпус содержит все мельничное оборудование. Первые столбовые мельницы были утопленного типа, где столб был закопан в земляную насыпь для его поддержки. Позже была разработана деревянная опора, называемая эстакадой . Она часто накрывалась или окружалась круглой рубкой для защиты эстакады от непогоды и для обеспечения места для хранения. Этот тип ветряной мельницы был наиболее распространен в Европе до 19 века, когда их заменили более мощные башенные и шатровые мельницы . [30]
В мельнице с полым столбом столб, на котором установлен корпус, выдолблен для размещения приводного вала. [31] Это позволяет приводить в движение машины под или снаружи корпуса, при этом сохраняя возможность вращать корпус против ветра. Мельницы с полым столбом, приводящие в движение ковшовые колеса, использовались в Нидерландах для осушения болот с начала 15 века и далее. [32]
К концу XIII века была введена каменная башенная мельница, на которой вращается только колпак, а не весь корпус мельницы. Распространение башенных мельниц сопровождалось ростом экономики, которая требовала более крупных и стабильных источников энергии, хотя их строительство было более дорогим. В отличие от столбовой мельницы, только колпак башенной мельницы необходимо повернуть на ветер, поэтому основную конструкцию можно сделать намного выше, что позволяет сделать крылья длиннее, что позволяет им выполнять полезную работу даже при слабом ветре. Колпак можно повернуть на ветер либо с помощью лебедок или зубчатой передачи внутри колпака, либо с помощью лебедки на хвостовом шесте снаружи мельницы. Метод автоматического удержания колпака и парусов на ветру заключается в использовании веерообразного хвоста , небольшой ветряной мельницы, установленной под прямым углом к крыльям, в задней части ветряной мельницы. Они также устанавливаются на хвостовых шестах столбовых мельниц и распространены в Великобритании и англоязычных странах бывшей Британской империи, Дании и Германии, но редки в других местах. В некоторых частях Средиземного моря были построены башенные мельницы с фиксированными колпаками, поскольку направление ветра большую часть времени менялось незначительно. [ необходима цитата ]
Шатровая мельница является более поздним развитием башенной мельницы, где каменная башня заменена деревянным каркасом, называемым «шатр», который крыт соломой, досками или покрыт другими материалами, такими как шифер , листовой металл или рубероид . Шатровая мельница обычно имеет восьмиугольный план, хотя есть примеры с разным количеством сторон.
Ветряные мельницы с шатровым строением были введены голландцами в XVII веке для преодоления ограничений башенных мельниц, которые были дороги в строительстве и не могли быть возведены на влажных поверхностях. Нижняя половина мельницы с шатровым строением была сделана из кирпича, а верхняя половина — из дерева, с наклонной формой башни, которая добавляла конструкции прочности. Это делало их легкими и позволяло возводить их на неустойчивом грунте.
Конструкция ветряной мельницы включала небольшую турбину сзади, которая помогала основной мельнице быть ориентированной по направлению ветра. [33]
Обычные паруса состоят из решетчатого каркаса, на котором расстилается парусина. Мельник может регулировать количество расстилаемой ткани в зависимости от ветра и необходимой мощности. На средневековых мельницах парусина наматывалась на и из лестничного типа парусов. Более поздние мельничные паруса имели решетчатый каркас, на котором расстилалась парусина, в то время как в более холодном климате ткань заменялась деревянными планками, с которыми было легче обращаться в условиях мороза. [34] Кливерный парус обычно встречается в странах Средиземноморья и состоит из простого треугольника ткани, намотанного вокруг рангоута. [35]
Во всех случаях мельницу необходимо остановить, чтобы отрегулировать крылья. Изобретения в Великобритании в конце восемнадцатого и девятнадцатого веков привели к появлению парусов, которые автоматически подстраиваются под скорость ветра без необходимости вмешательства мельника, что привело к появлению патентованных парусов, изобретенных Уильямом Кьюбиттом в 1807 году. В этих парусах ткань заменяется механизмом соединенных ставней. [ необходима цитата ]
Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных планок, соединенных механизмом, который позволяет мельнику открывать их во время вращения мельницы. В двадцатом веке возросшие знания в области аэродинамики в результате разработки самолета привели к дальнейшему повышению эффективности работы немецкого инженера Билау и нескольких голландских мастеров-сборщиков. [ необходима цитата ] Большинство ветряных мельниц имеют четыре крыла. Многокрылые мельницы с пятью, шестью или восемью крыльями были построены в Великобритании (особенно в графствах Линкольншир и Йоркшир и вокруг них ), Германии и реже в других местах. [ необходима цитата ] Более ранние многокрылые мельницы были найдены в Испании, Португалии, Греции, некоторых частях Румынии, Болгарии и России. [36] Мельница с четным числом крыльев имеет то преимущество, что может работать с поврежденным крылом, удалив как поврежденное крыло, так и противоположное, что не нарушает равновесие мельницы. [ необходима цитата ]
В Нидерландах неподвижное положение крыльев, т. е. когда мельница не работает, уже давно используется для подачи сигналов. Если лопасти остановлены в знаке «+» (3-6-9-12 часов), мельница открыта для работы. Когда лопасти остановлены в конфигурации «X», мельница закрыта или не функционирует. Небольшой наклон крыльев (верхняя лопасть в положении «1 час») сигнализирует о радости, например, о рождении здорового ребенка. Наклон лопастей в положение «11-2-5-8 часов» сигнализирует о трауре или предупреждении. Он использовался для подачи сигнала местному региону во время нацистских операций во Второй мировой войне, таких как поиски евреев. По всей территории Нидерландов ветряные мельницы были размещены в траурных положениях в честь голландских жертв сбитого рейса 17 авиакомпании Malaysian Airlines в 2014 году . [37]
Шестерни внутри ветряной мельницы передают энергию от вращательного движения крыльев к механическому устройству. Крыла установлены на горизонтальном ветряном валу. Ветровые валы могут быть полностью сделаны из дерева, дерева с чугунным концом шеста (где установлены крылья) или полностью из чугуна. Тормозное колесо установлено на ветряном валу между передним и задним подшипниками. Оно имеет тормоз вокруг внешней стороны обода и зубья на стороне обода, которые приводят в движение горизонтальное зубчатое колесо, называемое валловер, на верхнем конце вертикального вертикального вала. В мельницах для зерна большое прямозубое колесо, расположенное ниже вертикального вала, приводит в движение одну или несколько каменных гаек на валах, приводящих в движение каждый жернов . Столбовые мельницы иногда имеют головное и/или хвостовое колесо, приводящее в движение каменные гайки напрямую, вместо прямозубой передачи. Дополнительные зубчатые колеса приводят в движение подъемник для мешков или другие механизмы. Механизмы различаются, если ветряная мельница используется для других целей, нежели помол зерна. Дренажная мельница использует другой набор зубчатых колес на нижнем конце вертикального вала для привода черпающего колеса или винта Архимеда . Лесопилки используют коленчатый вал для обеспечения возвратно-поступательного движения пил. Ветряные мельницы использовались для питания многих других промышленных процессов, включая бумажные фабрики , молотилки , а также для обработки масличных семян, шерсти, красок и изделий из камня. [38]
В XIV веке ветряные мельницы стали популярны в Европе; общее количество ветряных мельниц оценивается примерно в 200 000 на пике в 1850 году, что близко к половине из примерно 500 000 водяных колес . [34] Ветряные мельницы применялись в регионах, где было слишком мало воды, где реки замерзали зимой и на равнинах, где течение реки было слишком медленным, чтобы обеспечить необходимую мощность. [34] С приходом промышленной революции важность ветра и воды как основных промышленных источников энергии снизилась, и в конечном итоге их заменили пар (в паровых мельницах ) и двигатели внутреннего сгорания , хотя ветряные мельницы продолжали строить в больших количествах до конца девятнадцатого века. Совсем недавно ветряные мельницы были сохранены из-за их исторической ценности, в некоторых случаях как статичные экспонаты, когда старинное оборудование было слишком хрупким, чтобы его можно было привести в движение, а в других случаях как полностью рабочие мельницы. [39]
Из 10 000 ветряных мельниц, использовавшихся в Нидерландах около 1850 года, [40] около 1000 все еще стоят. Большинством из них управляют добровольцы, хотя некоторые мельницы по-прежнему работают в коммерческих целях. Многие из дренажных мельниц были назначены в качестве резервных для современных насосных станций. Говорят, что район Заан был первым индустриальным регионом мира, где к концу восемнадцатого века работало около 600 ветроэнергетических предприятий. [40] Экономические колебания и промышленная революция оказали гораздо большее влияние на эти отрасли, чем на зерновые и дренажные мельницы, поэтому их осталось очень мало.
Строительство мельниц распространилось в Капской колонии в семнадцатом веке. Ранние башенные мельницы не выдержали штормов Капского полуострова , поэтому в 1717 году Хеерен XVII отправил плотников, каменщиков и материалы для строительства прочной мельницы. Мельница, завершенная в 1718 году, стала известна как Oude Molen и располагалась между станцией Pinelands и рекой Black River. Давно снесенная, ее название живет как название технической школы в Pinelands . К 1863 году в Кейптауне было 11 мельниц, простирающихся от острова Паарден-Айленд до Моубрея . [41]
Ветряная турбина — это конструкция, похожая на ветряную мельницу, специально разработанная для выработки электроэнергии. Их можно рассматривать как следующий шаг в развитии ветряной мельницы. Первые ветряные турбины были построены к концу девятнадцатого века Джеймсом Блайтом в Шотландии (1887), [42] Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде, штат Огайо (1887–1888) [43] [44] и Полем ла Куром в Дании (1890-е годы). Мельница Ла Кура с 1896 года позже стала местной электростанцией деревни Асков. К 1908 году в Дании насчитывалось 72 ветряных электрогенератора мощностью от 5 до 25 кВт. К 1930-м годам ветряные мельницы широко использовались для выработки электроэнергии на фермах в Соединенных Штатах, где еще не были установлены распределительные системы, построенные такими компаниями, как Jacobs Wind , Wincharger, Miller Airlite, Universal Aeroelectric, Paris-Dunn, Airline и Winpower. Корпорация Dunlite производила турбины для аналогичных объектов в Австралии. [ необходима ссылка ]
Предшественниками современных горизонтально-осевых ветровых генераторов коммунального масштаба были WIME-3D, работавший в Балаклаве , СССР , с 1931 по 1942 год, генератор мощностью 100 кВт на 30-метровой (98 футов) башне [45] , ветряная турбина Смита -Патнэма, построенная в 1941 году на горе, известной как Дедушкина ручка в Каслтоне, штат Вермонт , США, мощностью 1,25 МВт [46] , и ветряные турбины НАСА, разработанные с 1974 по середину 1980-х годов. Разработка этих 13 экспериментальных ветряных турбин стала пионером многих технологий проектирования ветряных турбин , используемых сегодня, включая башни из стальных труб, генераторы с переменной скоростью, композитные материалы лопастей и управление шагом частичного пролета, а также возможности аэродинамического, структурного и акустического проектирования. Современная ветроэнергетическая промышленность началась в 1979 году с серийного производства ветровых турбин датскими производителями Kuriant, Vestas , Nordtank и Bonus . Эти ранние турбины были небольшими по сегодняшним меркам, с мощностью 20–30 кВт каждая. С тех пор коммерческие турбины значительно увеличились в размерах, с Enercon E-126, способной выдавать до 7 МВт, в то время как производство ветровых турбин распространилось на многие страны. [ необходима цитата ]
С началом 21-го века растущая обеспокоенность по поводу энергетической безопасности , глобального потепления и возможного истощения ископаемого топлива привела к расширению интереса ко всем доступным формам возобновляемой энергии . Во всем мире сейчас работают многие тысячи ветряных турбин, общая номинальная мощность которых составляет 591 ГВт по состоянию на 2018 год. [47]
В попытке сделать ветряные турбины более эффективными и увеличить их выход энергии, их строят больше, с более высокими башнями и более длинными лопастями, и все чаще размещают в офшорных местах. [48] [49] Хотя такие изменения увеличивают их выходную мощность, они подвергают компоненты ветряных мельниц более сильным силам и, следовательно, повышают риск их отказа. Более высокие башни и более длинные лопасти страдают от более высокой усталости, а офшорные ветряные электростанции подвергаются более сильным силам из-за более высоких скоростей ветра и ускоренной коррозии из-за близости к морской воде. Чтобы обеспечить достаточно долгий срок службы, чтобы сделать возврат инвестиций жизнеспособным, материалы для компонентов должны быть выбраны соответствующим образом.
Лопасть ветряной турбины состоит из 4 основных элементов: корня, лонжерона, аэродинамического обтекателя и покрытия. Обтекатель состоит из двух оболочек (одной на стороне давления и одной на стороне всасывания), соединенных одной или несколькими стенками, связывающими верхнюю и нижнюю оболочки. Стенки соединяются с ламинатами лонжерона, которые заключены в оболочки (облицовку) лопасти, и вместе система стенок и лонжеронов сопротивляется нагрузке лопасти. Нагрузка лопасти, один из двух различных типов нагрузки, которым подвергаются лопасти, вызывается давлением ветра, а нагрузка по кромке (второй тип нагрузки) вызывается силой тяжести и крутящим моментом. Первая нагрузка подвергает ламинат лонжерона на стороне давления (против ветра) лопасти циклической нагрузке растяжения-растяжения, в то время как сторона всасывания (под ветра) лопасти подвергается циклической нагрузке сжатия-сжатия. Изгиб по ребру подвергает переднюю кромку растягивающей нагрузке, а заднюю кромку — сжимающей нагрузке. Остальная часть оболочки, не поддерживаемая лонжеронами или не ламинированная на передней и задней кромках, спроектирована как сэндвич-структура, состоящая из нескольких слоев, чтобы предотвратить упругую деформацию. [50]
В дополнение к соответствию требованиям жесткости, прочности и вязкости, определяемым нагрузкой, лопасть должна быть легкой, а вес лопасти масштабируется с кубом ее радиуса. Чтобы определить, какие материалы соответствуют критериям, описанным выше, определяется параметр, известный как индекс добротности балки: Mb = E^1/2 / rho, [51] где E - модуль Юнга , а rho - плотность. Лучшими материалами для лопасти являются углеродное волокно и армированные стекловолокном полимеры ( CFRP и GFRP ). В настоящее время GFRP-материалы выбираются из-за их более низкой стоимости, несмотря на гораздо большую добротность CFRP. [52]
Когда в 2017 году в Дании была демонтирована морская ветровая электростанция Виндебю , 99% неразлагаемого стекловолокна из 33 лопастей ветряных турбин оказались нарезанными на контролируемом полигоне Рэруп недалеко от Ольборга , а в 2020 году — со значительно большими объемами стекловолокна, хотя это наименее экологичный способ обращения с отходами . [ требуется ссылка ] Отработанные лопасти ветряных турбин станут огромной проблемой отходов в Дании и странах, куда Дания все больше и больше экспортирует свои многочисленные произведенные ветряные турбины. [53] [54] [55]
« Причина, по которой многие крылья оказываются на свалке, заключается в том, что их невероятно трудно отделить друг от друга, что вам придется сделать, если вы надеетесь переработать стекловолокно » , — говорит Люкке Марго Рикард, доцент кафедры инноваций и технологического прогнозирования и руководитель образования в области гражданского строительства в области разработки продуктов и инноваций в Университете Южной Дании (SDU). По данным Dakofa, датского центра компетенции по отходам и ресурсам, в датском постановлении об отходах нет ничего конкретного о том, как обращаться с выброшенным стекловолокном. [53] [56]
Несколько торговцев ломом рассказали Ingeniøren , что они имели дело с лопастями (крыльями) ветряных турбин, которые были измельчены после отправки на станцию переработки. [57] Одной из них является компания по переработке HJ Hansen, где менеджер по продукции сообщил, что они перевезли примерно половину крыльев, полученных с 2012 года, на свалку Reno Nord в Ольборге. По его оценкам, там оказалось в общей сложности около 1000 крыльев, и сегодня до 99 процентов крыльев, которые получает компания, оказываются на свалке. [58]
С 1996 года, по оценкам Люкке Марго Рикард ( SDU ) в 2020 году, в Дании было утилизировано не менее 8810 тонн крыльевых отходов , и проблема отходов значительно возрастет в ближайшие годы, когда все больше и больше ветряных турбин достигнут конца своего срока службы. По расчетам лектора SDU, сектор отходов в Дании должен будет получить 46 400 тонн стекловолокна из лопастей ветряных турбин в течение следующих 20–25 лет. [58]
Аналогичным образом, на острове Лолланд в Дании в 2020 году 250 тонн стекловолокна из отходов ветряных турбин также были выброшены на свалку в Герринге в центре Лолланда. [ 57] [59]
В Соединенных Штатах изношенные лопасти ветряных турбин, изготовленные из стекловолокна, отправляются на несколько свалок, которые их принимают (например, в Лейк-Миллс , Айова; Су-Фолс , Южная Дакота; Каспер ). [60]
Ветряные насосы использовались для перекачивания воды по крайней мере с IX века на территории современных Афганистана , Ирана и Пакистана . [19] Использование ветряных насосов получило широкое распространение в мусульманском мире , а затем распространилось на Восточную Азию ( Китай ) и Южную Азию ( Индию ). [61] Ветряные мельницы позднее широко использовались в Европе, особенно в Нидерландах и Восточной Англии в Великобритании , начиная с позднего Средневековья , для осушения земель в сельскохозяйственных или строительных целях.
«Американская ветряная мельница» или «ветряной двигатель» была изобретена Дэниелом Халладеем в 1854 году [62] и использовалась в основном для подъема воды из колодцев. Более крупные версии также использовались для таких задач, как распиловка дров, рубка сена, лущение и измельчение зерна. [62] В ранней Калифорнии и некоторых других штатах ветряная мельница была частью автономной домашней системы водоснабжения, которая включала вырытый вручную колодец и деревянную водонапорную башню, поддерживающую резервуар из красного дерева, окруженный деревянной обшивкой, известный как танкхаус . В конце 19 века стальные лопасти и башни заменили деревянные конструкции. На пике своего развития в 1930 году использовалось, по оценкам, 600 000 единиц. [63] Такие фирмы, как US Wind Engine and Pump Company, Challenge Wind Mill and Feed Mill Company, Appleton Manufacturing Company, Star, Eclipse , Fairbanks-Morse , Dempster Mill Manufacturing Company и Aermotor , стали основными поставщиками в Северной и Южной Америке. Эти ветряные насосы широко используются на фермах и ранчо в Соединенных Штатах, Канаде, Южной Африке и Австралии. Они имеют большое количество лопастей, поэтому они вращаются медленно со значительным крутящим моментом при слабом ветре и саморегулируются при сильном ветре. Редуктор на вершине башни и коленчатый вал преобразуют вращательное движение в возвратно-поступательные удары, передаваемые вниз через шток к цилиндру насоса ниже. Такие мельницы перекачивали воду и приводили в действие кормовые мельницы, лесопилки и сельскохозяйственную технику.
В Австралии братья Гриффитс из Тувумбы производили ветряные мельницы американского образца с 1876 года, а с 1903 года использовалось торговое название Southern Cross Windmills. Они стали символом австралийского сельского сектора, используя воду Большого артезианского бассейна . [64] Другим известным производителем была компания Metters Ltd. из Аделаиды , Перта и Сиднея .
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )