Ветряные мельницы - одни из самых распространенных декоративных элементов дачного ландшафтного дизайна. Я готов рассказать вам, как можно самостоятельно сделать красивую мельницу даже новичку, а пошаговая инструкция наглядно подтвердит мои слова.
Немного истории
Настоящая ветряная мельница представляет собой аэродинамический механизм, который преобразовывает энергию ветра. За счет этой энергии она выполняет механическую работу - помол зерна.
Упоминания ветровых конструкциях начинаются еще с античных времен. Поэтому можно предположить, что длительное время ветровые и водяные мельницы были единственными машинами, которые использовало человечество.
Историки считают, что древние мельницы были распространены в Вавилоне. Об этом свидетельствует кодекс царя Хаммурапи, который датируется примерно 1750 годом до нашей эры.
Задокументированное же свидетельство применения ветровых машин для помола зерен датируется первым веком нашей эры, и принадлежит оно греческому изобретателю Герону Александрийскому. Также известно, что в девятом веке существовали персидские мельницы, о чем писали в своих сообщениях мусульманские географы.
Персидские мельницы отличались от привычных нам европейских конструкций с вертикальной осью вращения и перпендикулярно установленными лопастями. Они имели лопасти на роторе, и с одной стороны закрывались оболочкой. Без этой оболочки давление ветра на все лопасти было бы одинаковым.
Вертикальную ось вращения имела и китайская мельница. От персидских она отличались свободно поворачивающимися парусами, в то время, как у персидских мельниц парус был жестко зафиксирован на оси.
Таким образом, для Азии характерны конструкции с вертикальным расположением ротора вращения. А вот ветряная мельница с горизонтальным ротором привычна для Европы.
Особенно широкое распространение классические мельницы получили в ветреных равнинных регионах. Кроме того, их строили на побережье Средиземного моря.
В нашей стране в основном они были распространены до начала XX века, однако, уже в XIX веке, с появлением паровых машин, их количество стало сокращаться. Правда, полностью от этих мельниц не отказались и по сей день.
Ну а для нас, дачников, ветряные мельницы - это просто красивый элемент ландшафтного дизайна, который, к тому же, символизирует достаток и благополучие в семье.
Изготовление мельницы
Теперь рассмотрим, как сделать мельницу своими руками. Эту процедуру можно условно разбить на несколько этапов:
Как вы видите, один из этапов работы - изготовление подвижных вертикальных элементов. Далее мы рассмотрим, как сделать конструкцию, чтобы крыша и ось вращения поворачивались по направлению ветра.
При желании можно сделать и так, чтобы все строение поворачивалось навстречу ветру по принципу флюгера. Но, если вы хотите наоборот упростить изделие - сделайте его неподвижным.
Подготовка чертежей
Так как мельница в нашем случае - это декоративный элемент, каких-то строгих правил по ее проектированию не существует. Главное - определиться для себя какой вы хотите видеть конструкцию, и каких она будет размеров.
Чтобы упростить задачу, вы можете использовать готовые чертежи, и при необходимости их лишь подкорректировать. Причем, необязательно точно вычерчивать конструкцию в масштабе. Главное изобразить основные ее элементы и указать размеры, что в дальнейшем упростит работу.
Изготовление основание
В проекте ветряной мельницы, который я вам предлагаю, имеется основание на ножках в виде тумбы. Изготавливается оно следующим образом:
| Иллюстрации | Описание действий |
 | Материалы
:
|
 | Изготовление основы (юбки):
|
 | Изготовление ножек:
Если вы умеете работать с металлом, можно использовать в качестве ножек металлические уголки или профилированные трубы. |
 | Монтаж ножек. Закрепите ножки на юбке при помощи болтов или саморезов. |
 | Обшивка основания. Обшейте верхнюю часть основания досками, фанерой или другим материалом. |
 | Установка перил:
|
Изготовление каркаса средней и верхней части конструкции
| Иллюстрации | Описание |
 | Материалы:
|
 | Изготовление каркаса средней части:
|
 | Изготовление каркаса крыши.
Ветряные мельницы на Руси обычно имели двухскатную крышу. В нашем случае она должна быть поворотной, поэтому выполняем ее следующим образом:
|
 | Установка подшипников в доски.
Чтобы наша ветровая мельница имела поворотную крышу, нужно закрепить ось на подшипниках. Для этого надо предварительно закрепить подшипники в досках:
Точно также нужно вставить подшипник в доску, которая будет фиксировать ось в нижней части каркаса. |
 | Крепление крыши:
Теперь крыша может свободно вращаться вокруг своей оси. |
 | Изготовление хвостовика.
Чтобы наша деревянная мельница, а точнее ее крыша, поворачивалась как флюгер на встречу ветру, нужно сделать хвостовик следующим образом:
Хвостовик сразу можно обшить любым листовым материалом. |
Изготовление лопастей и горизонтальной подвижной части
Теперь нужно сделать горизонтальную подвижную часть и лопасти:
| Иллюстрации | Описание |
 | Материалы. На этом этапе нам понадобятся те же материалы, что и при изготовлении крыши. |
 | Монтаж горизонтальной подвижной части:
|
 | Изготовление крестовины.
В основе лопастей используется крестовина. Ее легко сделать из четырех брусков. По центру крестовины сделайте отверстие под ось. |
 | Изготовление лопастей:
|
На этом наиболее сложная часть работ завершена.
Отделка
Теперь остался завершающий этап - отделка. От него зависит как будет выглядеть декоративная мельница. Суть этой работы заключается в обшивке каркаса вагонкой.
При этом вы можете украсить конструкцию окошками, дверями и другими элементами, которые подскажет вам фантазия. Обшитую мельницу можно раскрасить и вскрыть лаком.
Зачастую ветряные мельницы расписывают в народном стиле. Если вы хотите, чтобы конструкция выглядела в традиционном русском стиле, ее лучше обшить блок-хаусом, а не вагонкой. Особенно красиво смотрится мельница, украшенная резьбой.
Внутрь мельницы можно встроить диоды и датчик освещения. В результате с наступлением темноты в окошках мельницы будет загораться свет. Цена датчика в среднем около 300 рублей.
Вот, собственно, и вся информация о том, как сделать ветряную мельницу своими руками.
Вывод
Теперь вы знаете, как изготавливаются декоративные ветряные мельницы своими руками. Дополнительно просмотрите видео в этой статье. Если какие-то моменты вам непонятны - задавайте вопросы в комментариях, и я с радостью отвечу.
Долгие столетия благодаря ветру человек передвигался по морям и океанам, используя для "ловли" воздушных потоков паруса. Примерно II-I веками до н.э. датируются первые известные ветряные мельницы, найденные в Египте возле города Александрия. Это были каменные мельницы барабанного типа. У них колесо с широкими лопастями монтировалось в специальном барабане таким образом, что половина колеса находилась снаружи, и ветер, давя на лопасти, вращал колесо, которое, в свою очередь, приводило в движение жернов. Более совершенные ветряные мельницы крыльчатой конструкции в VII веке н.э. стали использовать персы, проживавшие на территории современного Ирана. С VIII-IX веков ветряные мельницы распространились по Европе и Руси. Поначалу эти мельницы мололи зерно, но постепенно человек начал применять их также для откачки воды и приведения в действие различных механизмов. В частности, голландцы таким образом осушали польдеры - участки земли, обнесенные дамбами. До середины XVI столетия в Европе были распространены так называемые мельницы на козлах (иначе - немецкие мельницы). Их недостатками являлись ненадежность (опрокидывались бурей) и ограниченная производительность ввиду того, что козловые мельницы поворачивались вручную в сторону ветра с помощью козел (отсюда и название), а значит - строились не слишком большими. Но в середине XVI века в Голландии изобрели мельницу, в которой двигалась лишь крыша с крыльями. Усовершенствованные мельницы стали называть шатровыми (или голландскими). Такие мельницы строили очень высокими, что позволяло закреплять на них более длинные крылья, тем самым увеличивая мощность. Сегодня самыми высокими в мире ветряными мельницами считаются голландские ветряки под названием "Север" и "Свобода", чья высота превышает 33 метров. В свое время Голландия являлась "лидером" по количеству ветряных мельниц, которые использовались не только для помола зерен и откачки воды. Получили распространение красильные, масляные, лесопильные мельницы. Именно для лесопилки была построена в Петербурге ветряная мельница, конструкцию которой Петр I лично изучил у голландских мастеров. Даже бумагу изготавливали с помощью ветряных мельниц, и ныне в голландском местечке Заансе Сханс можно увидеть последнюю мельницу (под названием "Учитель") для производства бумаги. Не случайно очень долгое время бумага из Голландии считалась самой лучшей, и американская "Декларация Независимости" как раз и была напечатана на такой бумаге.Новая жизнь ветряных мельниц
Появление более совершенных технологий, казалось, отправит ветряные мельницы в область туристических диковинок. Однако достаточно быстро люди разобрались, что таким "дедовским" способом, т.е. с помощью ветряков, можно получать энергию электричества. В июле 1887 года шотландский академик и профессор Джеймс Блит (James Blyth) предпринял попытку создания ветровой установки для получения электричества. В 1891-м он получил патент на свое изобретение. 10-метровый ветряк с крыльями, обтянутыми тканью, был установлен в шотландском городе Marykirk и производил электроэнергию для освещения. Правда, коммерческого успеха Блит не добился. Зимой 1887-1888-го, уже в Соединенных Штатах, Чарльз Ф. Браш (Charles F. Brush) создал ветряную турбину, которая питала электроэнергией его дом и лабораторию вплоть до 1900 года. В 1890 году датский ученый и изобретатель Поль ля Кур (Poul la Cour) сконструировал ветряную электроустановку для производства водорода. Данная установка считается первым электроветряком современного типа. В первой половине прошлого века ветрогенераторы стали устанавливаться в тех местах, куда обычным путем электричество доставить было невозможно. С 20-х годов прошлого века ветрогенераторы начали появляться в США и Австралии. В России в 1918 году получением электричества с помощью ветра заинтересовался профессор В. Залевский. Он создал теорию ветряной мельницы и сформулировал ряд принципов, которым должен отвечать ветрогнератор. В 1925-м профессор Н. Жуковский организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. В 30-х годах ХХ века руководство Советского Союза всерьез озаботилось использованием энергии ветра. Было налажено производство ветроустановок мощностью 3-4 кВт, причем выпускались они сериями. Самую первую ветроэлектрическую станцию в СССР установили в 1930 году в городе Курске. Мощность станции равнялась 8 кВт. В 1931 году в СССР заработала самая крупная в мире Ялтинская ВЭС мощностью 100 кВт. Строительство и установка ветрогенераторов шло высокими темпами вплоть до начала 60-х. Достаточно сказать, что с 1950 по 1955 годы Союз выпускал до 9 тысяч ветроустановок ежегодно. Когда осваивалась целина в Казахстане, советские люди соорудили первую многоагрегатную ВЭС, работавшую совместно с дизелем; общая мощность данной установки составляла 400 кВт. Эта ВЭС стала примером для современных систем "ветро-дизель". Однако к концу 60-х ветроэнергетика Советского Союза уступила место крупным ТЭС, ГЭС и АЭС, и серийное производство "ветряков" было свернуто. К ВЭС вернулись в 90-е годы ХХ века, не в пример США и Европе. Начало же современной ветроэнергетики принято отсчитывать от 1979 года.Современное состояние ветроэнергетики
Любопытно, что примерно до середины 90-х годов прошлого века по суммарной мощности ветроэнергетических установок первенство держали США. Однако в 1996 году в Западной Европе оказалось 55% мировых мощностей ветроэлектростанций. Изменились и сами электроветряки. До середины 90-х ХХ века в мире больше всего производили ветрогенераторов мощностью от 100 до 500 кВт. Затем наметилась тенденция к выпуску установок мощностью до 2000 кВт. Это поистине исполинские ветряки, высота которых превышает 100 метров. Несмотря на постоянно увеличивающиеся темпы роста числа ветроэлектростанций, доля электроэнергии, получаемой силой ветра, составляет чуть более 1% от общей величины выработки электроэнергии в мире. Однако в отдельных странах эта доля существенно выше, например, в Дании она составляет более 20%, в Германии - 14,3% (по данным 2007 года), в Индии - около 3% (по данным 2005 года). Потенциал ветровой энергии Российской Федерации составляет более 50 000 миллиардов кВт·ч/год. В переводе на язык экономики - это приблизительно 260 миллиардов кВт·ч/год, что равняется примерно 30% от электроэнергии, производимой всеми отечественными электростанциями. На 2006 год установленная мощность ветровых электростанций в России равнялась примерно 15 МВт."Куликовская" ВЭС.
Одна из самых мощных российских ветроэлектростанций размещается в районе поселка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Ее мощность - 5,1 МВт (ветропарк состоит из 21 ветроэнергетической установки, занимает примерно 20 гектар и способен обеспечить электричеством 145 квартир), а среднегодовая выработка - около 6 млн кВт·ч/год. Также стоит назвать Анадырскую ВЭС мощностью 2,5 МВт на Чукотке. В ближайшие годы в самых разных странах мира планируется существенно увеличить количество получаемой электроэнергии от ветряков. Однако распространение ВЭС может быть затруднено по ряду причин, о которых речь пойдет ниже.Минусы ветроэнергетики
Итак, какие же существуют главные минусы у ветроэнергетики? Во-первых, сила ветра непостоянна. Поэтому существует опасность нарушения работы общей энергосистемы (которая сама по себе "страдает" от пиков и спадов нагрузки) в том случае, если в ней будет присутствовать значительная доля электроэнергии, получаемой от ВЭС (согласно некоторым расчетам - эта доля в 20-25%). Кроме того, "нестабильность" ветра вынуждает человека думать о резервных источниках электроэнергии, которые бы могли в нужный момент компенсировать недостающую часть электроэнергии. В качестве примера такого резерва можно привести газотурбинные электростанции либо аккумуляторы. Все это приводит к повышению стоимости ветровой электроэнергии. Во-вторых, ветряные энергетические установки издают приличный шум, что вынудило в ряде европейских стран принять закон, ограничивающий уровень шума ветряков до 45 дБ днем и до 35 дБ в ночное время. К шуму добавляется низкочастотная вибрация, передающаяся через почву. Вот почему жилые дома размещаются обычно на расстоянии 300 метров и более от ветряных энергетических установок. В-третьих, металлические составляющие ветряков производят радиопомехи, из-за чего в некоторых местах приходится даже строить рядом дополнительные ретрансляторы. Безусловно, нестабильность ВЭС в плане подачи электроэнергии - самая главная их беда, а с остальными недостатками ветряков вполне можно мириться. Тем более, что хоть значительные территории вокруг ветряных установок вынужденно безлюдны, однако они не пустуют, а практически полностью сдаются в аренду фермерским (либо иным) хозяйствам. В связи с этим, логично выглядит идея перевода ВЭС на выдачу не электрической энергии промышленного качества (~ 220В, 50 Гц), а постоянного или переменного тока, который бы затем преобразовывался с помощью ТЭНов в тепло, например, для получения горячей воды, обогрева и прочих нужд. В этом случае проблема бесперебойности подачи тока уходит на второй план. Кроме того, в мире функционируют ветродвигатели, с помощью которых не добывают электричество, а подымают воду из колодцев. Подобные установки находятся в Казахстане, Узбекистане и ряде других стран. Как видим, и в современном мире ветряки применяются достаточно широко.Ветрогенераторы как они есть
Основными узлами ветрогенератора являются: винт, вращаемый силой ветра, корпус, генератор и аккумулятор. Помимо стационарных существуют мобильные ветроэлектростанции, мощности которых хватает на питание электроприборов. Мощность ветрогенератора напрямую связана с площадью, заметаемой лопастями генератора. Самые большие в мире ветрогенераторы выпускает немецкая компания "Repower": диаметр ротора у таких турбин составляет 126 метров, вес гондолы - 200 тонн, высота башни - 120 метров, а мощность может доходить до 6 МВт. Самая распространенная конструкция ветрогенератора - с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя можно и сегодня увидеть двухлопастные установки. На текущий момент в мире распространены ветродвигатели двух типов: карусельные и крыльчатые. Встречаются также барабанные и другие конструкции. У карусельных (роторных) ветрогенераторов на вертикальную ось "насажено" колесо с лопастями. В отличие от крыльчатых, такие ветряки способны функционировать при любом направлении ветра, не меняя своего положения. Это тихоходные установки, не создающие большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах - это допускает применение простых электрических схем без опасности потерпеть аварию при порыве ветра. Крыльчатые ветряки - это лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Крыло-стабилизатор позволяет устанавливать систему в самое выгодное положение относительно потока ветра. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), более мощные снабжаются редуктором. На мировом рынке доля крыльчатых ВЭС превышает 90%, чему причина - высокий коэффициент использования энергии ветра. Среди альтернативных конструкций стоит упомянуть ветряные системы, в которых нет движущихся частей. Проносящийся ветер в них охлаждается и, благодаря термоэлектрическому эффекту Томсона, способствует вырабатыванию электрической энергии.А есть ли перспективы?
Безусловно, перспективы имеются. Ветряные установки вот уже более ста лет помогают человеку получать электричество буквально из ничего, используя лишь кинетическую энергию воздушных масс атмосферы. Тем самым, экономятся традиционные виды топлива (дрова, уголь, нефть, природный газ), уменьшается загрязнение окружающей среды. Глобальный экономический кризис, за развитием и, надеемся, благополучным концом которого мы наблюдаем сегодня, дает много пищи для размышлений, и в частности, наводит на мысль о переходе на альтернативные источники энергии. Высокие цены на нефть, перебои с поставками природного газа (в Европу, в частности) дают ветроэнергетике отличный шанс для дальнейшего развития. Не случайно ведь за рубежом альтернативная энергетика начала серьезный рост после нефтяного кризиса середины 70-х годов прошлого века. Поначалу ветроэнергетику дотировало государство, но сегодня данный вид энергетики является прибыльным делом, хотя и регулируется госструктурами. В России, кстати, необходимой законодательной базы для развития ветроэнергетики нет, по этой причине (а также из-за отсутствия серьезных инвестиций; ветропарк Куликовской ВЭС - дар властей Дании!!!) в нашей стране действуют не более четырех десятков скромных ВЭС, дающих суммарно менее 0,1% вырабатываемой в РФ энергии. Ветроэнергетика наличествует в более чем 50 странах мира. Страны-лидеры по суммарно установленным мощностям: Германия (18428 МВт), Испания (10027 МВт), США (9149 МВт), Индия (4430 МВт), Дания (3122 МВт), Нидерланды (1290 МВт), Китай (1260 МВт) и Португалия (1000 МВт). Если до недавнего времени ветроэнергетика активно развивалась в странах ЕС и США, то сегодня ВЭС в больших количествах возводят в Канаде, Азии, Южной Америке, Австралии, Африке (на прародине А.С. Пушкина в этом деле преуспевает Египет). Тенденция такова, что энергией ветра скоро начнут питать не отдельные дома, а целые поселки и города, поначалу, конечно, совсем небольшие. Одной из таких "ласточек" стал в 2008-м городок Rock Port (штат Миссури) - первый город в США, получающий 100% энергии от ветропарка (проект Wind Capital Group). Так называемая "малая ветроэнергетика" тоже может быть причислена к перспективным направлениям энергетики (см. нашу статью "IT-байки: Малая ветроэнергетика - для дома, для семьи "). Ветроэнергетика сегодня - это стремительно развивающаяся отрасль. Об этом говорят и цифры - в 2008 году общая мощность ветряной энергетики во всем мире составила 120 ГВт. Надеемся, что и Россия не останется в стороне от тенденций развития альтернативной энергетики, использующей для получения электричества или тепла силу ветра (а также приливы-отливы, геотермальные источники и т.д.), благо территории и ветрового потенциала в России предостаточно.Когда речь заходит о ветряных мельницах, сразу вспоминается знаменитый литературный герой Мигеля де Сервантеса Сааведра - Дон Кихот, в воспаленном мозгу которого они предстали в виде великанов. Первая ветряная мельница появились на берегах Нила (около трех тысячелетий назад), именно в этих краях пшеница давала щедрый урожай. Первые конструкции были довольно примитивными. Чтобы смолоть ведро зерна, требовалось не менее пяти-шести часов работы. Ручные жернова при наличии одного физически сильного мужчины позволяют перемолоть ведро пшеницы часа за полтора.
Принципы размола зерна в муку
Процесс превращения зерна в муку на современных мельницах проходит в несколько этапов. Перед размолом зерно очищается на специальных установках. Сита позволяют разделить массу по размеру, а специальные триеры удаляют из нее примеси. Это довольно хитрая машина, она распознает конфигурацию отдельных зерен и отбрасывает в сторону все, что отличается по форме. Далее масса замачивается. Эта операция нужна, чтобы поверхностный слой (его называют отрубным) легче снимался. В отрубях остается шелуха и зародышевые зоны зерна. Теперь наступает самый ответственный момент - выполняется обрубка. Она позволяет ускорить процесс размола зерна на жерновах. Современные жернова во многом напоминают те, которые использовались еще в древности. Это два круга. Один из них неподвижный, а другой вращается относительно первого. В верхнем имеется питающее отверстие, сюда поступают зерна. Зерно движется от центра к периферии, соприкасаясь с поверхностью жерновов. Те давят с определенным усилием, сдирая тонкий слой, который и превращается в муку. По мере истирания от цельных зерен не остается ничего, кроме муки, которая ссыпается с поверхности неподвижного жернова. Финишная операция - это разделение муки на ситах. Через самые тонкие проходит мука высшего сорта, далее отделяются и другие сортовые фракции. На самом грубом сите остаются сравнительно крупные частицы - это любимая многими (но кто-то ее и не любит) манная крупа.
Как поймать ветер
Природа ветра - это движение потока воздушных масс. Где-то ветер ежедневно дует с большой скоростью, но есть места, где его подолгу не могут дождаться. Первыми его сумели поймать моряки, паруса легко уловили легкое дуновение и потянули суда в направлении потока. Несколько позже научились ставить и косые паруса, появилась возможность двигаться и под углами, лавируя, опытные моряки могут плыть и навстречу ветру. Для привода вращающихся жерновов потребовалось иначе расположить несколько парусов. Их пришили к радиальным направляющим, сидящим на валу. Потом преобразовали в лопасти. Теперь давление воздушного потока заставляет двигаться каждую лопасть, здесь поступательное движение воздуха преобразуется во вращательное движение вала. Ветряная мельница упрощенного привода имела жернова, которые вращались в горизонтальной оси. Много сложностей преодолели изобретатели древности, чтобы найти способы поджимать неподвижный жернов к вращающемуся. Среди рисунков египетских пирамид есть такие, которые показывают, как ветер на мельнице перемалывает зерно в муку.
Классическая ветряная мельница
Вопрос о том, как передать вращение от горизонтальной оси к вертикальной, долго не мог разрешиться. Многократно пытались изменить направление вращения валов. Но техническое решение так и не находилось. В манускриптах есть схемы устройств для преобразования направлений вращения. Наиболее распространенная конструкция приписывается Архимеду (ветряная мельница по Архимеду изображена на фресках, вывезенных римлянами из Сиракуз). Он придумал зубчатые колеса, изготовленные из бревен, закрепленных на ободьях колес. Гениальная идея была воплощена в десятках тысяч мельниц, разбросанных по миру. В них ветер заставляет вращаться горизонтальный вал, на конце которого установлено колесо. На его ободе имеются крепко зафиксированные зубья (круглые бруски), установленные с определенным шагом. Перпендикулярно горизонтальному валу установлен вертикальный. На нем тоже имеется колесо с аналогичными зубьями. Получился аналог шестеренного механизма, передающий крутящий момент под заданным углом (в данном случае 90°). Вертикальный вал вращает подвижный жернов, в него равномерно засыпается зерно, которое превращается в муку. В результате получилась мельница для муки.
Как устроена современная мельница
В современных конструкциях вместо сложного шестеренного механизма, изготовленного из дерева, используются иные устройства для передачи вращения. Сегодня только на побережье Пиренейского полуострова работают несколько десятков мельниц. В них использованы фрикционные вариаторы - редукторы, преобразующие направление вращения, а также обеспечивающие нужную скорость вращения рабочего вала. В Норвегии и Исландии применяется несколько иной привод, там работают конические шестерни, изготовленные из бронзы. На улице XXI век, но ветряная мельница все равно находит применение и в наше время.
Какие мельницы используются сегодня
Большие объемы промышленной переработки зерна невозможно осилить только с использованием ветра. Для привода вращения жерновов применяются синхронные электродвигатели с фазовым ротором. Они могут плавно изменять частоту вращения вала. Для зерна и муки характерно проявление термопластических свойств - расплавление при нагревании. В процессе помола муки температура поверхности жерновов повышается, поэтому скорость вращения ограничивается разумными пределами. Если не ограничить, то может произойти возгорание муки, а ее наличие в воздухе, соответственно, привести к взрыву. Современные жернова внутри себя имеют довольно сложную систему охлаждения. В зоне их работы установлены термодатчики, которые контролируют ход технологического процесса. Внедрение компьютеров в технологии не обошло и мельничное производство. На современных мельницах датчики контроля разных параметров установлены по всей технологической цепи: от приема зерна на склад до упаковки муки в тару и погрузки в транспортное средство, которое доставит ее на хлебопекарный завод или в магазин.
Мельница своими руками
Мини-мельницы применяются в фермерских хозяйствах для приготовления кормов с использованием муки крупного помола. Известно, что организм животных лучше усваивает не цельное зерно, а дробленное. Для этого применяют небольшие зернодробилки или машинки для грубого помола. Мельница своими руками создается в следующей последовательности. Нужно изготовить жернова. Для этого применяют два толстостенных диска, их рабочие поверхности насекаются бородком или зубилом. В результате получаются жернова. Затем в верхнем жернове просверливается отверстие. К нему приваривают конус из тонкостенной жести (питатель, подающий зерно в зону помола). Организуют привод вращающегося жернова, здесь проще всего использовать клиноременную передачу. Поэтому болтами к верхнему диску прикручивают шкив. На валу электродвигателя также устанавливают шкив. Теперь вращение вала двигателя будет передано к жернову мельницы. Остается только заключить всю конструкцию в корпус и начать производить муку.
Сегодняшняя наша публикация посвящена истории изобретения мельницы — устройства, которое использует не мышечную энергию человека или животных, а энергию сил природы: воды и ветра.
Водяные мельницы
Первыми были изобретены водяные мельницы
. В них происходило преобразование энергии водяного потока в энергию вращения. Это простейшее устройство состояло из основного , двух цевочных колес и рабочего органа – двух жерновов: подвижного и неподвижного. Первые мельницы появились на горных речках и быстро распространились повсюду, где можно создать перепад воды.
В XI–XII веках помол на ручных мельницах был повсеместно прекращен. Водяные мельницы в то время ставились не только на реках: на территории современного Ирака в Басре были построены мельницы в устьях каналов, питавшихся водой за счет приливов. Они приводились в движение водой, отступавшей во время прилива. В Месопотамии на Тигре действовали плавучие мельницы. Мельницы Мосула висели на железных цепях посреди реки.
Вначале основным назначением мельниц был помол зерна. Но в XII в. жернова были заменены так называемыми кулаками, предназначенными для выполнения совсем другой работы. В простейшем варианте на главном валу мельницы вместо цевочного колеса был жестко закреплен кулак, управлявший рабочим органом. В XII–XIII веках появились сукноваляльные, железо– и делательные мельницы.
Стремление повысить мощность заставляло строить гидравлические установки больших размеров. Во Франции мастер Р. Салем под руководством А. де Виля соорудил в 1682 г. крупнейшую гидросиловую установку из 13 колес, диаметр которых достигал 8 м. Колеса, установленные на реке Сене, приводили в действие 235 насосов, поднимавших воду на высоту 163 м. Эта система, снабжавшая водой фонтаны королевских парков в Версале и Марли, получила у современников название «чудо Марли».
Больших успехов в области строительства гидротехнических сооружений добился русский изобретатель К. Д. Фролов на Колывано-Воскресенских рудниках Алтая. В 70-х годах XVIII в. на Алтае начали разработку серебряных руд, залегавших на более глубоких горизонтах. Использовавшиеся ранее водоотливные подъемные машины, приводимые в движение вручную или конной тягой, не могли обеспечить откачку воды и подъем руды на поверхность. Для увеличения количества добываемой руды Фролов разработал проект строительства комплекса вододействующих установок. После длительной борьбы с чиновниками Горного ведомства К. Д. Фролову удалось добиться утверждения своих предложений. В течение 1783–1789 гг. он внедрил свой проект. Это было самое крупное гидротехническое сооружение XVIII века.
К. Д. Фролов построил плотину высотой 17,5 м, шириной по верху 14,5 м, в основании – 92 м, длиной 128 м, создававшую необходимый напор воды.
Ветряные мельницы
В Афганистане ветряные мельницы впервые появились в IX в. Лопасти ветряного колеса располагались в вертикальной плоскости и были прикреплены к валу, который и приводил в действие верхний жернов. Почти одновременно с ветряными мельницами были изобретены и регулирующие устройства. Они были необходимы, поскольку крылья мельницы были связаны с жерновом практически напрямую и, следовательно, скорость его вращения очень зависела от капризов ветра. В Афганистане все мельницы и водочерпальные колеса приводились в движение господствующим северным ветром, поэтому ориентировались только по нему. На мельницах были устроены люки, которые открывались и закрывались, чтобы регулировать силу ветра.
В Европе ветряные мельницы появились в XII в., в основном в тех местах, где было недостаточно рек. По своей конструкции они отличались от водяных мельниц лишь положением движителя и главного вала.
Различают два вида ветряных мельниц. В первом при смене направления ветра поворачивается весь корпус мельницы, во втором – лишь головная часть.
Следует отметить, что ветряные мельницы, которые являются неотъемлемой частью пейзажа Голландии, предназначены не для помола зерна, а для откачки воды. Поэтому можно отметить, что изобретение, сделанное в Афганистане, помогло сохранить европейскую страну.
На десерт предлагаем посмотреть видео о необычных механизмах, за работой которых интересно наблюдать.
История использования энергии ветра человеком относится к глубокой древности. Первые упоминания об этом появились примерно за 1000 лет до нашей эры. Принято считать, что история западных ветряных мельниц начинается с первого документального появления европейской (или датской) ветряной мельницы в Нормандии в 1180 году. Вероятнее всего, что в Европу ветряные мельницы попали из Персии через средиземноморские страны.
Наиболее известным ранним типом ветряной машины является персидская мельница, представляющая собой простейшее устройство с ротором, расположенным вертикально (рис. 1.1). При этом в Западной Европе персидская мельница была быстро усовершенствована до более эффектного типа ветряной мельницы с горизонтальной осью вращения ветротурбины. Исследователи истории ветроэнергетики отмечают, что за короткий промежуток времени ветряные мельницы с горизонтальной осью практически полностью вытеснили из Европы установки с вертикальной осью.
Усложнение конструкции мельницы с горизонтальной осью оправдалась большей эффективностью работы. Британская мачтовая , показанная на рис. 1.2, является триумфом инженерной мысли и наиболее сложным механизмом на период начала Индустриальной революции.
Интенсивно развиваясь с XII no XIX век, ветряные мельницы достигли определенного совершенства. Мощность этих мельниц была эквивалента 25. ..35 кВт.
Индустриальная революция, обусловленная созданием паровых машин, и удешевление угля привели к постепенному вытеснению агрегатов, использующих энергию ветра. Одним из очень интересных исторических феноменов ветроэнергетики, о котором упоминают многие авторы являются американские насосные ветроустановки. Особенностями таких установок являются много лопастный ротор, простая система ориентирования на ветер и возможность автономной автоматической работы. На рис. З.а показана установка Halladay Standard, которая впервые имела настоящий коммерческий успех. Вторым наиболее популярным типом ветронасосных установок были агрегаты с жестким ротором Eclipse (рис. 1.3, б). Третий шаг в развитии американских встронасосных установок был сделан в 1888 году компанией The Aermotor.
Ветроустановки Aermolor (рис. 1.4) были выполнены полностью из металла, а массовое производство позволило значительно уменьшить их стоимость. Революционным новшеством спала идея штамповать лопасти из жести. Штампованные лопасти имели определенную геометрию и устанавливались под необходимым углом. При больших скоростях ветра ротор, расположенный за стойкой, «всплывал» за счет шарнирного соединения. Следует отметить, что это были полностью металлические установки, выполненные оптимально с точки зрения конструкции, эффективности и
экономики производства.
Несмотря на широкую электрификацию сельской местности, данные ветряные мельницы
остаются достаточно распространенным во многих странах.
Статистика по имеющимся на сегодняшний день ветронасосным установкам приведена в табл. 1.1. Общее их количество составляет больше миллиона ветряных мельниц (в основном многолопастные установки с диаметром колеса около 2,5 м), а суммарная мощность около 250 МВт.
Интересно сравнить параметры наиболее распространенных старых ветряных мельниц с современными агрегатами, имеющими те же размеры ветротурбины(табл. 1.2).
Как видно, за последние 50 лет ветроэнергетическая технология совершила мощный технологический скачок, увеличивший ветряных мельниц приблизительно в 10 раз.
От ветряной мельницы к ветроэнергетической установке
В конце девятнадцатого столетия появилась идея использовать энергию ветра для генерирования постоянного электрического тока. Потребность в таких установках была велика, поэтому в различных странах проводился целый ряд экспериментальных работ. В литературе встречаются описания двух очень разных ветроустановок, которые стали одними из первых в электрогенерированин. Первая из них, изображенная на рис. 1.5, это ветроустановка Браша мощностью 12 кВт, генерировавшая постоянный ток для зарядки аккумуляторных батарей. Система в целом работала
автоматически в течение 20 лет и требовала минимального ухода.
Ветряная мельница Браша стала важным этапом в истории развития ветроэнергетики.
Во-первых, она была достаточно крупной. Во вторых, в ней была использована повышающая двухступенчатая ременная трансмиссия с передаточным числом 50:1, при этом генератор вращался со скоростью 500 об/мин. И, наконец, это была первая попытка соединить хорошо развитую систему ветряной мельницы
с новой электрической технологией. В то
же установка показала, что многолопастные ветротурбины слишком медленные и малоэффективные для электрогенерирования.
Следующий важный шаг перехода от ветряных мельниц к ветроэнергетическим установкам сделал Пол Лакур (Poul Ia-Cour) в Дании в начале прошлого века. Он был первым, кто создал аэродинамическую трубу и применил аэродинамический профиль в своих ветроустановках (рис. 1.6).
К 1910 году около сотни таких ветроустановок мощностью от 5 до 25 кВт работали в сельской местности Дании. В 20 — 30-е годы и появились коммерческие экземпляры маленьких для зарядки аккумуляторных батарей, которые стали очень популярными.
Ни рис. 1.7 показана установка Jacobs Wind Electric. Скоростная трехлопастная ветротурбина, имеющая лопасти с аэродинамическим профилем вращала генератор мощностью 3 кВт при напряжении 110 В. Интересно отметить, что именно на этапе развития маленьких ветроустановок для заряда аккумуляторов встала проблема оптимального количества лопастей для ветротурбины. Двухлопастные ветротурбины испытывали значительные вибрации при изменении направления ветра, в то время как трехлопастные не имели этого недостатка.
Необходимо отметить, что этот тип перешел к современным конструкциям практически без изменений.
В 1925 году был создан новый вид ротора — , названный в честь ею создателя финскою инженера С.Савониуса. Преимуществами такою типа роторов являются высокий стартовый момент и способность воспринимать ветер с любой стороны, а недостатками — низкие быстроходность и коэффициент использования энергии вегра, а также значительная масса конструкции.
Другим новым типом ветротурбины, появившейся н 30-х годах прошлого столетия, была вертикальная ветротурбина, предложенная Ф. .
Ротор имеет две или три изогнутые лопасти, закрепленные сверху и снизу центральной колонны, и может воспринимать ветер со всех сторон. Данный тип ветротурбины практически не использовался до начала 1970-х
годов, когда в Канаде, а потом и в других странах начались исследования крупных ветроагрегатов с таким ротором Дарье.
Эволюция современных ветряных мельниц. От ветряных мельниц к ветроэлектрогенераторам
В ряде стран научно-исследовательские работы в области развития ветроэнергетики
усиленно развивались с конца 1940-х до начала 1960-х годов. Однако к тому времени цены на ископаемое топливо заметно снизились и с точки зрения стоимости электроэнергии ветроэлектрические установки не могли уже конкурировать с тепловыми электростанциями. В этот период коммерческая практически не развивалась. Были созданы различные экспериментальные образцы, в том числе ВЭС в Курске.
В начале 1970-х годов произошел новый взлет ветроэнергетики, обусловленный прежде всего известным энергетическим кризисом. В этот период правительства многих стран развернули широкомасштабные программы по созданию ветряных мельниц. Согласно этим программам разработка технологий, конструкторские рабогы и экспериментальные исследования должны были проводиться в постоянном взаимодействии. Планы предусматри-
вали создание трех поколений экспериментальных агрегатов. Первое поколение позволяло получить базовые наработки и данные, чтобы создать четкую концепцию ветроэнергетики. Второе поколение было необходимо для наработки практического опыта создания ветряных мельниц
. И, наконец, третье поколение
молжно было довести уровень надежности и эффективности ветроустановок до коммерческого использования. Эти серии ВЭУ должны были усовершенствовать ветротехнологии до той отметки, когда технический риск
мал настолько, что может привлечь значительные коммерческие капиталы.
Исследования были разделены на два направления — ВЭУ с горизонтальной осью и ВЭУ с вертикальной осью вращения.Например, в в 1974 году была разработана Федеральная Программа по развитию ветроэнергетике
, согласно которой были созданы экспериментальные прототипы MOD-O, MOD-OA, MOD-1, MOD-2, MOD-3. В Европе наиболее интересными и крупными проектами были Growian мощностью
3МВт и Германии (1983), KaMeWe 2,5 МВт в Швеции, LS-1 3 МВт в Великобритании(1987) и др. Необходимо отметить, что немецкий проект Growian был наиболее крупным из когда-либо построенных ВЭУ: диаметр турбины 100 м, высота башни 100 м. Эта ВЭУ была первой, которая работала с переменной скоростью вращения ветротурбины и имела асинхронизированный синхронный генератор. Слишком большое количество новинок вызвало огромное количество непредвиденных проблем в работе ветряной мельницы, но эта ВЭУ внесла значительный вклад в понимание проблем
иных агрегатов.
