(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Ветряные мельницы

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 26-09-2014

Метки: , , , ,

Первым двигателем в истории человечества был ветряной двигатель. Чуть позже появилось водяное колесо. События эти датируются 2 и 1 столетиями до нашей эры. Но не следует забывать, что самым первым двигателем был все-таки корабельный парус. И сказать точно, когда появился первый парус, невозможно. История создания паруса уходит в глубину тысячелетий.

Ветряной двигатель и парус близкие «родственники». Лопасти ветряка – это и есть узкие жесткие паруса. Они располагаются под углом к дующему на них ветру. Ветер скользит по поверхности лопасти от передней кромки к задней, возникает сила, сдвигающая закрепленную на оси лопасть. И ветряное колесо приводится во вращение. Чтобы ветряной двигатель работал, необходимо соблюсти ряд условий. Во-первых, площадь лопастей ветряка должна быть такова, что возникающая сила смогла преодолеть силы трения в подшипниках колеса. На практике движущая сила многократно превышает силу трения, поскольку ветряной двигатель приводит в действие тяжелые каменные жернова мельницы (или, добавим, выполняет другую полезную работу, например, выкачивает воду). Во-вторых, ветряное колесо должно быть хорошо уравновешено, чтобы при его вращении не возникали силы, стремящиеся разрушить колесо. В-третьих, необходим какой-нибудь механизм улавливания направления ветра. Небольшие по размерам ветряки устанавливали на поворотное основание, снабженное длинным рычагом. Когда ветер менял направление, мельницу попросту разворачивали при помощи этого рычага, располагая лопасти колеса перпендикулярно набегающему воздушному потоку.

При сооружении водяного колеса необходимо соблюдение, практически, тех же самых условий. Разве что упраздняется механизм ориентации колеса, поскольку водяной поток имеет постоянное направление. Простые, остроумные устройства, но как же непросто было правильно рассчитать и изготовить первые ветряные и водяные двигатели, не имея перед глазами каких-либо прототипов.

Ветряные мельницы не сразу стали такими, какими мы их видим на полях Эстонии, Голландии и других стран. Первые египетские мельницы снабжались не крыльчатым, а барабанным колесом. Лопасти устанавливались вертикально на плоскости колеса. Этот двигатель работал при любом направлении ветра, но был не так эффективен, как двигатель с крыльчатым колесом. Поверхность лопастей ветряного колеса, расположение оси которого совпадает с направлением ветра, полностью обдувается потоком воздуха, поэтому сила вращения колеса значительно больше. Крыльчатое колесо начинает работать при ветре небольшой силы, а барабанное колесо работает только при сильном ветре. И все же ветряные мельницы с крыльчатыми колесами появились только в 7 веке нашей эры в Персии.

Что касается водяного двигателя, то его конструкция оставалась неизменной на протяжении тысяч лет. Для приведения во вращение водяному колесу необходим водяной поток постоянной силы, поэтому при строительстве водяной мельницы перегораживалось русло небольшой реки или ручья и устраивалась запруда. Накопившуюся в запруде воду отводили при помощи лотка – поток воды падал на горизонтально расположенные лопасти колеса и приводил колесо в движение. Недостатком водяного двигателя была его зависимость от воды. Построить водяную мельницу можно было только у реки.

Мы постоянно говорим о мельницах. Действительно, первые ветряные и водяные двигатели применялись именно на мельницах. Измельчение зерна в муку, да еще в больших количествах, дело трудоемкое. Много ли зерна можно смолоть в ступе или при помощи ручного жернова? С укрупнением сельскохозяйственного производства, то есть с появлением больших плантаций пшеницы, ячменя и других зерновых культур, возникла потребность в механизированных мельницах. Приводимая водяным или ветряным колесом мельница могла работать круглосуточно и не нуждалась в большом количестве рабочей силы. Перемолотое в муку зерно удобней было хранить и перевозить на большие расстояния – мука занимала меньше места в мешках и кувшинах, лучше сохранялась и воспринималась покупателями не как сырье, а как готовый продукт. Стоимость муки была выше стоимости зерна, торговать мукой было выгодно.

Рабочими элементами ветряной или водяной мельницы «классического» (или барабанного) типа были каменные колеса-жернова. Нижний камень оставался неподвижным, верхний вращался ветряным или водяным колесом. Зерно подавалось по желобу в зазор между камнями и растиралось жерновами в муку. Есть и другие типы мельниц – роликовые, вибрационные, молотковые, струйные, но все они были изобретены гораздо позднее (к примеру, струйные мельницы, в которых зерно измельчается потоком воздуха, изобретение нашего времени).

Водяные и ветряные мельницы просуществовали вплоть до начала 20 века, когда их окончательно вытеснили мельницы с электроприводом. Впрочем, в Голландии, где ветряных мельниц огромное количество, они служат до сих пор в качестве… жилья. Да, ветряные колеса голландских мельниц не производят никакой работы. А в аккуратных деревянных башенках живут люди. Эти своеобразные дома выглядят как классические мельницы, но обставлены и оборудованы по последнему слову техники и очень комфортабельны. Чтобы получить право пожить в такой мельнице несколько лет, нужно заплатить немалые деньги и выстоять длинную очередь. И все равно количество желающих поселиться в старинных мельницах с каждым голом растет.

Любопытная подробность – голландские ветряные мельницы на самом деле никакие не мельницы и никогда ими не были. Ветряные колеса приводили в движение насосы, откачивающие избыток воды. Голландия – страна многочисленных каналов и отвоеванной у моря земли. Чтобы предотвратить наводнения, воду откачивают и направляют в водоотводные каналы. Хотя само понятие «ветряная мельница» у нас ассоциируется с образом голландского ветряка, верно?

Вот вам и еще одно применение ветряного двигателя – откачивание воды. В ирригационной системе Нила подобные устройства — ветряки, приводившие водяные насосы с винтом Архимеда – применялись достаточно широко. При помощи этих насосов осушались болота, вода подавалась по оросительным каналам на поля и по акведукам для всеобщего потребления в города.

Водяное колесо было использовано для привода генератора самой первой гидроэлектростанции. Правда, само колесо при этом претерпело серьезные изменения. Оно превратилось в турбину – колесо, лопасти которого заключены в специальную трубу, повышающие коэффициент полезного действия. Так что мы можем сказать – водяное колесо применяется до сих пор и весьма успешно. Любая гидроэлектростанция, основной источник электроэнергии в современном мире, приводится в действие гидротурбиной, потомком классического водяного колеса.

И водяное, и ветряное колесо можно считать едва ли ни самыми практичными двигателями, поскольку они не требуют никаких эксплуатационных затрат. К примеру, двигатель внутреннего сгорания, установленный на автомобиле, тепловозе, на морском или речном судне требует постоянной заправки жидким топливом. Газотурбинный двигатель самолета и турбины теплоэлектростанций работают на керосине или мазуте. Паровые двигатели нуждаются в твердом топливе – в дровах или угле. А двигателям, использующим природные силы – водяному и ветряному – топливо не требуется вообще.

Использовать водяной двигатель на транспорте невозможно в принципе. Но для выработки ограниченного количества электроэнергии для частных нужд – почему бы и нет? Некоторые компании, специализирующиеся на выпуске средств малой механизации, садовой и дачной техники, производят миниатюрные гидротурбины. Если такую турбину опустить на дно ручья или реки, она будет вырабатывать электроэнергию, подзаряжающую аккумуляторы, от которых, в свою очередь, получают питание осветительные приборы и бытовая техника. Производительность мини-турбин невысока, но вполне достаточна, чтобы обеспечить электроэнергией небольшой дом, исследовательскую метеостанцию или геологическую базу.

Гораздо более широкое применение получили ветряные генераторы. Более того, именно с ветряными двигателями связывают будущее мировой энергетики – как с самым безопасным и самым экологически чистым источником электроэнергии. Для ветряного двигателя не нужны запруды, водохранилища, плотины и какое-либо изменение природного русла реки вообще. Ветряной двигатель не нуждается в топливе и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. Он может применяться и на транспорте – для зарядки аккумуляторов электромобилей, устранив угрозу глобального загрязнения атмосферы выхлопными газами.

Современный ветряной электрогенератор – это высокая металлическая мачта с трехлопастным винтом (хотя лопастей может быть и больше), установленным в поворотный корпус. Корпус винта снабжен простым флюгерным механизмом, который улавливает направление ветра и соответствующим образом поворачивает винт. Ось винта через угловой редуктор соединена с осью электрогенератора. При вращении винта вращается и ось генератора, в обмотках которого индуцируется электрический ток, заряжающий аккумуляторы ветряной электростанции. Аккумуляторы нужны для выравнивания напряжения в электрической сети, так как напряжение на выводах генератора может изменяться и зависит от частоты вращения ветряного винта, то есть от скорости ветра.

Недостатком ветряного электрогенератора является низкий коэффициент полезного действия. Для того чтобы получить большое количество энергии, сравнимое с энергией гидроэлектростанции средней мощности, необходимо установить тысячи ветряков. А увеличивать размер лопастей и, соответственно, мощность генератора, можно лишь до определенного предела, после которого сооружение ветряка становится непомерно дорогим. Поэтому ветряные электрогенераторы применяются пока только в экспериментальных целях и для электроснабжения небольших населенных пунктов в горной местности, где достаточно сильные ветры дуют круглый год.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru