Предположительно древнейшие ветровые мельницы были распространены в Вавилоне, о чем свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 до н. э.). Описание органа, приводившегося в действие ветряной мельницей, — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. Оно принадлежит греческому изобретателю Герону Александрийскому, I век н. э. Персидские мельницы описываются в сообщениях мусульманских географов в IX в., отличаются от западных конструкцией с вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями, лопатками или парусами. Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, так как паруса жестко связан с осью, мельница не будет вращаться. Еще один вид мельниц с вертикальной осью вращения известен как китайская мельница или китайский ветряк. Конструкция китайской мельницы значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.
Зафиксировано упоминание о ветряной мельнице в Иране в 644 году, когда в обвинительном акте против некоего Абу Лулуа, убившего халифа Умара ибн ал-Каттаба, он назван «строителем ветряных мельниц». Немногим более чем через 200 лет ветряные мельницы появляются в городке Сиетеке на границе между Ираном и Афганистаном.
Использование мельниц с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащённых поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря.
В XI веке ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и при возвращении крестоносцев попали в Европу. Первое упоминание о ветряной мельнице в Европе, вначале во Франции, относится к 1105 году: в архивах сохранилось разрешение, выданное некоему монастырю на постройку мельницы. Французские хроники 1180 года и английские 1190 года уже прямо говорят о работающих ветряных мельницах, но ещё совсем не о тех, с которыми впоследствии сражался хитроумный идальго Дон Кихот Ламанчский! Это были неуклюжие сооружения с вращающимися в горизонтальной плоскости лопастями, укреплёнными на деревянном корпусе. По принципу действия английские и французские мельницы были однотипными. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны.
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 VII веке нашей эры в Персии.
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.
Таким образом ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора (Приложение 2 Рис. 8 Ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора) известны с 1180 г. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. В XIII веке в Священной Римской империи появились конструкции мельниц, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру.
Экономический расцвет Голландии, куда Петр I (1672–1725) ездил учиться уму-разуму, в XVI веке был вызван именно развитием ветроэнергетики в этой стране. Голландцы успешно перешли от первоначального использования ветряков для осушения низких приморских земель к их приспособлению в качестве привода различных производств. В результате Голландия стала самой энерговооруженной страной в тогдашней Европе.
Наиболее удачную конструкцию ветряной мельницы еще в XVII веке предложил голландец Ян Андриаанезоон (впоследствии во всём мире её стали называть «голландской»). С помощью этой мельницы он осушил 27 озёр, заслужив у соотечественников почётное прозвище «Леегватер» – «опустошитель вод».
Максимальное распространение ветряных мельниц в доиндустриальной Европе наблюдалось в 1700-е годы, когда на равнинах Германии, Италии, России, Украины, Испании и, конечно же, Голландии – классической страны ветряных мельниц – мерно вращали свои крылья деревянные великаны. В 30-х годах XVIII столетия в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота. А к концу XIX века в Голландии их насчитывалось свыше 10 000 (в 1923 г. – только 2500, а в наше время – едва тысяча), а в маленькой Дании – 30 тысяч для бытовых целей и 3 тысячи ветродвигателей, которые использовались в промышленности.
Такое положение дел было в Европе вплоть до появления двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей в XIX веке. Водяные мельницы были распространены в основном в горных районах с быстрыми реками, а ветряные — в равнинных ветреных местностях.
В России ветряные мельницы традиционно использовалась для помола зерна (ветряные мельницы) или подъёма воды. По разным источникам, в Российской империи к началу минувшего столетия насчитывалось более четверти миллиона ветряков. Русские плотники создали множество конструкций мельниц. Из них можно выделить два типа – «столбовки» и «шатровки». Первые были распространены на Севере, вторые – в средней полосе и Поволжье. В «столбовке» мельничный амбар вращался на врытом в землю столбе. Эти мельницы изображены на картинах Айвазовского. Принцип устройства «шатровок» иной: нижняя их часть в виде усеченного восьмигранного сруба была неподвижной, а меньшая по размеру верхняя часть вращалась под ветер. Их можно видеть на полотнах Поленова, Левитана, Серебряковой.
Ветродвигатели для перекачивания воды и размола зерна массово применялись по всей Украине. Украина – страна с многовековыми традициями использования энергии ветра. Как известно из архивных данных, перед 1917 годом общая мощность таких ветряков на территории нынешней Украины составляла 1400 МВт. (Для сравнения: Хмельницкая АЭС имеет мощность 2000 МВт, а суммарная установленная мощность современных ветроэлектростанций в странах Европейского Союза в 1994 году равнялась 1510 МВт). В старину, во времена Гетьманщины, Украиной управляла выбираемая народом администрация – козацкая старшина. Жалования ей не полагалось, деревень тоже никто не раздавал. Но каждый полковник, сотник или иной чиновник высокого ранга обладал монопольным правом на определенные виды деятельности. В первую очередь это касалось помола зерна, который в те времена осуществлялся ветряными мельницами. Сложившийся тогда порядок обеспечил самое широкое распространение ветряных мельниц, надолго ставших неотъемлемой частью украинского пейзажа.
Музей Переяслава-Хмельницкого под открытым небом демонстрирует народное зодчество и быт Среднего Приднепровья. Особой достопримечательностью музея является коллекция украинских ветряков, насчитывающая 14 памятников. Много ветровых мельниц есть и в Пирогово.
Первые промышленные ветроэлектростанции были сконструированы в Дании в 1890 году. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса - в 1929 г., ротор Дарье был запатентован во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г.).
В 1914–1918 гг. Н.Е. Жуковский и его ученики В.П. Ветчинкин, Г.Х. Сабинин, Н.В. Красовский, Г.Ф. Проскура и другие впервые создают теорию ветродвигателей.
Теория и испытания крыла и винта самолёта применяются и к изучению явлений, происходящих при прохождении воздушного потока через ветровое колесо.
Теорию идеального ветроколеса впервые разработал в 1914 г. В.П. Ветчинкин (1888– 1950) на основе теории идеального гребного винта. В этой работе он установил понятие коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом.
В 1920 г. Н.Е. Жуковский изложил теорию «ветряной мельницы типа НЕЖ», где сделан вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом. Аналогичные теории были разработаны позднее в России профессором Г.Х. Сабининым и в Украине харьковским ученым академиком АН УССР (с 1929 г.) Г.Ф. Проскурой (1876–1958).
Теория идеального ветроколеса Н.Е. Жуковского получила название классической теории. Она устанавливает, что максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом равен 0,593.
Наиболее полно с точки зрения практического применения теория идеального ветроколеса изложена профессором Г.Х. Сабининым. Согласно его теории максимальный коэффициент использования энергии ветра ветроколесом равен 0,687. Г.Х. Сабининым разработана также теория реального ветроколеса.
В мире было немного учёных, занимавшихся аэродинамикой ветроколеса: в Германии – руководитель Геттингенской аэродинамической и испытательной лаборатории доктор Альберт Бетц, а также профессор Штутгартского университета Ульрих Хюттер, в США – известный аэродинамик Теодор фон Карман (1881–1963).
У.Хюттер запатентовал несколько десятков изобретений в области ветроэнергетики, опубликовал несколько десятков научных статей и докладов. Он разработал технику экспериментов с установкой дымовой шашки или трассера на лопасти и первый применил её в исследованиях. На конец одной из лопастей ветроколеса уста
навливалась дымовая шашка, которая при запуске поджигалась электрическим током. Уходящий за плоскость вращения спиральный дымовой след сбоку фиксировался на фото-, киноили видеоплёнку (рис. 4.24). Дешифровка снимков позволяла судить об эффективности работы ветроколеса в конкретные моменты времени, когда записывалась скорость ветра, измеренная на метеовышке.
Создание теоретических основ использования энергии ветра активизировало работу изобретателей и конструкторов. Ещё до революции российский изобретатель А.Г. Уфимцев, названный А.М. Горьким «поэтом технический мысли», разработал проект ветровой электрической станции (ВЭС), у которой 56 ветровых электрических установок (ВЭУ) с диаметром ветроколёс по 40 м на высоте 350 м над уровнем земли при скорости ветра 9 м/с должны вырабатывать мощность 100 МВт. Этот проект и в наши дни не утратил актуальности, к тому же строители давно уже сооружают объекты такой и даже большей высоты.
В начале 30-х годов в СССР впервые разрабатывалась ВЭС мощностью 2–25 тысяч кВт. До этого мощность таких станций в мире не превышала 100 кВт. Работа имела огромное государственное значение. В 1932 г. в конкурсе по проектированию сверхмощной ВЭС принимает участие Ю.В. Кондратюк (1897–1941).
В апреле 1933 г. экспертиза проектов ВЭС закончилась победой эскизных проектов Ю.В. Кондратюка и Украинского института промышленной энергетики (УИПЭ, г. Харьков). Получив напутствие наркома Г.К. Орджоникидзе, Юрий Васильевич приезжает в Харьков, где со своим коллективом работает над техническим проектом ВЭС параллельно с группой УИПЭ.
Летом 1934 г. академическая экспертиза рекомендует проект Кондратюка к строительству. Г.К. Орджоникидзе создаёт в Москве контору по строительству КрымВЭС, которая под научным руководством Юрия Васильевича разрабатывает рабочий проект небывалой станции. В 1936 г. началось её строительство на Ай-Петри. Ю.В. Кондратюк спроектировал ВЭС на 12 тыс. кВт, равной которой по мощности нет в мире и поныне. После смерти Орджоникидзе эта работа была свёрнута.
Современные ветряные электростанции (ветрогенераторы) обеспечивают электроэнергией небольшие хозяйства и предприятия.
Украинский ветряк (с картины художника С.И. Свитославського, 1880 г.)
С использованием материалов книги Ивана Плачкова Книга 1. От огня и воды к электричеству http://energetika.in.ua/ru/books/book-1/part-1/section-4/4-5
