Ветряная мельница, устройство для использования энергии ветра с помощью парусов, установленных на вращающемся валу. Паруса устанавливаются под углом или слегка закручиваются, так что сила ветра, направленная против них, разделяется на две составляющие, одна из которых, в плоскости паруса, придает вращение.
Как и водяные колеса, ветряные мельницы были одними из первых тягловых механизмов, заменивших человека в качестве источника энергии. Ветряные мельницы получили широкое распространение в Европе с XII века до начала XIX века. Их медленный упадок, вызванный развитием паровой энергии, продолжался еще 100 лет. Их быстрый упадок начался после Первой мировой войны с развитием двигателя внутреннего сгорания и распространением электроэнергии; с тех пор, однако, производство электроэнергии с помощью энергии ветра становится предметом все новых и новых экспериментов.
Самые ранние упоминания о ветряных мельницах относятся к персидскому мельнику в 644 году н.э. и к ветряным мельницам в Сеистане (Персия) в 915 году н.э. Эти ветряные мельницы относятся к типу горизонтальных мельниц, с парусами, расходящимися от вертикальной оси, расположенной в неподвижном здании, в котором имеются отверстия для входа и выхода ветра, расположенные диаметрально противоположно друг другу. Каждая мельница приводит в движение одну пару камней напрямую, без использования зубчатых колес, а сама конструкция заимствована у самых ранних водяных мельниц. Персидские мастера-мельники, взятые в плен войсками Чингисхана, были отправлены в Китай для обучения строительству ветряных мельниц; с тех пор они используются для орошения.
Вертикальная ветряная мельница с парусами на горизонтальной оси происходит непосредственно от римской водяной мельницы с ее приводом камней под прямым углом через одну пару шестерен. Самая ранняя форма вертикальной мельницы известна как почтовая мельница. Она имеет коробчатый корпус, в котором размещены зубчатые колеса, жернова, механизмы и паруса. Она установлена на хорошо укрепленном деревянном столбе, вмонтированном в горизонтальную балку на уровне второго этажа корпуса мельницы. На ней он может поворачиваться так, чтобы паруса были направлены против ветра.
Следующим шагом стало размещение камней и зубчатых колес в неподвижной башне. У нее подвижная верхняя часть, или крышка, которая несет паруса и может поворачиваться на рельсе, или бортике, на вершине башни. Самая ранняя известная иллюстрация башенной мельницы датируется примерно 1420 годом. Как столбовые, так и башенные мельницы можно было встретить по всей Европе, их строили и поселенцы в Америке.
Для эффективной работы паруса ветряной мельницы должны быть направлены прямо на ветер, поэтому на ранних мельницах поворот корпуса столбовой или башенной мельницы осуществлялся вручную с помощью длинного хвостового столба, протянутого до земли. В 1745 году Эдмунд Ли в Англии изобрел автоматический веерный хвост. Он представляет собой набор из пяти-восьми небольших лопастей, установленных на хвостовом столбе или лестнице столбовой мельницы под прямым углом к парусу и соединенных зубчатой передачей с колесами, движущимися по дорожке вокруг мельницы. Когда ветер отклоняется, он ударяет по бокам лопастей, поворачивает их, а значит, и колеса, которые поворачивают корпус мельницы, пока паруса снова не окажутся под прямым углом к ветру. Веерный хвост также может быть установлен на крышках башенных мельниц, приводя в движение зубчатую рейку на бортике.
Паруса мельницы крепятся на оси, или валу, наклоненном вверх под углом от 5° до 15° к горизонтали. Первые мельничные паруса представляли собой деревянные рамы, на которых расстилалась парусина; каждый парус устанавливался отдельно, когда мельница находилась в состоянии покоя. Первые паруса представляли собой плоские плоскости, наклоненные под постоянным углом к направлению вращения; позже их стали делать с закруткой, как у пропеллера самолета.
В 1772 году шотландец Эндрю Мейкл изобрел пружинный парус, заменив парусину откидными ставнями, как у венецианских штор, и управляя ими с помощью соединительной планки и пружины на каждом парусе. Каждая пружина должна была регулироваться отдельно, когда мельница находилась в состоянии покоя, в зависимости от требуемой мощности; в результате паруса стали, в определенных пределах, саморегулирующимися.
В 1789 году Стивен Хупер в Англии использовал рулонные жалюзи вместо ставней и придумал дистанционное управление, позволяющее регулировать все жалюзи одновременно, пока мельница находится в работе. В 1807 году сэр Уильям Кьюбитт изобрел свой «патентный парус», объединивший шарнирные жалюзи Мейкла с дистанционным управлением Хупера с помощью цепи от земли через стержень, проходящий через отверстие, просверленное в ветровом вале; операция была сравнима с управлением зонтиком; варьируя грузы, подвешенные на цепи, паруса стали саморегулирующимися.
Ветряной насос с кольцевым парусом был разработан в США Дэниелом Халлади в 1854 году, а его изготовление из стали Стюартом Перри в 1883 году привело к повсеместному распространению, поскольку, несмотря на свою неэффективность, он был дешевым и надежным. Конструкция состоит из нескольких маленьких лопастей, расположенных радиально в колесе. Управление осуществляется автоматически: рысканье — хвостовой лопастью, а крутящий момент — смещением колеса относительно вертикальной оси рысканья. Таким образом, при усилении ветра мельница поворачивается вокруг своей вертикальной оси, уменьшая эффективную площадь и, следовательно, скорость.
Наиболее важным применением ветряной мельницы было измельчение зерна. В некоторых районах ее использовали для осушения земель и перекачки воды. В качестве источника электроэнергии ветряная мельница используется со времен мельницы П. Ла Кура, построенной в Дании в 1890 году с патентными парусами и сдвоенными веерами на стальной башне. Интерес к использованию ветряных мельниц для производства электроэнергии, как в одиночном, так и в коммерческом масштабе, возродился в 1970-х годах.
