Ветряные мельницы, как и водяные колеса, были одними из первых движущих сил, которые заменили мускулы животных в качестве источника энергии. Они использовались на протяжении веков в разных частях света, преобразуя энергию ветра в механическую энергию для помола зерна, перекачки воды и осушения низменных территорий.
Первое известное духовое устройство было описано Герой Александрийской (ок. I в. н. э.). Оно было создано по образцу лопастного колеса, приводимого в движение водой, и использовалось для привода поршневого насоса, который прогонял воздух через духовой орган для получения звука. Самые ранние упоминания о мельницах для зерна, приводимых в движение ветром, встречаются в арабских сочинениях IX века и относятся к персидскому мельнику 644 года н. э., хотя на самом деле ветряные мельницы могли использоваться и раньше. Эти мельницы, возведенные вблизи нынешней границы Ирана и Афганистана, имели вертикальный вал с лопастными парусами, выходящими наружу, и располагались в здании с диаметрально противоположными отверстиями для входа и выхода ветра. Каждая мельница приводила в движение один комплект камней без зубчатой передачи. Первые мельницы строились с жерновами над парусами, по образцу ранних водяных колес, от которых они произошли. Подобные мельницы были известны в Китае к XIII веку.
Ветряные мельницы с вертикальными парусами на горизонтальных валах попали в Европу благодаря контактам с арабами. Переняв идеи у современных водяных колес, строители стали использовать паруса, обтянутые тканью, с деревянным каркасом, расположенные над жерновом, вместо водяного колеса внизу, чтобы приводить в движение жернова через набор шестерен. Вся мельница со всеми механизмами держалась на неподвижном столбе, чтобы ее можно было поворачивать и направлять против ветра. Изначально мельничный цех был покрыт деревянным каркасом, похожим на коробку, а позже — «круглым домом», который также служил хранилищем. Тормозное колесо на валу позволяло остановить мельницу с помощью ободного тормоза. Чтобы отпустить тормоз, нужно было поднять тяжелый рычаг — ранний пример безотказного устройства. Впервые мельницы такого рода появились во Франции в 1180 году, в районах Сирии, находившихся под контролем крестоносцев, в 1190 году и в Англии в 1191 году. Самая ранняя известная иллюстрация — из псалтыря «Ветряная мельница», изготовленного в Кентербери (Англия) во второй половине XIII века.
Большое усилие, необходимое для вращения мельницы на ветру, вероятно, послужило причиной развития так называемой башенной мельницы во Франции к началу XIV века. Здесь жернов и зубчатая передача размещались в массивной стационарной башне, часто круглой в сечении и построенной из камня или кирпича. Вращаться должна была только верхняя крышка, обычно деревянная и несущая на своем валу паруса. Такие усовершенствованные мельницы быстро распространились по Европе, а затем стали популярны среди первых американских поселенцев.
Наибольшее развитие ветряные мельницы получили в низких странах Европы, где не было подходящих рек для использования водной энергии. Голландские полые почтовые мельницы, изобретенные в начале XV века, использовали двухступенчатый зубчатый привод для дренажных насосов. Вертикальный вал с шестернями сверху и снизу проходил через полый столб и приводил в движение лопастное колесо, похожее на черпак, для подъема воды. Первая лесопилка, приводимая в движение ветром, построенная в 1592 году в Нидерландах Корнелисом Корнелисом, была установлена на плоту, чтобы легко поворачиваться против ветра.
Сначала столбовые мельницы и крышки башенных мельниц вращались вручную на ветру. Позже вокруг мельницы стали устанавливать небольшие столбы, чтобы можно было заводить мельницу с помощью цепи. В конце концов в крышках башенных мельниц стали устанавливать лебедки, которые соединялись с зубчатыми рейками и управлялись изнутри или с земли с помощью цепи, проходящей через колесо. У башенных мельниц парусная опора или хвостовая мачта обычно была наклонена под углом от 5 до 15° к горизонтали. Это способствовало распределению огромного веса паруса на хвостовой опоре, а также обеспечивало больший зазор между парусом и опорной конструкцией. Ветряные мельницы постепенно увеличивались в размерах, и уже в XVI веке были распространены паруса диаметром от 17 до 24 метров. Материалом изготовления, включая все зубчатые передачи, служило дерево, хотя со временем для главных подшипников стали использовать латунь или пушечную бронзу. Чугунные приводы были впервые представлены в 1754 году Джоном Смитоном, вышеупомянутым английским инженером. О реальной мощности, производимой этими мельницами, известно немного. По всей вероятности, на размольных кругах развивалось от 10 до 15 лошадиных сил. Мельница мощностью 50 лошадиных сил была построена только в XIX веке. Максимальный КПД больших голландских мельниц, по оценкам, составлял около 20 процентов.
В 1745 году Эдмунд Ли из Англии изобрел веерный хвост — кольцо из пяти-восьми лопастей, установленных за парусами под прямым углом к ним. Они были соединены шестеренками с колесами, вращающимися по рельсам вокруг крышки мельницы. Когда ветер менял направление, он ударял по бокам лопастей веерного хвоста, выравнивая их и тем самым снова поворачивая главные паруса прямо на ветер. Паруса из ткани на деревянном каркасе иногда заменялись цельнодеревянными парусами со съемными секциями. Ранние паруса имели постоянный угол закрутки; паруса с переменной закруткой, напоминающие современный самолетный пропеллер, были разработаны гораздо позже.
Основной проблемой всех ветряных мельниц была необходимость натягивать паруса или уменьшать их площадь, чтобы при внезапном усилении ветра во время шторма паруса не разорвало на части. В 1772 году Эндрю Мейкл, шотландский мельник, изобрел пружинный парус — жалюзи, похожие на венецианские шторы, в которых паруса управлялись пружиной. Когда давление ветра превышало заданную величину, ставни открывались, чтобы пропустить часть ветра. В 1789 году Стивен Хупер из Англии представил рулонные жалюзи, которые можно было одновременно регулировать с помощью ручной цепи с земли во время работы мельницы. В 1807 году эту систему усовершенствовал сэр Уильям Кьюбитт, который объединил жалюзи Мейкла с дистанционным управлением Хупера, подвесив на регулировочную цепь различные грузы, что сделало управление автоматическим. Однако эти так называемые патентные паруса нашли признание только в Англии и Северной Европе.
Несмотря на дальнейшие усовершенствования, особенно в области контроля скорости, значение ветряных мельниц как основного производителя электроэнергии стало снижаться после 1784 года, когда первая мукомольная мельница в Англии успешно заменила паровой двигатель на энергию ветра. Однако упадок ветряных мельниц был медленным: в XIX веке в районе Заан в Нидерландах насчитывалось до 900 кукурузных (маисовых) и промышленных ветряных мельниц, что является самым высоким показателем. Ветряные мельницы сохранялись на протяжении всего XIX века в недавно заселенных или менее индустриализированных районах, таких как центральные и западные районы США, Канада, Австралия и Новая Зеландия. Они также строились сотнями в Вест-Индии для дробления сахарного тростника.
Главным исключением из постепенного отказа от ветряных мельниц стало возрождение их использования в сельской местности для откачки воды из колодцев. Первый ветряной насос был представлен в США Дэвидом Халлеем в 1854 году. После того как в 1883 году другой американец, Стюарт Перри, начал строить ветряные насосы из стали, оснащенные металлическими лопастями, это новое и простое устройство распространилось по всему миру.
Насосы, приводимые в движение ветром, и сегодня сохраняют свое значение во многих сельских районах мира. Они продолжали широко использоваться даже в Соединенных Штатах в течение всего XX века, пока в сельских районах не появилась дешевая электроэнергия. Хотя они довольно неэффективны, они прочны и надежны, не требуют особого внимания и остаются основным источником для перекачивания небольшого количества воды там, где электричество экономически недоступно.
