Енергията, произведена от вятърните мелници, може да се използва за смилане на зърно или подправки, изпомпване на вода (напояване, отводняване на блата и др.), рязане на дърва и други механични работи, както и за производство на електрическа енергия с помощта на модерни турбини.

За преобразуването на вятърната енергия в механична такава се използват въртящи се лопатки – наричани още платна или перки, които прихващат силата на вятъра и я предават на валове и механизми.

Съвременните вятърни машини за производство на електроенергия се наричат от инженерите вятърни турбини, а в разговорния език често просто вятърни мелници. Тези турбини преобразуват кинетичната енергия на вятъра в механична, а след това в електрическа чрез генератор.

Основните части на типична вятърна мелница са въртящият се ротор (с лопатките), валовете, предавките и работният механизъм в долната част — например каменни жрца за смилане или помпа за вода. Когато вятърът духа, лопатките се завъртат и завъртат главния вал. Чрез система от предавки това въртене се усилва или забавя и се насочва към изпълнителния механизъм (смилане, изпомпване, рязане или генератор за производство на електричество).

Вятърната мелница се различава от вятърната помпа, която често има външна структура и механичен принцип, подобни на тези на вятърна мелница, но има функцията да движи вода.

Вятърната мелница е възникнала в Персия около 3000 години пр.н.е. Други източници свидетелстват за това изобретение около VII век сл.н.е. в района на Систан, сега в Иран. Тя е била поддържана от конструкции, издигнати на кулата на замък или на върха на хълм; горното отделение е помещавало воденичните камъни, а долното – ротора. Използвала се е за производство на брашно и други неща.

Вятърната мелница на гръцкия инженер Херон от Александрия през първи век сл. Хр. е най-ранният пример за използване на задвижвано от вятър колело за производство на енергия.

В източното Средиземноморие в миналото е бил разпространен и модел на вятърна мелница, наречена финикийска мелница, при която лопатките са били разположени вътре в корпуса на сградата, който е бил с цилиндрична форма. Прозорците са насочвали въздуха навътре, движейки лопатките. Този тип мелница е бил подходящ за райони със слаби ветрове и непостоянна посока. Пример за финикийска мелница се намира в община Борджо Вереци в провинция Савона, Северозападна Италия.

В Италия, древни шестлопаткови вятърни турбини, консервирани или реставрирани, все още се използват в Природния резерват „Солниците Трапани и Пачеко“ (защитена природна зона в Сицилия), служейки като вятърни мелници за смилане на сол или като хидравлични помпи за изпомпване на морска вода от един басейн в друг.

Хоризонтални вятърни мелници

Първите вятърни мелници са имали лопатки, които са се въртели около вертикална ос. Според Ахмад Й. ал-Хасан, този тип е изобретен в Източна Персия, както е съобщено от персийския географ Естахри през девети век. Автентичността на древен анекдот за вятърна мелница, свързан с втория халиф Умар (634–644 г. сл. Хр.), е съмнителна, тъй като документът изглежда датира от X век.

Те имали от 6 до 12 остриета, покрити с тръстикови рогозки, и били използвани за смилане на зърно или извличане на вода; те се различавали от по-новите европейски. Широко използвани в Близкия изток и Централна Азия, тези вятърни мелници по-късно са се разпространили в Китай и Индия.

В Европа малкото хоризонтални вятърни мелници са построени през XVIII и XIX век, например мелницата „Фаулър“ в квартал Батерси, Лондон, и мелницата „Хупър“ в английския град Маргейт, графство Кент. Тези ранномодерни модели изглежда не са били под пряко влияние от Близкия и Далечния изток и са резултат от инженерна работа под натиска на Индустриалната революция.

_{Персийските мелници в град Нащифан, Иран. Имат вертикална ос, дървени остриета и покрити с кал конструкции (Credit: Hadidehghanpour, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons)}

Вертикални вятърни мелници

Поради липсата на доказателства, сред историците се води дебат дали хоризонталните мелници от Близкия изток са играли важна роля в развитието на европейските мелници. В Югозападна Европа се смята, че мелниците с хоризонтална ос или вертикалните мелници (наречени така заради равнината на движение на лопатките) са възникнали през XII или XIII век в Северна Франция, Южна Англия и Фландрия.

Първите са засвидетелствани през 1185 г. в английското село Уийдли (Йоркшир), разположено срещу естуара Хъмбър. Открити са и някои по-ранни, но с по-несигурна датировка (европейски източник от XII век). Те са били използвани за смилане на зърно.

Стълбови вятърни мелници

Най-ранните примери за европейски вятърни мелници в момента са стълбовите мелници, наречени така заради големия вертикален прът, върху който се крепи цялата конструкция. Чрез монтиране на тялото по този начин, мелницата може да се завърта, за да се обърне вятърът, което е основно изискване за ефективна работа на всяка вятърна мелница в северозападна Европа, където посоката на вятъра е променлива. Тялото съдържа всички механизми. Първите стълбови мелници са били от потънал тип, при който прътът е бил затворен в могила за опора. По-късно е разработена дървена рамка, често покрита отгоре или заобиколена от купол, за да се предпази от валежи и да се създаде място за съхранение. Този тип мелница е бил най-разпространен в Европа до деветнадесети век, когато е заменен от по-мощни, като кулови мелници и мелници тип „сок“.

_{Вятърната мелница в град Несебър (Credit: www.vacacionesbulgaria.com, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons)}

Кулообразни мелници

В края на XIII век са въведени зидани конструкции, които, за разлика от стълбовата мелница, са могли да въртят само главата на мелницата, а не цялото тяло. Въпреки че са били по-скъпи за изграждане, те са станали широко разпространени, защото разрастващата се икономика е изисквала по-стабилни енергийни източници. Тъй като се е движила само главата на мелницата, носещата конструкция е можела да бъде много по-висока и следователно лопатките са можели да бъдат по-дълги; това е позволявало работа дори при слаб вятър. Главата на мелницата е можела да се върти по посока на вятъра или чрез лебедки или зъбни колела вътре в мелницата, или чрез лебедка, монтирана извън мелницата на задното седло. Един от методите за автоматично поддържане на посоката на вятъра е използването на опашен ротор, монтиран перпендикулярно на лопатките в задната част на мелницата, които също са били монтирани на задните седла.

Те са били често срещани във Великобритания и други англосаксонски страни от Британската империя, в Дания и Германия, но рядко срещани другаде. В някои части на Средиземноморието са били строени фиксирани вятърни мелници, защото посоката на вятъра не се е променяла често.

Механизъм

Лопатки

Обикновените лопатки на вятърните мелници се състоят от решетъчна структура, към която е закрепено платното. Мелничарят може да регулира удължителната повърхност на платната според необходимата мощност. В средновековните вятърни мелници, покритията на лопатките са преминавали между отворите на конструкцията на платното. По-късно мелниците са били построени с решетъчна структура, върху която е било разпределено платното; в студен климат платното е било заменено от дървени плочи , които са били по-лесни за управление при условия на замръзване. Стреловидно платно е често срещано в средиземноморските страни и се състои от прост триъгълник от плат, увит около мачта.

Във всички случаи, мелницата трябва да може да спира, за да регулира остриетата си. Британските изобретения от XVIII и XIX век довеждат до остриета, които автоматично се настройват към интензивността на вятъра без намесата на мелничаря (остриета, патентовани от английския инженер и механик Уилям Кюбит през 1807 г.). При тях платненото покритие е заменено от механизъм от взаимосвързани капаци.

Във Франция Пиер-Теофил Бертон-баща, производител и монтьор на каруци, и Пиер-Теофил Бертон-син, машинен конструктор, изобретяват система, известна като „крило на Бертон“, система от платна или дърмвени плочи за вятърни мелници, които могат да се регулират от земята, благодарение на механизъм, свързан с надлъжните лопатки, който позволявал отварянето и затварянето им, като по този начин адаптира площта на платната към различните вятърни условия. Тази система, патентована през 1839 г., e подобрила значително ефективността и безопасността на вятърните мелници, позволявайки на мелничаря да контролира по-добре мощността на мелницата и да я предпазва по време на бури.

През ХХ век, по-задълбочените познания за аеродинамиката, дължащи се на развитието на самолета, водят до по-нататъшни подобрения в ефективността (например, благодарение на немския инженер Билау и няколко холандски мелничари).

Повечето вятърни мелници имат четири витла. Мелници с множество витла (пет, шест или осем) са построени във Великобритания (особено в и около графствата Линкълншир и Йоркшир), в Германия и в по-малка степен другаде. По-ранни вятърни мелници с множество платна се срещат в Испания, Португалия, Гърция, части от Румъния, България и Русия. Предимството на по-големия брой платна е, че мелницата може да работи дори ако едното платно е повредено, като се премахне противоположното платно, за да се балансира.

В Нидерландия неподвижното положение на лопатките на вятърната мелница се използва за комуникация: леко накланяне на платната пред вятърната мелница изразява радост, а накланяне към конструкцията показва траур. Следвайки този обичай, вятърните мелници в страната биват разположени като знак на траур след катастрофата с полет 17 на Malaysia Airlines през 2014 г., която отнема 298 живота, 193 от които холандци (нидерландци).

Механика

Зъбните колела на вятърната мелница насочват мощността, генерирана от въртенето на лопатките, към механично устройство. Лопатките са монтирани на опорен вал, който може да бъде направен изцяло от дърво, от дърво с железен връх в края (където са монтирани платната) или изцяло от желязо. Дисковата спирачка е монтирана на вала, който поддържа лопатките между предната и задната опора. Спирачката е около външната страна на колелото и има зъби отстрани на колелото, които задвижват хоризонталното зъбно колело, наречено wallower (анг. търкаляне), в горната част на вертикалния изправен вал. Това зъбно колело задвижва един или повече каменни зъбци, които управляват всеки воденичен камък. Мелниците с пръти понякога имат главен или заден ротор, който задвижва каменните зъби директно, вместо да използва шпората. Допълнителни зъбни колела задвижват телфер или друга машина.

Смята се, че броят на вятърните мелници в Европа в разцвета им е бил около 200 000, много по-малко от броя на водните мелници (500 000). Вятърните мелници са били използвани в региони с недостатъчна вода, където потоците замръзват през зимата и на равнинен терен, така че скоростта на водата е била твърде ниска, за да генерира необходимата енергия. С настъпването на Индустриалната революция вятърните и водните мелници губят значение като източник на енергия и в някои случаи са заменени от парни двигатели (в парни мелници ) и двигатели с вътрешно горене; въпреки това, многобройни вятърни мелници продължават да се строят до XIX век. Днес вятърните мелници са запазени заради историческата си стойност; някои са запазени неподвижно, защото древните зъбни колела са твърде крехки и биха могли да се счупят, ако бъдат задвижени; други все още са напълно функционални.

От 10 000 вятърни мелници, използвани в Холандия (днес Нидерландия) през 1850 г., приблизително 1000 все още съществуват. Повечето се поддържат от доброволци, а някои все още се използват с търговска цел. Областта Заан е определена като първата индустриализирана зона в света, с приблизително 600 вятърни мелници в експлоатация до края на XVIII век.

_{Вятърна мелница в Китай (Credit: 江上清风1961, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons)}

Строителството на мелници става широко разпространено в Капската колония през XVII век. Ранните мелници не успяват да оцелеят при бурите на Капския полуостров, така че през 1717 г. крал Хенри XVI изпраща дърводелци, зидари и материали, за да построят по-издръжлива мелница. Завършена през 1718 г., тя става известна като Oude Molen; намирала се е между гара Пайнланд и Блек Ривър. Дълго след разрушаването ѝ името ѝ продължава да се помни чрез техническия институт в Пайнландс. До 1863 г. в град Кейптаун, Южна Африка, има 11 мелници, разположени от остров Паарден до Моубрей (едно от южните предградия на Кейптаун).

Вятърни мелници в България

Вятърните мелници са разпространени в Добруджа, по крайбрежието на Черно море и в Горнотракийската низина, където липсва възможността за построяване на воденици. В Добруджа вятърните мелници са с 4 или 6 дъсчени крила. След Освобождението започват да се появяват мелници с платнени и повече на брой крила. Устройството им позволява да се завърта цялата постройка по посока срещу вятъра. Върху каменна основа с ширина около 5 м, оградена с дъбови греди, е забит дъбов стълб със страни около 40 cм и височина над основата 160 cм. Постройката е на два етажа. Първият е с височината на средищния кол, а втория – 190 cм и е във вид на еркер. Нагоре завършва със стръмен покрив, като цялата височина на вятърната мелница достига до около 6 м. Мелничните камъни се намират на втория етаж, обикновено един комплект.

Оста на вятърните перки е разположена в лагера на предната и задната стена на горния етаж. Близо до предната стена на оста има голямо зъбчато колело, движещо дървена главина с четвъртити длабове и с четвъртита желязна ос.

Българските преселници в Добруджа от XVIII и XIX в. са заварили вятърните мелници. Признак за това е запазената изцяло турска терминология.

Предимства и ограничения

Предимства: възобновяем източник на енергия, ниски оперативни разходи след инсталиране, липса на директни емисии при работа.

Ограничения: зависимост от наличието и силата на вятъра, променливо производство на енергия, визуално и шумово въздействие в някои места, възможно въздействие върху птици и прилепи.

В изкуството и културата

В романа на Мигел де Сервантес „Знаменитият идалго Дон Кихот де ла Манча“ (първата публикация на първата част е през 1605 г., а на втората – през 1615 г.) е описана сцена, в която Дон Кихот напада вятърни мелници. Той смята, че те са жестоки великани. Поради това Ла Манча и нейните вятърни мелници са известни. Оттам произлиза и английския идиом tilting at windmills („накланяне на вятърни мелници"). Този израз означава „атакуване на въображаем противник“. Прословутата фраза „да се бориш с вятърни мелници“, образно казано, означава безсмислено действие.

„Ветрената мелница“ е разказ от Елин Пелин за българското село, публикуван за пръв път през 1902 г. Разказът е включен във филма „Сиромашка радост“ (1958), режисиран от Антон Маринович.

„Мулен Руж" (на френски: Moulin Rouge), името на известното кабаре в Париж, в превод означава „Червена вятърна мелница“.

В Германия в някои региони в миналото има различни системи за съобщения, които са свързани със сравнителната отдалеченост на тези мелници от останалите селища. При необходимост от използването на техните услуги е било подходящо клиентите да могат да разберат дали те работят или не. Когато крилата на мелниците се въртят това е знак, че има вятър и те работят. Когато не се въртят заради спиране по други причини, положението, на което крилата са спрели показват каква е причината. Съществува и т.нар. „Език на мелницата“ (на немски: Mühlensprache) или „Език на крилата“ (на немски: Flügelsprache), който се отнася до формата на комуникация, която позволява на мелничаря да предава различни широко видими сигнали чрез позицията на крилата на мелницата (когато са в покой).