Vjetrenjača

Vjetrenjača se prvenstveno odnosi na mlin koji pretvara energiju vjetra u rotacionu energiju pomoću krila koja se nazivaju jedra. Vjetrenjače su se prvi put pojavile u Persiji u 9. vijeku nove ere. Vjetrenjače se, pored vodenica koje koriste hidroenergiju, do pronalaska motora, smatraju za prve ili rane motore predindustrijskog doba. Korišćene su najviše kao mlin za mlevenje žitarica, pumpa za vodu ili pumpna stanica, potom za obradu materijala - pilana i mlin za ulje. Današnji vjetrogeneratori su naslednici vjetrenjača.

Vjetrenjača u Kinderdajku, Holandija. Od 1997. godine upisane su na listu svetske kulturne baštine UNESKO-a.

Istorija

Šematski rekonstruisan prikaz Heronovih orgulja koje pokreće točak na vetar - vjetrenjača.

Poreklo i nastanak vjetrenjače nije potpuno utvrđeno zbog nedostatka pouzdanih izvora. Tačna saznanja o starosti vjetrenjača, kao i o njihovom poreklu nisu dostupna. Pisani izvori iz Antičkog doba kao što je Hamurabijev zakon ukazuje da su prve vetrenjače sagrađene pre više od 4.000 godina. Međutim, ne postoji kvalitetan materijalni dokaz da su Antički narodi kao što su Egipćani, Feničani, Grci i Rimljani znali za vjetrenjače. Takođe, postoji pisani izvor koji navodi da je Heron iz Aleksandrije izumeo točak na vetar u 1. veku nove ere. Antički narodi su svakako bili svesni potencijalne snage vetra, koristeći uspešno jedra na svojim lađama, te da je moguće da su razvili neku ranu primitivnu formu vjetrenjače koja nije imala korisnu i masovnu primenu.

Persijske vjetrenjače u Naštifanu, današnji Iran blizu granice sa Avganistanom. Smatra se da su stare 1000 godina.

Maketa persijske vjetrenjače u njemačkom muzeju u Minhenu.

Persijske vetrenjače koje su konstruisane sa vertikalnom osom rotacije i vertikalnim krilima, lopatama ili jedrima prema izveštajima islamskih geografa nalaze se u upotrebi u istočnoj Persiji u 9. vijeku nove ere, a da se njihov razvoj može pratiti od 5. vijeka. Persijske vjetrenjače su imale vertikalnu osovinu i 6-12 jedara pokrivenih trskom ili platnom, a korišćene su za mljevenje žitarica i pumpanje vode. Uz pisane i materijalne dokaze danas je šire prihvaćeno da su vjetrenjače našle prvu korisnu primenu u Persiji. Značajno je napomenuti da je persijska vjetrenjača sa vertikalnom osovinom analogična sa vodenicom sa vertikalnom osovinom koju pokreće horizontalni vodenički točak a za koju se smatra da je nastala daleko ranije na Bliskom istoku u Helenističko doba.

Kineska vjetrenjača.

Drugi tip vjetrenjače sa vertikalnom osom rotacije ali sa sklopivim krilima je poznat kao kineska vetrenjača. Krila ili jedra mogu se lako montirati na način da se automatski prilagođavaju smjeru vjetra te se zbog toga mogu duže koristiti. Nejasno je da li su starije persijske ili kineske vjetrenjače. Jedna grupa istoričara smatra da je tehnološki kulturni uticaj išao pravcem od Persije, preko srednje Azije i Avganistan do Kine, dok druga grupa smatra da je kulturni uticaj išao obrnutim pravcem. Treća grupa istoričara smatra da persijske i kineske vjetrenjače nastale nezavisno jedna od druge. Tehnologija kineske verzije razlikuje se od persijske jer koristi samopodešavajuća krila bez zidane konstrukcije. Persijske vjetrenjače smeštene su u poluotvorenu zidanu konstrukciju. Dodatno zbunjuje vrijeme nastanka kineske vjetrenjače. Šire je prihvaćeno da su kineske vjetrenjače nastale oko 1000. godine nove ere. Pretpostavlja se da je njihov ravoj započeo od 5. vijeka nove ere. Od dinastije Ming (1386–1644), Kinezi su koristili vjetrenjače za pumpanje vode u polja i u solanama za proizvodnju soli, kao i za dobijanje poljoporivrednih nusproizvoda. Prvo spominjanje vjetrenjače u kineskim izvorima je iz 1219. godine, a reč je o putopisu iz Turkmenistana. Međutim, ovo bi mogao više biti opis persijske vjetrenjače na koju je naišao kineski putopisac. Zanimljivo da je u provinciji Đangsu zabeleženo da je 1959. godine radilo više od 200.000 vjetrenjača.

Engleski srednjovekovni prikaz vjetrenjače, oko 1340. godine.

Vjetrenjače u Zapadnom Sibiru 1912. godine. Izvorni evropski tip vjetrenjače ipak je opstao do početka 20. vijeka. Fotografija Sergeja Prokudina-Gorskog.

Vjetrenjače sa horizontalnom osom rotacije javljaju se u Flandriji, jugoistočnoj Engleskoj i Normandiji tokom razvijenog srednjeg vijeka. Pojedini istoričari smatraju da ovaj tip vjetrenjače nezavisni evropski izum. Danas se među istoričarima vodi rasprava da li su persijske vertikalne vjetrenjače uticale na nastanak evropskih horizantalnih vjetrenjača. Jedan od prvih zapisa o vjetrenjači zabeležen je 1185. godine, u Jorkširu, u Engleskoj. Jedna grupa istoričara smatra da je do inspiracije i razvoja evropskih vjetrenjača došlo u vrijeme Krstaških ratova. Osim specifične horizontalne ose glavna karakteristike je da je mehanizam smešten u zatvorenoj drvenoj kući - mlinu, koja se ručno cela mogla da okrene kako bi se mogao da uhvati smjer vjetra. Vredi napomenuti da je ova vjetrenjača analogična sa vodenicom sa horizontalnom osovinom koju pokreće vertikalni vodenički točak koja je nastala znatno ranije.

Vjetrenjače La Manča, koje su ovekovečene u romanu Don Kihot. Iz ovog romana proistekla je fraza „borba sa vjetrenjačama".

Vjetrenjača u Nesebaru, Bugarska.

Arapske vjetrenjače su dospele na Iberijsko poluostrvo sa širenjem Islama i tamo su poboljšane. U doba renesanse i reformacije, u Holandiji i Engleskoj, vjetrenjače se stalno unapređuju do 18. vijeka kada počinju da se šire na veći deo Evrope ali i u Novi svet. U kasnom Srednjem vijeku i na početku renesanse vjetrenjače su inspirisale prve autore crteža letelica ali i kreatore prvih praktičnih letelica - igrački. Na tlu Srbije vjetrenjače, odnosno mlin koji tjera vjetar, prvi put se spominju tokom Osmanskog carstva, u prvoj polovini 17. vijeka. Na Balkanu tokom osmanskog perioda najverovatnije je bio zastupljen prvobitan evropski tip vjetrenjače o čemu i danas svedoče sačuvani primerci istog tipa vjetrenjača u Grčkoj i Bugarskoj. U Holandiji se razvija vjetrenjača kod koje se samo vrh okreće. Ove vjetrenjače su imale fiksnu drvenu konstrukciju koja je u svom sklopu imala mehanizam za mlevenje i pokretni vrh koji su činili krov, jedra, vratilo i kočnice. Na ovaj način se obrtao samo vrh u pravcu vjetra, a ne cela građevina kao do tada. Ova tehnologija omogućila je da vjetrenjače postanu veoma velike i da obavljaju više poslova istovremeno. Zlatno doba vjetrenjača u Holandiji je 18. vijek kada je u ovoj maloj zemlji ali kolonijalnoj sili zabeleženo čak 10 hiljada vjetrenjača. Koriste se za mljevenje brašna i pumpanje vode, a kasnije i za odvajanje zrnja od stabljike, pilane i druge potrebe.

Vjetrenjača u Sentandreji.

Vetrenjača u Muzeju na otvorenom u Sentandreji, Mađarska.

Jedna od prvih vjetrenjača u Austrijskom carstvu sagrađena je 1768. godine od strane stolara u Bratislavi. U vrijeme Austrijskog carstva u današnjoj Vojvodini, u Srbiji, prvu vjetrenjaču je sagradio Agošton Kiš 1794. godine na svom posedu i selu Elemir nakon povratka iz Holandije. Zlatno doba vjetrenjača u Vojvodini je 19. vijek kada ih je najviše izgrađeno, a zasnovane na holandskom tipu predstavljale su prava remek-dela svog doba. Najviše ih je bilo 282, pojedine su bile u funkciji i do 70-tih godina 20. vijeka. Primera radi, samo u selu Melenci je tada zabeleženo čak 8 vjetrenjača, a u Čurugu 7. U to doba, nakon više vijekova evolucije i razvoja vjetrenjače su dostigle svoj tehnološki vrhunac. Krajem 19. vijeka njihov broj postepeno se smanjivao zbog konkurencije parnih mlinova, ali čak i na prijelazu u 20. vijek izgrađene su nove vjetrenjače. Na početku 21. vijeka ostalo je samo 11, a nijedna nije u funkciji.

Bošnjakova vjetrenjača (bez mehanizma-nefunkcionalna) iz 1899. godine u selu Melenci, Srednji Banat. Iako postoji plan za restauraciju i rekonstrukcije ove vjetrenjače od strane zavoda za zaštitu kulturnih spomenika u Zrenjaninu do obnove nije došlo zbog nedostatka finansijskih sredstava.

Vjetrenjača (bez mehanizma) u Čurugu. Nekad se brašno sa čuruških vjetrenjača moglo naći u Novom Sadu.

Maketa vjetrenjače u Etnografskom muzeju u Beogradu.

Mlinar koji je radio u vetrenjači zvao se vetrenjar ili vetrenjičar. Iako su nastale po uzoru na holandske, uglavnom drvene, panonsko-vojvođanske vjetrenjače sa dvoje vrata i sa po dva ili tri prozora razlikuju se po tome što su zidane građevine. Vetrenjače su zidane u obliku zaobljene kupe, nekoliko meseci, obično jedno leto, u čemu je pomagalo celo selo. Tom prilikom bi se ugradile pečene opeke i nepečeni čerpići. Kompletan mehanizam vjetrenjače izuzev kamena, bio je izgrađen od drveta. Krila su izgrađena od čamovine u obliku širih merdevina, sva četiri krila učvršćena su na bagremovom krstaku i to se sve okreće na debeloj osovini - vretenu. Unutar same vjetrenjače, uz pomoć drvenih zupčanika, obrtanje se prenosi na vertikalnu osovinu ili popu. Pri dnu vjetrenjače, gde se nalazi glavni mehanizam za mlevenje, postavljen je na „popi" veliki zupčanik, brzo kolo, i nešto više manji zupčanik - sporo kolo. U vjetrenjači postoje tri kamena. Ako je slab vetar radio je samo jedan kamen, pri jačem vetru uključio bi se i drugi kamen, a pri snažnom vetru radilo bi sva tri kamena. Kamen je uvek morao biti obrađen. Njegova masa je iznosila 1.300 kg. Gornji deo vjetrenjače sa krovom bio je pokretan, i sa strane je imao dva dugačka drveta tzv. kurjake, uz pomoć kojih su vetrenjičari krila usmeravali tačno prema vetru, a pravac vetra su pored ostalih načina tačno određivali i pomoću vetrokaza „petla" postavljenog na vrhu vjetrenjače.

Vjetrenjača za pumpanje vode iz 1900. godine u selu Šušara, Deliblatska peščara, Južni Banat. Projektantski biro Gustav Ajfel. Neuspešno restaurirana 2011/12. godine. Ovakve vjetrenjače su bile najmasovnije na stočarskim farmama u sušnim predelima Južne i Sjeverne Amerike, kao i u Australiji.

Vjetrenjača u Šušari.

Od početka industrijskog doba do danas upotreba mehaničkih vjetrenjača u svijetu je skoro potpuno prestala zbog širenja parne mašine i kasnije, električnih motora i motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Krila ili jedra su u prošlosti bili prekriveni platnom, trskom ili drvenim pločicama, a u novije vrijeme se uglavnom koristi elisa (propeler) od metala ili plastične mase, koja ima bolju efikasnost. U Holandiji i danas postoji u ruralnim i urbanim sredinama značajan broj tradicionalnih vjetrenjača, a građani im pružaju podršku tako što kupuju njihovo brašno. Male vjetrenjače jednostavne konstrukcije sa više lopatica za pumpanje vode masovno su se koristile širom SAD od 1870. do 1970. godine. Procenjuje se da je u tom periodu instalirano oko 6 miliona vjetrenjača. Zanimljivo da se jedan takav tip vjetrenjače nalazi u selu Šušara u Deliblatskoj peščari, a potiče sa početka 20. vijeka.

Prva automatski operativni vetrogenerator, izgrađen u Klivlendu 1887. od strane Čarlsa Braša. Visok 60 ft (18 m), mase 4 tone, pokreće 12 kW generator.

Preostale vjetrenjače, vodenice, suvače i đermi u Vojvodini predstavljaju veliku kulturnu zaostavštinu predindustrijskog doba. Zanimljivo da su zbog veoma snažnog jugoistočnog vjetra - Košava - u južnom Banatu na početku 21. vijeka sagrađeni jedni od prvih vjetroparkova u zemlji (Alibunar, Kovačica i Čibuk).

Prvi vetrogenerator sa vertikalnom osom koja je proizvodila električnu energiju projektovao je škotski profesor Džejms Blajt u Glazgovu 1887. godine. Prvi vetrogenerator sa horizontalnom osom napravio je Čarls Braš 1888. godine u Klivlendu, i uz pomoć nje je snabdevao svoju kuću električnom energijom. Od kraja 19. vijeka počinje upotreba vjetrenjača i za proizvodnju električne energije (vjetroelektrana), ali tek u zadnje vrijeme u većim količinama. Proizvodnja električne energije iz vjetroelektrana je porasla 5 puta od 2000. do 2007. godine.

Vjetrenjače sa vertikalnom osovinom

Anemometar, jednostavna vjetrenjača sa vertikalnom osovinom

Jednostavne za izradu, velikog obrtnog momenta, izdržljive, i većina bez potrebe da se okreću „u vjetar“, ovo su bile prve vjetrenjače u upotrebi u Persiji i Kini. Jedra su bila pokrivena sa trskom ili platnom. U današnje vrijeme dolazi do rasta interesovanja za ovu vrstu vjetrenjača, pogotovo za manje ili amaterske instalacije.

U dizajne ove vrste spadaju:

• anemometar - jednostavna sprava za mjerenje brzine vjetra, sa šupljim polukuglama za „hvatanje“ vjetra
• Savonius (Savonius) turbina
• Darius (Darrieus) turbina i mnoge druge vrste, kojima je zajedničko to što im je osovina vertikalna.

Vjetrenjače sa horizontalnom osovinom

Rani tip vjetrenjače sa horizontalnom osovinom, Paros, Grčka. Rotor ne može da se okreće „u vjetar"

Prvobitno u nepokretnom tornju tamo gdje je vjetar stalnog smjera, kasnije verzije u zapadnoj Evropi se grade sa pomičnim tornjem, koji se ručno usmjerava „prema vjetru“ (engl. post windmill). Krajem 18. vijeka se uvodi niz inovacija koje su omogućile automatsko okretanje vjetrenjače „u vjetar“, uglavnom uz pomoć repa ili dodatne male vjetrenjače koja je okretala vrh tornja. Potpuno potisnute pojavom parnih mašina, elektromotora i motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, sve više se vraćaju u upotrebu u izmijenjenom obliku za proizvodnju električne energije kao (vjetroelektrane).

Proračun dobijene snage

Snaga koja je prenijeta na rotor vjetrenjače je proporcionalna površini koju pokriva rotor, gustini vazduha i kubu (trećem stepenu) brzine vjetra.

Dakle teoretska korisna snaga je:

$P={\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}\alpha \rho \pi r^{2}v^{3}$,

gdje je

• P = snaga u W,
• α = faktor iskorišćenja,
• ρ = gustina vazduha u Kg/m³,
• r = radijus turbine u m, i
• v = brzina vazduha u m/s.

Pošto vjetrenjača uzima energiju od vazduha, brzina vazduha pada. Albert Bec, njemački naučnik, je ustanovio 1919. da vjetrenjača može da iskoristi najviše 59% od teoretske energije vjetra.

Kao primjer:

Recimo da je 15 °C na nivou mora i gustina vazduha je 1.225 Kg/m³. Vjetar brzine 8 m/s (28.8 Km/h) kroz rotor dijametra 100 m će pronijeti 77000 Kg vazduha kroz prostor krakova rotora turbine (vjetrenjače).

Ukupna snaga je 2.5 MW, ali samo 1.5 MW može da se iskoristi zbog Becovog zakona.

Galerija

• 
  Presek izgleda mehanizma rada vetrenjače.
• 
  Darius turbina, vjetrenjača sa vertikalnom osovinom
• 
  Kasniji tip vjetrenjače, u stanju da se prilagodi promjenjivom smjeru vjetra
• 
  Vjetrenjača u Australiji za pumpanje vode. Vrlo sličan model raširen u Americi u 19. vijeku.

Literatura

• Dr Živana Krejić (2016). Vetrenjače Vojvodine, nekad i sad (drugo izdanje). Udruženje poseti Pančevo. 
• Chartrand. French Fortresses in North America 1535–1763: Quebec, Montreal, Louisbourg and New Orleans.
• Drachmann, A.G. (1961) "Heron's Windmill", Centaurus, 7.
• Gregory, Roy and Laurence Turner. Windmills of Yorkshire. 2009. ISBN 978-1-84033-475-3. .
• Hassan, Ahmad Y., Donald Routledge Hill (1986). Islamic Technology: An illustrated history. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-42239-0. CS1 održavanje: Višestruka imena: spisak autora (veza).
• Lohrmann, Dietrich (1995) "Von der östlichen zur westlichen Windmühle", Archiv für Kulturgeschichte, Vol. 77, Issue 1
• Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4, Physics and Physical Technology, Part 2, Mechanical Engineering. Taipei: Caves Books Ltd.
• Shepherd, Dennis G. (2009). „Historical Development of the Windmill”. Ur.: Spera, David A. Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition. Ithaca, New York: Cornell University Press. ISBN 9780791802601. doi:10.1115/1.802601. .
• Tunis, Edwin Colonial living, The Johns Hopkins University Press. 1999. ISBN 978-0-8018-6227-4. str. 72. and 73.
• Vowles, Hugh Pembroke: "An Enquiry into Origins of the Windmill", Journal of the Newcomen Society, Vol. 11 (1930–31)

Spoljašnje veze

• Ručno mlevenje brašna sa dva kamena - žrvanj na jutjubu
• Vetrenjače stare 1.000 godina još uvek rade (B92, 1. oktobar 2017)
• Vjetrenjače u Naštifanu - Atlas obskura
• Restauracija: Kako se postavljaju nova krila ili jedra na vetrenjača? (Nemački Dokumentarni film na jutjubu)
• Mlevenje brašna u gradskoj vjetrenjači u Holandiji na jutjubu
• Podsecanje kamena na jutjubu
• Vetrenjače u Vojvodini na jutjubu
• Vjetrenjača strugara u Holandiji na jutjubu
• Proizvodnja vjetrenjača (aeromotara) za pumpanje vode u Teksasu na jutjubu
• Kako spasiti vetrenjaču staru više od veka (RTS, 2. novembar 2017)
• Princip rada vjetrenjače za pumpanje vode na jutjubu
• Novi život vetrenjače u Šušari (Večernje novosti, J.J. B. 22. avgust 2018)
• Vojvođanske vetrenjače nekad i sad (RTV - Zvanični kanal)
• Rođina vetrenjača za putnike namernike (RTV - Zvanični kanal)
• Zašto nestaju vojvođanske vetrenjače? (RTS - Zvanični kanal)
• Hoće li vetrenjače ponovo biti simbol Panonske nizije (RTS, Simo Budimir 2. mart 2019)
• Pdf knjiga Dr. Gerija Džonsona Windbook.pdf, koja pokriva sve aspekte konstrukcije vjetrenjača i vjetroelektrana.
• Architecture: Windmills na sajtu Curlie
• Earth Science Australia, Wind Power and Windmills
• The International Molinological Society
• Windmills at Windmill World
• Mill Database, Belgium and Netherlands Архивирано на сајту Wayback Machine (19. новембар 2009)
• A Geograph article and photo-record of Windmills in Great Britain