W latach 30. i 40. XX wieku, na długo po tym jak silniki parowe wyrugowały energię wiatru, holenderscy inżynierowie niestrudzenie dopracowywali — już i tak dosyć zaawansowaną technologię — tradycyjne wiatraki. Rezultat był spektakularny. Wierzę, że dzisiejsze pokolenie ekogeeków mogłyby jeszcze bardziej ulepszyć tą technologię. Ale czy wskrzeszenie przemysłowego wiatraka to dobry pomysł? Czy jest sens ponownie zamieniać energię kinetyczną wiatru bezpośrednio na energię mechaniczną?

W 1850 roku w Holandii stało pięć razy więcej wiatraków, niż dzisiaj turbin wiatrowych.

Ponad 900 lat temu, średniowieczna Europa stała się pierwszą dużą cywilizacją, która oparła swoją potęgę na czymś więcej, niż tylko na sile ludzkich i zwierzęcych mięśni. Tysiące wiatraków i kół wodnych, wspomaganych pracą zwierząt, radykalnie odmieniło życie i przemysł ówczesnej Europy.

Była to prawdziwa rewolucja przemysłowa, całkowicie oparta na energii odnawialnej – coś, o czym my dzisiaj możemy tylko pomarzyć. Młyny napędzane wiatrem i wodą były, w pełni tego słowa znaczeniu, pierwszymi fabrykami w dziejach ludzkości. Wszystko co trzeba, było na miejscu – budynki, źródło zasilania, maszyneria, pracownicy i produkty.

W tamtych czasach, wiatraki i koła wodne nie były czymś nowym. Obydwie technologie pojawiły się już w starożytności i nie zmieniły się wiele pod względem technicznym, aż do czasów wczesnego średniowiecza. Jednak ani starożytni Grecy, ani Rzymianie, nie wykorzystali w pełni drzemiącego w nich potencjału – możliwe, że powodem były przyczyny religijne albo wystarczająca ilość niewolników.

Wiatr kontra woda

Koła wodne miały większe znaczenie od wiatraków i były popularniejsze. Jest to logiczne, ponieważ technologia ta jest bardziej przewidywalna: przepływ wody w rzece może się sezonowo zmieniać, ale z reguły, zawsze trochę wody w niej płynie. Co więcej, dzięki budowie kanałów i przepustów, przepływ można było precyzyjnie regulować, tak aby zapewnić odpowiednie obciążenie i obroty koła wodnego wymagane przez przekładnie młyna.

Z wiatrem jest inaczej. Czasem wcale go nie ma, a jeśli już wieje, to jego prędkość i kierunek mogą zmienić się w każdym momencie. Wczesne wiatraki nie miały żadnej wydajnej możliwości kontroli nad siłą wiatru – przynajmniej w średniowieczu. Młyny wodne zaczęły szeroko rozprzestrzeniać się po Europie w XI wieku i dwieście lat później, praktycznie cała dostępna energia rzek i strumieni została zagospodarowana.

Nie wszędzie jednak były dobre warunki do budowania kół wodnych. Powodów mogło być wiele: niewystarczające zasoby wodne (Hiszpania), zbyt płaski teren i slaby nurt w rzekach (Holandia i nizinna Anglia), albo zamarzanie rzek zimą (Skandynawia, Rosja i części Niemiec). W tych krajach, młyny wodne pojawiły się dopiero w XIII wieku. Przyszedł moment, że w regionach o dużym potencjale energii rzecznej, na każdym potoku i strumyku stały młyny wodne. Na kolejne nie było już miejsca, więc zaczęto stawiać wiatraki.

Ile było tych wiatraków?

Ile tak naprawdę wiatraków pracowało w średniowieczu? Nie wiadomo, ponieważ dysponujemy tylko kilkoma rejestrami, ale żaden z nich nie rozróżnia młynów wietrznych od wodnych. Na przykład, źródła podają, że w Zjednoczonym Królestwie w XIV wieku stało od 10 do 12 tysięcy młynów, ale nie wiemy które z nich to były wiatraki (pewnie tylko garstka).

Jedyne co mamy, to informacje o pojedynczych młynach wietrznych, które zaczęły pojawiać się pod koniec XIII wieku. Dopiero dokładniejsze rejestry, spisywane w XVII i XVIII wieku, pokazują, że wiatraki dobrze przyjęły się w Europie.

W 1750 roku, w Niderlandach stało od 6 do 8 tysięcy wiatraków, a w roku 1850 było ich już 9 tysięcy. Dla porównania, jest to prawie 3,5 raza więcej niż dzisiaj turbin wiatrowych w współczesnej Holandii (2,525 w roku 2015). W Wielkiej Brytanii w 1820 roku stało od 5 do 10 tysięcy wiatraków, a we Francji 8.7 tysięcy (i 37 tysięcy kół wodnych) w 1847 roku.

Szacuje się, że w okresie szczytowym liczba młynów wietrznych w Europie sięgnęła 200 tysięcy.

W Niemczech stało ponad 18 tysięcy wiatraków w roku 1895 (w porównaniu do około 30 tysięcy turbin wiatrowych w 2017 roku), a w Finlandii 20 tysięcy w 1900 roku. Portugalia, Hiszpania, szereg krajów śródziemnomorskich, i wiele krajów skandynawskich i wschodnioeuropejskich, też mogły się pochwalić sporą liczbą wiatraków.

Szacuje się, że w okresie szczytowym liczba młynów wietrznych w Europie sięgnęła 200 tysięcy, w porównaniu do 500 tysięcy kół wodnych. Wiatraki budowano na wsiach i w miastach. Żeby złapać więcej wiatru stawiano je nawet na murach zamków i twierdz. Początkowo służyły one jedynie do mielenia zboża (i w mniejszym stopniu) do pompowania wody i osuszania nisko położonych terenów (te były połączone z kołem wodnym o podsiębiernym albo śrubą Archimedesa).

Chleb i owsianka były podstawą średniowiecznej diety (mięso, ryby i warzywa były dostępne tylko dla bogatych), a ziarno na nie trzeba było zmielić lub zgnieść. W tamtych czasach, żeby wyżywić przeciętną rodzinę, jeden z domowników musiał każdego dnia mielić zboże na mąkę przez dwie godziny.

Chociaż, na początku XVII wieku wiatraki zaczęto wykorzystywać do różnych celów, to nie mniej jednak mielenie zboża pozostało ich najważniejszym zadaniem. Aż do początku XX wieku, cały plon ze żniw Północnej Europy był mielony na żarnach niemieckich, duńskich i holenderskich młynów wietrznych. Gorzelnie produkujące sławny holenderski dżin (i inne alkohole) również skorzystały z wiatraków.

Nowe zastosowania

Dzięki wiatrakom obłuskiwano jęczmień i ryż, śrutowano ziarna na słód, tłoczono oliwę z oliwek, olej lniany, wyciskano konopie i rzepak na olej do gotowania i do oświetlania. Istniały również młyny do kakao, do gorczycy i młyny pieprzowe (mieliły też inne przyprawy), a także młyny tytoniowe i tabakowe.

Oprócz produkcji żywności, wiatraków używano w dwóch ważnych gałęziach przemysłu – w produkcji papieru i w tartakach. Zużyte liny i płótno żaglowe były surowcem, który przerabiano na papier. Ten proces wymagał dużej mocy - której dostarczały wiatraki. Znalazły również zastosowanie w kruszeniu kredy na cement, osuszaniu kopalń, wentylowaniu chodników górniczych (a nawet więzień), polerowaniu szkła i mieleniu prochu strzelniczego.

Na początku XVII wieku, wiatraki znalazły wiele nowych zastosowań: w tartakach, w papiernictwie, w mieleniu przypraw,tytoniu i wiele, wiele innych.

Przemysł tekstylny też korzystał z siły wiatru: wiatraki międliły len (na materiał) i konopie (na liny i płótno żaglowe), foluszowały wełnę (na miękkie dzianiny), wytwarzały barwniki i garbowały skóry.

Dystrykt Zaan

Jeden z najbardziej imponujących przykładów wykorzystania przemysłowego potencjału siły wiatru znajdziemy w dystrykcie Zaan, regionie położonym na północ od Amsterdamu. Zaan jest zewsząd otoczony wodą, jednak teren jest tak płaski, że słaby nurt rzek nie pozwolił skorzystać efektywnie z kół wodnych. Mocnych wiatrów za to nie brakuje. Wiele ze wspomnianych wcześniej zastosowań wiatraków (a niektóre wyłącznie) pochodzi właśnie z regionu Zaan.

Mówi się, że Zaan był pierwszym na świecie okręgiem przemysłowym. Od początku XVII do połowy XVIII wieku, Niderlandy były ważnym ośrodkiem przemysłowym, w którym pracowało tysiące wiatraków. Holendrzy byli z nich tak dumni, że nadawali im imiona – jak statkom morskim.

Przemysł tartaczny był kluczowy dla Zaan. Drewno było potrzebne do budowy domów, śluz, statków, no i oczywiście na wiatraki. Ręczne cięcie i obrabianie drewna było wyjątkowo żmudną pracą, dlatego mieszkańcy regionu postawili na wiatr, dzięki któremu ogromnie przyśpieszyli pracę tartaków. Obrobienie sześćdziesięciu pni lub kłód za pomocą ręcznych narzędzi zajęłoby 120 dni roboczych – dzięki sile wiatru, czas ten skrócił się do 4 czy 5 dni (patrz na zdjęcie poniżej, więcej na ten temat tutaj).

Pierwszy wiatrak tartaczny (ochrzczony „Het juffertje”, czyli po polsku „Panienka”) zbudował w 1596 roku Cornelis Corneliszoon w mieście Zaandam. W roku 1630, na północ od Amsterdamu stały już 83 wiatraki tartaczne, z czego 53 w Zaan. W szczytowym okresie w Niderlandach pracowało 450 takich zakładów - 256 w samym Zaan. Konstruktorzy byli na tyle pomysłowi, że w końcu nawet żurawie wiatraków wyposażyli w napęd wiatrowy.

Prasa drukarska przeżywała swoją złotą erę i wiatraki z okręgu przemysłowego Zaan zasilały liczne papiernie. Pierwszy wiatrak papierniczy („De Gans”, czyli po polsku „Gęś”) stanął w 1605 roku, a w 1740 roku było już ich 40. W połowie XVII wieku Holendrzy znacznie ulepszyli proces produkcji papieru, dzięki czemu, można było wytwarzać go szybciej, a sam papier był bielszy.

Ostatni taki wiatrak, który przetrwał do dziś to „De Schoolmeester” (pol. „Nauczyciel”), zbudowany w 1692 roku (patrz na zdjęcie na początku tekstu i zdjęcie jego wnętrza powyżej). Zakłady papiernicze zasilane wiatrem były rzadkością w innych krajach, podczas gdy napędzane kołami wodnymi manufaktury papieru pojawiły się w Europie już w XI wieku i zyskały na popularności. W roku 1800 w Anglii pracowało 417 takich papierni.

W tartakach nawet dźwig do przenoszenia kłód napędzany był śmigami.

Innymi wartymi wspomnienia przemysłowymi wiatrakami dystryktu Zaan były wiatraki produkujące tabakę i tytoń (38 sztuk w 1795 r.), tłoczące olej (140 w 1731 r.), obłuszczające jęczmień (65 w 1731 r.), barwiące tkaniny (21 w 1731 r.), i przerabiające konopie na włókna (20 w 1731 r.). Holendrzy postawili setki wiatraków w swoich koloniach w Indochinach do miażdżenia trzciny cukrowej. Niewiele z nich przetrwało do dzisiaj – z nadejściem ery silnika parowego i elektryczności odeszły w niebyt - jednak wiatraki osuszające ziemie i młyny wietrzne pozostały opłacalne znacznie dłużej.

Moc zapasowa: Zwierzęta

Niestety, nie wszystkie procesy wytwórcze można zasilić śmigami wiatraków. Zmienna natura wiatru sprawia, że wiatraki nie sprawdzają się w procesach, które wymagają nieprzerwanego i równego zasilania, takich jak wytop metali, przędzenie, ostrzenie narzędzi czy górnictwo. W tych dziedzinach lepiej sprawdzały się bardziej przewidywalne koła wodne.

W krajach gdzie nie było wystarczających zasobów mocy wodnej, niektóre z tych procesów były zasilane pracą zwierząt - przede wszystkim koni. Z pracy koni korzystano również jako zapasowego źródła mocy podczas długich okresów ciszy wiatrowej. Na przykład, w Niderlandach w 1850 roku pracowało 1800 wiatraków mielących zboże, ale również 1300 kieratów mielących grykę, której obróbka wymaga równiejszej pracy.

Koźlaki i Holendry

Wczesnośredniowieczne wiatraki były prostymi urządzeniami wyrosłymi z kół wodnych, jednak na przestrzeni wieków stały się one wysoce zaawansowanymi maszynami. Wiatrak jest znacznie bardziej skomplikowany od koła wodnego, ponieważ musi być przystosowany do źródła zasilania o wysoce zmiennej naturze. Wczesne wiatraki w Iranie i Afganistanie miały pionową oś obrotu, dzięki czemu nie musiały dostosowywać się do zmian kierunku wiatru. Jednak maszyny tego typu są znacznie mniej wydajne i nigdy nie przyjęły się w Europie.

Jak średniowieczni budowniczowie wiatraków radzili sobie ze zmieniającym się kierunkiem wiatru? Początkowo budowali wiatraki, które można było w całości ręcznie obracać dookoła słupa zwanego „kozłem” (stąd nazwa „koźlaki”). W ten prosty sposób, cały wiatrak nakierowywano na wiatr. Na początku XV wieku pojawił się nowy typ wiatraka, w którym tylko kopuła ze śmigami obracała się na rolkach, a reszta była nieruchoma. Nową konstrukcję nazwano „wiatrakiem wieżowym” (w Polsce nazywane „Holendrami”, przyp. tłum.), a Holendrzy dopracowali ją z czasem do perfekcji.

Wiatraki wieżowe były najpopularniejszym typem wiatraka w basenie Morza Śródziemnego, jednak tamtejsze konstrukcje nie były tak wydajne, jak holenderskie, i miały inne śmigi. Ponieważ korpus był nieruchomy, można było postawić go z kamienia i cegieł, zapewniając mu tym samym solidność i stabilność. Zarówno koźlaki jak i „Holendry”, były używane aż do końca złotej ery wiatraków. Na przestrzeni XVII i XIX wieku, wiele koźlaków zastąpiono nowocześniejszymi wiatrakami wieżowymi.

Obracanie śmigów do wiatru

Dzisiejsze turbiny wiatrowe nakierowują się na wiatr dzięki elektronice. Kiedy wiatr wieje za mocno i istnieje ryzyko połamania łopat, system sterujący obraca kopułą wirnika od wiatru. Średniowieczni młynarze nie mieli do pomocy układów scalonych, więc musieli radzić sobie w inny sposób.

Przez wieki, wiatraki obracano do wiatru ręcznie. Młynarz mógł liczyć tylko na siłę swoich mięśni (albo kogoś do pomocy), i za pomocą dyszla (dyszli) umocowanego z tyłu wiatraka typu koźlak, obracał korpus w wybranym kierunku. Żeby wiatrak nie zmienił pozycji, mocowano korpus do jednej z dwunastu kotew wbitych w okręg okalający budynek.

Nie było to łatwe zadanie, ponieważ trzeba było obrócić cały korpus wiatraka razem z maszynerią znajdującą się w środku. Niektóre wiatraki były wyposażone w wyciąg na końcu dyszla, jeżdżący po kołowej bieżni, co trochę ułatwiało zadanie.

Podobnie obracano kopułę wiatraków wieżowych, tyle że za pomocą dłuższych dyszli, sięgających gruntu lub tarasu u podstawy kopuły ze śmigami. W korpusie wiatraka wiercono otwory wentylacyjne – kiedy wiatr zmieniał kierunek, powietrze wiejące z danego otworu informowało młynarza w którym kierunku obrócić wiatrak.

Regulacja śmigów: Nie lada wyzywanie

Zmieniająca się siła wiatru sprawiała większe trudności. Maszyneria wiatraka wymagała precyzyjnie dobranej prędkości wirnika, aby przenieść na wał odpowiednie obciążenie. Na przykład, młyny zbożowe pracowały najlepiej przy 50-60 obrotach wiatraka na minutę. Jeśli prędkość przekroczyłaby 80 obrotów, wtedy ziarna, w wyniku zbyt dużego tarcia, paliły się. Kolejnym zagrożeniem było ryzyko zniszczenia wiatraka, jeśli wirnik przekroczyłby bezpieczną prędkość obrotową.

Przez wieki, tak samo jak ustawienie osi wirnika, młynarze musieli regulować prędkość obrotową ręcznie. Niewielkie wahania w prędkość wiatru mogły być niwelowane wewnątrz wiatraka przez zmniejszanie lub zwiększanie obciążenia. Kiedy wiatr wiał mocniej, żarna można było rozsunąć i rzucić na nie więcej ziarna – w ten sposób obciążenie rosło, a wirnik nie zwiększał obrotów, pomimo silniejszego wiatru.

Tradycyjne wiatraki nie miały łopat, ale śmigi – przeważnie w formie płótna żaglowego rozpiętego na drewnianej kratownicy (w zimniejszych regionach płótno zastępowano drewnianymi listwami, które sprawiały mniej kłopotu w mroźnych warunkach). Jeśli zmiany prędkości wiatru były większe, to młynarz nie miał wyboru, jak tylko wyjść na zewnątrz i wyregulować żagle śmigów.

Refowanie dwóch, a nawet czterech żagli (albo zmniejszanie ich powierzchni), było efektywnym sposobem na radzenie sobie ze wzmagającym na sile żywiołem. Jednak, kiedy lekki wietrzyk zmieniał się w porywisty wicher, obsługa żagli była nie lada wyzwaniem.

Przynajmniej dwa śmigi musiały zostać ustawione w pozycji wertykalnej i zablokowane hamulcem, tak aby młynarz mógł się po nich spiąć i wyregulować żagle. Jeśli hamulec puścił, a młynarz był na śmigu, to czekała go niezła przejażdżka. Zwijanie i refowanie wszystkich czterech śmigów było rutyną na początku i pod koniec każdego dnia pracy.

W drugiej połowie XVIII wieku opracowano wiele skomplikowanych, ale zarazem skutecznych, metod pozwalających na pozostawienie wirnika bez nadzoru młynarza - przynajmniej jeśli chodzi o kierunek i prędkość wiatru.

W drugiej połowie XVIII wieku opracowano wiele skomplikowanych, ale zarazem skutecznych, metod pozwalających na pozostawienie wirnika bez nadzoru młynarza - przynajmniej jeśli chodzi o kierunek i prędkość wiatru. W 1745 roku, angielski kowal Edmund Lee wynalazł „samo regulującą się maszynę wiatrową” - czyli urządzenie, które automatycznie dostosowywało się do kierunku wiatru i ustawiało wiatrak podług niego. Składało się z wirnika ogonowego (lub dwóch w większych wirników) i przekładni (zdjęcie u dołu).

Wirnik ogonowy można opisać jako mniejszy, pomocniczy wiatrak zamontowany za głównym wirnikiem, prostopadle do jego osi. Jeśli kierunek wiatru się zmienia to powietrze napierające na wirnik obraca, za pomocą przekładni, całą kopułę wiatraka.

Wirnik ogonowy przenosi obciążanie na bieżnię zamocowaną dookoła wieży (w młynie wieżowym) lub na bieżnię postawioną na ziemi wokół wiatraka (w wiatraku typu koźlak). Podobne konstrukcje zaadaptowano później w USA do napędzanych wiatrem pomp wodnych. Wielolistewkowy wirnik zastępował czterośmigowy wiatrak i sam bezbłędnie nakierowywał swoją oś na wiatr. Dzięki znacznie mniejszym rozmiarom nie było potrzeby stosowania przekładni.

Rozwiązanie to nie tylko znacznie ułatwiło pracę młynarza, ale również zwiększyło moc wyjściową wiatraków. Chociaż znaczna część mocy może zostać stracona przez niewielkie zmiany kierunku wiatru, młynarz nie zawsze miał czas (albo chęć) obracać wiatrak w reakcji na każdą zmianę.

Automatyczna regulacja: Żagle patentowe i sprężynowe

Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy wynaleziono wirnika ogonowe, zaczęły się pojawiać mechanizmy, dzięki którym śmigi wiatraka automatycznie dostosowywały się do prędkości wiatru. Jednym z takich wynalazków były tzw. żagle sprężynowe. W 1772 roku, szkocki konstruktor młynów wietrznych Andrew Meikle zastąpił płótno żaglowe dziesiątkami lamelek na wzór weneckiej żaluzji. Każda z lamelek była kontrolowana przez sprężynę.

Kiedy napór wiatru rósł, siła jaką wywierał na śmigi przekraczała opór sprężyny i lamelki wychylały się, przepuszczając część wiatru przez kratownicę, tym samym nie dopuszczając do wzrostu prędkości obrotowej wirnika. Im silniej wiał wiatr, tym więcej otwierało się lamelek. Kiedy prędkość wiatru spadała, sprężyny zamykały lamelki, odtwarzając ciągłą powierzchnię śmigu. Dzięki temu, pomimo zmian w prędkości wiatru, prędkość obrotowa wirnika pozostawała na mniej więcej tym samym poziomie.

Problemem żagli sprężynowych było to, że napięcie sprężyn (wszystkie były ze sobą połączone jedną długą belką) należało ustawić przed uruchomieniem wiatraka – przewidując zawczasu z jaką prędkością będzie wiał wiatr i jakiej potrzeba prędkości obrotowej wirnika.

Ten problem został rozwiązany w 1789 roku przez Stephena Hoopera, który zastąpił lamelki kurtynami z płótna żaglowego, dzięki którym można było bez zatrzymywania wirnika z poziomu gruntu ręcznie regulować powierzchnię żagli (tzw. „żagle zwijane na rollerze”). Niestety, system okazał się zbyt skomplikowany i nie zyskał na popularności. Ostatnim ulepszeniem, jakie wprowadzono do systemów zwijania żagli, były żagle samo-zwijające się, opracowane przez Williama Cubita w 1807 roku. Jego system polegał na zastosowaniu obciążników, które przeciwważyły napięcie sprężyn sterujących. Dzięki temu, śmigi wiatraka dostosowywały się automatycznie do prędkości wiatru, bez potrzeby instalowania skomplikowanego rollera – tą konstrukcję nazwano „żaglami patentowymi”.

Żagle Bertona

Ostatnim problemem do rozwiązania była niższa sprawność żagli patentowych w porównaniu ze standardowymi. Częstą praktyką było montowanie w wiatrakach dwóch śmigów z żaglami patentowymi i dwóch ze standardowymi – pozwalało to podnieść wydajność pracy, jednocześnie zachowując możliwość częściowej regulacji.

W 1848 roku, Francuz Berton zastąpił małe lamelki śmigu (znane z konstrukcji Andrew Meikle) kilkoma długimi listewkami, działającymi na tej samej zasadzie. To rozwiązanie polepszyło aerodynamikę i solidność konstrukcji śmigu. Przyjęły się one jako „żagle Bertona” (patrz zdjęcie poniżej).

Żagle Bertona dawały młynarzowi dodatkową korzyść, ponieważ cały system mógł być obsługiwany z wnętrza wieży. W 1860 roku, Catchpole wprowadził hamulce powietrzne, które w bardzo efektywny sposób automatycznie zwalniały obrotu wirnika podczas wichur. Na dodatek, nie trzeba było już ręcznie ustawiać odległości pomiędzy żarnami, ponieważ konstruktorzy wprowadzili do maszynerii wiatraków automatyczny regulator odśrodkowy.

Oczywiście, samo-zwijające się żagle i pozostała automatyka nie rozwiązały problemu bezwietrznych dni. Młynarz, tak samo jak jego poprzednicy wieki wcześniej, musiał podporządkować się panowaniu kapryśnej pogody i kiedy wiał odpowiedni wiatr, czekała go praca dniem i nocą (także w niedziele).

Wszystkie wspomniane wcześniej ulepszenia, nie tylko znacznie ułatwiły młynarzowi pracę, ale co więcej, umożliwiły wzrost mocy wiatraków. Im wyżej gruntu, tym wiatr wieje silniej, a ponieważ młynarz nie musiał już z ziemi za pomocą drąga ciągle poprawiać żagli, można było podnieść wysokość wiatraków i łapać w śmigi silniejsze podmuchy (Holendrzy wcześniej zmierzyli się z tym zagadnieniem budując wyższe młyny wieżowe z tarasem, z którego można było obsługiwać śmigi).

Moc wyjściowa wiatraków

Kolejnym ważnym udoskonaleniem było wprowadzenie żeliwa jako materiału do budowy przekładni. Miało to miejsce w roku 1755, dziesięć lat po wynalezieniu wirnika ogonowego przez Johna Smeatona. Wcześniej wszystkie mechanizmy wiatraka wytwarzano z drewna, co skutkowało znacznymi stratami energii.

Pomiary wykonane przez Holendrów w latach 30. XX wieku, na wiatraku służącym do osuszania lądu z 1648 roku, pokazały, że chociaż generował on moc około 40 koni mechanicznych na wale, to jedynie 15.6 konia mechanicznego pozostawało do dyspozycji po przełożeniu momentu wału przez przekładnię. Można wyliczyć, że sprawność wiatraka w tym przypadku wynosiła 39%, a to oznacza, że prawie dwie trzecie energii było tracone na przekładni. Ówczesne koła wodne miały większą sprawność, sięgającą 50% (nowoczesne koła wodne dochodzą do sprawności rzędu 80%, przyp. tłum.).

Wiatraki z drewnianą przekładnią osiągały sprawność na poziomie 39%.

Drewno ograniczało średnicę śmigów do około 30 metrów (która stała się standardem już XVII wieku), ponieważ nie były dostępne drewniane belki większej długości. Dopiero w drugiej połowie XIX wieku, w konstrukcji śmigów i wału zaczęto stosować żeliwne belki. Zastąpienie drewna metalem (po żeliwie przyszła kolej na żelazo) nie tylko podniosło sprawność maszynerii wiatraka, ale pozwoliło także na budowę większych konstrukcji.

Ulepszenia przyszły za późno

Pod koniec XVIII wieku, kiedy wspomniane wcześniej wynalazki zaczęły się pojawiać, pierwsze młyny zbożowe zaczęły przechodzić z napędu wiatrowego na parowy – i zawisły nad nimi czarne chmury dymu.

Około 1850 roku, młyny parowe były już popularniejsze od młynów wietrznych i liczba tych drugich zaczęła spadać. Śmigła ogonowe, samo-zwijające się żagle i żelazne wzmocnienia wolno się upowszechniały (w niektórych regionach nigdy nie zostały użyte), a to tylko przypieczętowało los wiatraków.

Żagle Bertona nigdy nie wyszły poza Francję, a żagle patentowe stosowano głównie w Anglii. Chociaż żelazo pozwalało na budowę wiatraków z większymi śmigami, to niestety nigdy ich nie postawiono. Najwyższy wiatrak wieżowy, jaki kiedykolwiek zbudowano, był wykonany w całości z drewna. Stanął on w Holandii w roku 1899 „De Hoop” (pol. „Nadzieja”) w Prinsenhagen – dzisiejszym mieście Breda. Miał wysokość 38 metrów i śmigi średnicy 27 metrów. Wieżę i śmigi zdemontowano w 1929 roku, ale korpus wiatraka wciąż stoi na swoim miejscu.

Największy wiatrak jaki kiedykolwiek zbudowano

W Parku Golden Gate w San Francisco stoją dwa holendry z najdłuższymi śmigami na świecie. Stawiano je w latach 1903 – 1905. Większy, nazwany „Wiatrakiem Murphy’ego”, ma 29 metrów wysokości i śmigi o średnicy 35 metrów. Belki wyciosano z jednej dłużnicy – w USA mieli wyższe drzewa. Cała maszyneria jest wykonana z żeliwa. Wiatrak pompował 150 tysięcy litrów wody dziennie do podlewania parkowej zieleni. Niestety, w kilka lat po uruchomieniu został zastąpiony przez elektryczne pompy i teraz pełni tylko rolę ozdobną.

Zbliżał się koniec ery młynów wietrznych. Na szczęście, w niektórych częściach świata nie porzucono ich tak szybko. W Holandii utrzymały się długo – Holendrzy woleli wiatraki z zapasowym wspomaganiem silnikiem parowym, od w pełni parowych młynów. W Stanach Zjednoczonych, w latach 1850-1930, postawiono ponad sześć milionów pomp wodnych zasilanych wirnikami, jednak po drugiej wojnie światowej nie wiele pojawiło się nowych. Na popularności zyskiwała turbina wiatrowa wytwarzająca prąd elektryczny - i tak pozostało do dzisiaj.

Imponujące ulepszenia lat 20. i 30. XX wieku

W latach 20. i 30. XX wieku, kiedy w całej Europie wiatraki odchodziły do lamusa, Holendrzy rozpoczęli program badawczy, który doprowadził do zmodernizowania klasycznego wiatraka. W 1923 roku założono „Holenderskie Towarzystwo Wiatraków”, którego celem było podniesienie sprawności wiatraków generujących energię mechaniczną. Członkami towarzystwa zostali sławni budowniczowie wiatraków - bracia Dekker. Osiągnięcia inicjatywy były imponujące.

Pod koniec lat 20. XX wieku, maksymalne moc wyjściowa wiatraka wzrosła dwukrotnie - z 50 do 100 koni mechanicznych.

Bracia Dekker wprowadzili do wiatraków rozwiązania znane z lotnictwa i użyli arkuszy blachy (metalowych łopatek przypominających te z silników turbinowych) do wykonania śmigów.

W następnej dekadzie, ponad siedemdziesiąt wiatraków wyposażono w nowe „zdekkeryzowane” śmigi. Ulepszono również przekładnie, co pozwoliło obniżyć straty energii i pozwoliło wiatrakom generować wyższe moce przy niższych obrotach. Efektem tych zabiegów było podwojenie maksymalnej mocy wyjściowej wiatraka z 50 do 100 koni mechanicznych, pod koniec lat 20. XX wieku.

Podwojenie mocy wyjściowej

Testy przeprowadzone przez holenderską Komisję Młynów Książęcych pokazały, że ulepszony wiatrak zaczynał się obracać już przy prędkości 3.5-4.0 m/s, czyli przy zauważalnie niższej, niż starsze konstrukcje (5-6 m/s). Przy prędkości wiatru 5.5 m/s osiągał taką samą moc, jak starszy wiatrak przy prędkości 8 m/s.

To usprawnienie było bardzo ważne, ponieważ oznaczało, że nowy wiatrak może pracować przez więcej godzin w roku. Tradycyjny wiatrak pracował średnio 2,671 godzin rocznie, a nowy, dzięki niższej prędkości rozruchowej, mógł pracować 4,442 godziny w roku – niemal dwukrotnie zwiększając roczną produkcję energii.

Osiągnięcia Holenderskiego Towarzystwa Wiatraków przyniosły wiatrakom dwie ważne korzyści: większą moc przy danej prędkości wiatru i dłuższe godziny pracy przy słabszym wietrze. Największa różnica była przy słabszych wiatrach, ponieważ zmodernizowane, wydajniejsze śmigi musiały być szybciej zwijane przy silniejszych wiatrach..

Kolejne usprawnienia wprowadzili Chris Van Bussel, Kurt Bilau, G. J. Ten Have, Van Riet, P. L. Fauël, Sabinin oraz Yurieff w latach 30. Skorzystano z nich wszystkich w wiatraku zbudowanym w 1940 roku, którego moc wyjściowa była dwuipółkrotnie wyższa od tradycyjnej konstrukcji - osiągając 125 koni mechanicznych. Wiatrak zburzono w 1960 roku.

Druga wojna światowa przerwała badania nad wiatrakami mechanicznymi i Holandia, tak jak reszta świata, przeniosła swoją uwagę na produkcję elektryczności.

Powrót do tradycyjnego wiatraka?

Na dzień dzisiejszy, wiatraki i koła wodne, które zamieniają bezpośrednio energię kinetyczną na mechaniczną, są uważane za przestarzałe i niepotrzebne. Kilka takich konstrukcji przetrwało do XXI wieku, jednak nie pełnią one w społeczeństwach „rozwiniętych” żadnej komercyjnej funkcji. Turbiny wiatrowe zdominowały krajobraz Europy – generują prąd elektryczny, który można później zamienić na energię mechaniczną.

To jasne, że telewizora i laptopa nie da się zasilić za pomocą energii mechanicznej - ale wiele rzeczy można. Zboże wciąż trzeba mielić, drewno ciąć, olej tłoczyć, wodę pompować, itd. Te procesy wymagają energii mechanicznej. Pochodzi ona, przede wszystkim z konwersji z energii elektrycznej, a tę można można generować dzięki nowoczesnym turbinom wiatrowym, lub innym źródłom odnawialnym. Właśnie tak, wszyscy teraz wyobrażają sobie przyszłość.

Energia wcielona

Są jednak ważne powody do tego, żeby rozważyć zupełnie inne, odwrotne podejście, i powrócić do staroświeckiego, bezpośredniego przetwarzania energii kinetycznej na mechaniczną. Po pierwsze, jest to bardziej wydajne, ponieważ pomija się jeden krok konwersji energii, z którym to zawsze wiążą się straty energii. Oznacza to, że można postawić mniejszą ilość elektrowni odnawialnych do wykonania tej samej pracy.* Stawianie milionów turbin wiatrowych, przykrywanie całych pustyń panelami fotowoltaicznymi i budowa gigantycznych „inteligentnych” sieci przesyłowych może brzmi nieźle, jednak najważniejszym pytaniem jest to - czy mamy na to wystarczającą ilość surowców, energii i pieniędzy?

*Komentarz tłumacza: Największa współczesna (rok 2020) morska turbina wiatrowa - General Electric Haliade-X, mierząca 260 metrów - ma moc maksymalną 13 MW, jest to tyle, co 170 wiatraków o mocy 100 koni mechanicznych. Wynika z tego, że potrzeba więcej wiatraków niż turbin wiatrowych, by dostarczyć tyle samo energii. Jednakże, Haliade-X waży 825 ton (nie licząc sieci przesyłowych i transformatorów) i narażona jest na ogromne przeciążenie i niesprzyjające warunki atmosferyczne, przez co jej żywotność jest względnie niska (turbina morska wytrzymuje średnio 15 lat), w porównaniu z tradycyjnym wiatrakiem. Tak więc, w dłuższym czasie, przez swoją niską żywotność oraz ogromne zapotrzebowanie na materiały i zaawansowane technologie, dostarczenie potrzebnej energii za pomocą turbin wiatrowych może wymagać większej ilości zasobów i środków, niż postawienie liczniejszych, ale za to prostszych mechanicznych wiatraków.

Dzisiejsza wiedza i materiały mogą znacznie usprawnić tradycyjny wiatrak.

Dostępne dane na temat zasobów pierwiastków ziem rzadkich, niezbędnych do produkcji zaawansowanych ekotechnologii, wyglądają ponuro (światowe rezerwy miedzi również budzą obawy, a energia wiatrowa zużywa 4-6 razy więcej miedzi na 1MW mocy, niż energetyka konwencjonalna, przyp. tłum.). Słyszy się od niedawna, że Chiny, dysponujące większość złóż tych surowców, planują ograniczyć eksport tych surowców*. Tradycyjne wiatraki, które bezpośrednio zamieniają energię kinetyczną na mechaniczną nie potrzebują żadnych rzadkich surowców, i można je zbudować z materiałów dostępnych prawie wszędzie.

*Przypis tłumacza: Chiny dysponują prawie 90% zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W 2011 roku, Państwo Środka ograniczyło import tych surowców, w efekcie czego ceny poszybowały w gorę - [rosnąc na jakiś czas o 600%](Widmer, James & Martin, Richard & Kimiabeigi, Mohammad. 2015. Electric vehicle traction motors without rare earth magnets. Sustainable Materials and Technologies. 29. 10.1016/j.susmat.2015.02.001).

Wiatraki hi-tech

Przestańmy narzekać i powróćmy do wiatraków. Dzięki dzisiejszej wiedzy technicznej i nowoczesnym materiałom możemy znacznie usprawnić tradycyjny wiatrak. Przekładnie i śmigi można wykonać ze stali lub aluminium, co nie tylko znacznie podniesie sprawność, ale również zabezpieczy konstrukcje przed pożarem. Niejeden wiatrak spłonął doszczętnie, ponieważ był w całości zrobiony z drewna. Wewnętrzne mechanizmy można wykonać dzisiaj znacznie precyzyjniej, dodatkowo poprawiając sprawność, niezawodność i kulturę pracy.

Wiatraki mogą być znacznie większe i potężniejsze. Holendrzy, żeby dać temu przykład, postawili w 2005 roku wiatrak w tradycyjnym stylu, przeznaczony jednak do produkcji elektryczności – „Noletmolen” w mieście Schiedam. Konstrukcja sięga 42 metrów, a wirnik ma 30 metrów średnicy – trochę mniej niż Młyn Murphyego z San Francisco.

Zbudowała go miejscowa gorzelnia w celach promocyjnych (w mieście stoi jeszcze pięć innych historycznych wiatraków zbudowanych na potrzeby produkcji Holenderskiego dżinu). Jednak ten wiatrak, to nie jest młyn. Oparto go na tradycyjnym projekcie, wykorzystując zarazem nowoczesne materiały i śmigi (zdjęcie powyżej). Rezultat? 200 koni mechanicznych na wale. Co ty, na to, Energy Ball?

Podejście ekotechniczne

Bez dwóch zdań, pokolenie współczesnych ekogeeków mogłoby odkurzyć zapomniane, dwudziestowieczne projekty Holenderskiego Towarzystwa Wiatraków, i tchnąć nowe życie w staroświecki młyn wietrzny. Może straciłby romantyczny urok, poczciwego wiatraka, jednak na pewno zyskałby na sprawności. Pola do popisu jest sporo, żeby tylko wspomnieć o tym, że kiedy nie wieje wiatr można by włączać wspomaganie elektryczne (zamiast zaprzęgać w kierat konie), albo zamiast przestawiać cały wiatrak za pomocą drąga, dlaczego nie zainstalować systemu hydraulicznego? Nawet odrobina elektroniki nie zaszkodzi.

Ten tekst nie jest krucjatą przeciwko turbinom wiatrowym i nowoczesnej infrastrukturze energetycznej. Ma on na celu przypomnieć, że wiele z tego, co dzisiaj próbujemy zrobić za pomocą technologii rodem z laboratoriów kosmicznych, można by prościej, taniej i sprawniej zrobić za pomocą starych, sprawdzonych metod bezpośredniej konwersji energii kinetycznej na mechaniczną.

Będziemy o tym pisać więcej, w kolejnych artykułach o historii energii odnawialnej.

Materiał źródłowy (zaczynając od najważniejszych pozycji)

• “Power from Wind: A History of Windmill Technology”, Richard L. Hills, 1994.
• “Molens”, Frederick Stokhuyzen, 1962 (English summary here).
• “Research inspired by the Dutch windmills: An account of an extensive programme of research and development”, The Prinsenmolen Committee, 1966
• “Histoire générale des techniques”, Maurice Dumas, 1964
• “Molendatabase” – pictures and descriptions (in Dutch) of windmills in the Netherlands.
• “Natural sources of power”, Robert Steele Ball (1908)
• “Geschiedenis van de techniek in Nederland, de wording van een moderne samenleving 1800-1890”, H.W. Lintsen, 1992
• “Gevlucht”, Wikipedia Dutch
• “History of technology”, “Energy conversion” and “Windmills”, Encyclopedia Britannica.
• “An Encyclopedia of the History of Technology (Routledge Companion Encyclopaedias)”, Ian McNeil, 1990
• “Wind, Water, Work: Ancient And Medieval Milling Technology (Technology and Change in History)”, Adam Lucas, 2005
• “Handbook of Fluid Dynamics”, Richard W. Johnson, 1998
• “The windmill as prime mover”, Alfred R. Wolff, 1885
• “An experimental enquiry concerning the natural powers of water and wind to turn mills”, John Smeaton, 1760
• “Groot Volkomen Moolenboek”, 1734
• “Penterbak” - pictures
• “Industriemolens” - pictures of industrial windmills in the Netherlands
• “Windmills in Sussex”, Peter Hemming, 1936
• “Windmills in Holland”, K. Boonenburg, 1951 (pdf)
• “Windmill sail”, Wikipedia English
• “Origen y expansion de los molinos de viento en Espana”, José Ignacio Rojas Sola y Juan Manual Amezcua Ogayar, Interciencia, Vol.30, 2005
• “The windmill: a medieval steam engine?”, John Langdon (pdf)
  • “The Evolution of Technology (Cambridge Studies in the History of Science”, George Basalla, 1989
• “Windkraftanlagen: grundlagen, technik, einsatz, wirtschaftlichkeit”, Eric Hau, 2003
• “European Route of Industrial Heritages”