1 стр. из 1

Одна из самых серьезных проблем цивилизации — удовлетворение растущих потребностей в энергии. Со вступлением в индустриальную эпоху начался неустанный поиск новых ее источников, но даже успешные результаты этих поисков приносят с собой новые проблемы.

Это и перспектива истощения ископаемых энергоресурсов, и проблемы с защитой окружающей среды, принявшие глобальные масштабы. Новый путь— поиск экологически чистых, возобновимых источников энергии. Одним из таких источников является энергия ветра. По подсчетам специалистов, запасы энергии ветра в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты, а энергия ветров в нашей стране могла бы полностью удовлетворить все наши потребности в электричестве! Но как это часто бывает: новое — это хорошо забытое старое. Использование силы ветра, по-видимому, является самым древним направлением энергетики.

Древняя история: персидские карусели

Парадоксальный факт — сила ветра, эксплуатация которой считается одним из самых современных направлений энергетики, использовалась человечеством с незапамятных времен, за тысячелетия до нашей эры. Парусные лодки бороздили реки, озера и побережья морей, т.е., образно выражаясь, древний флот использовал ветряные двигатели. Следующим шагом в развитии древней энергетики стало изобретение ветряных мельниц — и это по-своему эпохальное событие, потому что основная идея используется и в настоящее время для получения электричества.

Интересна эволюция идеи ветряных мельниц — развитие инженерной мысли с целью повышения коэффициента полезного действия. Первые ветряные мельницы были вертикально-осными, или так называемого карусельного типа, и в их конструкции старались использовать легкие материалы. На следующем этапе широкое распространение получили горизонтально-осные конструкции, или ветряные двигатели крыльчатого типа, однако в большинстве случаев это были массивные сооружения, которые строились с использованием достаточно тяжелых материалов. Это объясняется тем, что для выполнения своих задач крыльчатые двигатели должны были развивать большую мощность.

Современные инженерные решения, которых большое разнообразие, сочетают принцип горизонтальной оси, сверхлегких материалов и теорию аэродинамики. Вместе с тем, целый ряд современных экспериментальных конструкций использует вертикальную ось, либо лопасти мельницы располагаются под углом. Но об этом позже, а пока вернемся к древней истории.

Самые первые достоверные документальные упоминания о промышленном применении ветряных мельниц относятся к Персии. Использовавшаяся конструкция — тип гребного колеса парохода, поставленного на вертикальную ось, отличалась очень низким коэффициентом полезного действия, несмотря на то, что лопасти изготавливались из легкого дерева и материи.

Причина неэффективности проста — сила ветра, толкающая одну половину колеса с лопастями, тормозит вторую половину. Эти мельницы применялись в VI–X вв. н.э. и, предположительно, первоначально использовались в качестве двигателей для насосных станций, подающих воду для бытовых нужд и орошения полей.

К сожалению, до нас не дошли чертежи этих сооружений, а сохранились схемы более поздних конструкций того же типа, но использовавшихся для перемола зерна. Распространено мнение, что родиной мельниц карусельного типа является Китай, где они сооружались еще две тысячи лет назад, но первое документальное упоминание о них в этой стране относится к 1219 г. н.э. Так же как и в Персии, здесь они использовались для перемола зерна и подачи воды на поля и в дома.

Одним из самых примечательных способов использования ветра, дошедших до нас практически в неизменном виде с незапамятных времен, являются ветряки на острове Крит, также используемые там для подачи воды.

Средневековье — новое время

Крыльчатые ветродвигатели получили широкое распространение в средневековой Европе, став энергетической базой для сельского хозяйства и пищевой промышленности, тогда как установки карусельного типа практически не использовались. Несмотря на некоторые свои преимущества, среди которых возможность использовать ветер любого направления, карусельные ветродвигатели были не способны давать достаточную мощность доля вращения тяжелых каменных мельничных жерновов. Однако изобретатели периодически возвращались к идее этой конструкции.

В 1714 г. француз Дю Квит предложил использовать пятилопастное карусельное ветроколесо, установленное на треноге для вращения гребных колес судна. «Изюминка» этой идеи состояла в том, что такое судно могло свободно двигаться в любом направлении независимо от направления ветра. Эта идея не получила своего практического воплощения, возможно, из-за своей неординарности, как через сто лет— идеи Фуллера, предлагавшего Наполеону строить пароходы, но скорее всего из-за неэффективности конструкции.

Однако позднее — в начале XX в. ветряки использовали для эксплуатации дополнительного оборудования на судах, например, для подъема якоря или работы помп. У знаменитого покорителя Арктики Ф.Нансена на судне ветряк вращал динамо-машину. Таким образом, основные принципы работы ветро­двигателей, используемые и в современности, были изобретены очень давно. Инженерная мысль на основе современных знаний находит применение этим принципам в самых разных областях.

Примечательно, что даже кажущаяся примитивной идея паруса, который на самом деле обладает наивысшим КПД, с развитием инженерной мысли получала все новые воплощения. От простых прямоугольных парусов древности — до сложных систем, устанавливаемых на морских судах, позволявших им идти даже против направления ветра. А в конце XX в. Жак-Ив Кусто строит для своих кругосветных путешествий парусник на основе самых последних достижений теории аэродинамики. Парус Кусто так мало похож на паруса папирусных лодок древних египтян, но использует ту же идею! Апофеозом идеи паруса стал проект космического корабля, использующего силу «солнечного ветра» для межзвездных путешествий.

Нелегкий путь ветроэлектроэнергетики

Открытие электричества, изобретение генератора стало новым стимулом к совершенствованию ветряных двигателей. Несомненно, что идея использовать силу ветра для выработки электроэнергии приходила в голову не одному инженеру.

Первая же станция промышленного типа была построена в Америке в городе Кливленд (штат Огайо) в1888 г. Чарльзом Брашем. Эта многолопастная конструкция — диаметр крыльев составлял 17м, с направляющей лопастью для разворота крыльев перпендикулярно направлению ветра, способна была вырабатывать до 12 кВт электроэнергии, что, конечно, очень мало по сравнению с современными установками, имеющими такой размах крыльев, вырабатывающими до 100 кВт, но ведь это было почти 120 лет назад! Станция Браша, успешно проработав почти 20 лет, с одной стороны, доказала перспективность данного направления электроэнергетики, а с другой — послужила для конструкторов работающей моделью, позволила выявить недостатки конструкции и, тем самым, создавать более совершенные установки.

По другую сторону океана, в 1891 г. Дан Поль Ла Кур разработал электропривод с генератором, позволявший подключаться к наиболее эффективным по своей конструкции на то время ветряным мельницам и вырабатывать электричество. К концу I Мировой войны подобные установки, вырабатывавшие до 25кВт, получили широкое распространение в Дании, но с внедрением угольных электростанций не выдержали конкуренции и перестали использоваться из-за меньшей сравнительной эффективности.

Инженерная мысль в области ветроэнергетики пошла по двум основным направлениям: создание мощных двигателей для использования в крупных промышленных масштабах и малая энергетика — для решения местных проблем, когда прокладка высоковольтных линий передач или обеспечение других источников невыгодно. Но для того, чтобы конкурировать с гидро- и тепловыми электростанциями ветрякам требовались новые конструкционные решения, ведь отличительной чертой ветра как источника энергии является его неустойчивость. Конструированием в этой области занимались в основном в США. В Америке ­20–30-х гг. более успешным оказалось внедрение ветродвигателей малой мощности, чему в немалой степени способствовал и экономический кризис — Великая депрессия. Как и в глубокой древности, ветряные мельницы помогали снабжать водой сельскую местность, но теперь еще и давали электричество. Попытки создать ветродвигатели большей мощности, производящие энергию в крупных масштабах, не увенчались особым успехом.

А что же Россия? Россия, как и во многих других случаях, по теории ветроэнергетики шла впереди планеты всей. Более того, в 1931 г. в Крыму, неподалеку от Ялты, была построена ветроэлектростанция мощностью 100 кВт, проработавшая порядка двух лет и, кроме того, был разработан проект на 5 МВт.

Интересна история создания, характерная для советского времени. Инициатором ее создания стал Серго Орджоникидзе, отдыхавший у Черного моря и пострадавший от перебоев с электричеством. Желание наркома использовать ветер на благо народа, естественно, было воплощено в минимальные сроки. Не менее интересен собственно создатель станции и последующего проекта — гениальный русский инженер Юрий Кондратюк. Этот человек, впрочем, более известен в мире как создатель теории межпланетного полета, которая в чистом виде, без всяких добавок была использована американцами в своем полете на Луну через добрых сорок лет. Теорию ветровых двигателей разрабатывал Н.Е. Жуковский и, к слову сказать, именно авиаконструкторы внесли наиболее существенный вклад в совершенствование конструкции ветряков. Постоянное использование соответствующей теоретической базы и возможность проведения исследований в аэродинамической трубе позволяют им создавать наиболее целесообразные профили лопасти крыльев ветряка. Научные исследования показали, что чем меньше лопастей у двигателя, тем лучше, и теоретически оптимальным является однолопастной двигатель с противовесом, поскольку в этом случае не создается турбуленции, снижающей КПД. Проекты таких двигателей создавались с 30-х гг., но по разным причинам, в том числе и ввиду конструкционных недостатков (трудности балансировки и т.д.), практически не используются. На сегодняшний день в промышленной ветроэнергетике наиболее распространенными являются двулопастные двигатели, а установки, использующие более трех лопастей, не используются в принципе.

Если со временем развития конструкторских решений количество лопастей у ветряков уменьшалось, то размах крыльев увеличивался из достаточно логичных соображений, что чем больше крылья, тем больше электричества. В США эта мега-гонка привела к созданию проектов серии MOD, с размахом крыльев у некоторых из них более 100 м! Такие монстры потерпели неудачу из-за того, что при вращении на определенной скорости излучали мощный инфразвук, вызывавший вибрацию в домах окрестного населения и угнетение психики у людей, проще говоря — панический страх. Решено было размещать «монстров» в пустынях, но они имели и другие недоработки. Одним из главных недостатков крыльчатой конструкции являются трудности с противодействием ураганным ветрам — с этим недостатком конструкторы борются и по сей день. В связи с этим возникли и новые проекты, использующие самую древнюю идею карусельного колеса.

Говоря о современной истории ветроэнергетики, наиболее развитой в США и Германии, нельзя не сказать о главном — чтобы оседлать ветер, нужны деньги! Считается, что на 50% своего финансирования ветряная энергетика США обязана правительственным субсидиям, остальное — инвестиции крупных энергетических компаний. Американцы жалуются, что созданные на деньги их налогоплательщиков современные конструкции теперь с успехом эксплуатируются в Германии. Не пора ли и нам, обладающим самым большим потенциалом ветряной энергетики, перенять зарубежный опыт — если не американский, то по крайней мере немецкий.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!