Томские инженеры создали ветряную мельницу для работы в условиях Арктики
Ученые из Сибири сконструировали ветряную установку, предназначенную для непредсказуемого российского климата. Она способна генерировать электроэнергию при любой погоде.
Инновационный портал Томской области
Ветрогенератор уже прошел испытание суровой сибирской зимой. На протяжении полугода он обеспечивал работу системы видеонаблюдения в детском лагере, расположенном в лесном массиве.
— Наша ветряная установка удобно транспортируется и быстро устанавливается, — сообщил автор проекта, выпускник Томского государственного архитектурно-строительного университета Сергей Михалап. — Она вырабатывает электричество при любой скорости и любом направлении ветра. Даже при 1-10 м/с ветряк выдает около 200 Вт электроэнергии.
По словам разработчиков, ветряная мельница с вертикальной осью вращения в первую очередь предназначена для оборудования метеостанций, нефтяных вышек, заимок и других малонаселенных территорий. Прокладывать централизованные электросети в таких широтах экономически нецелесообразно. Один километр линии электропередач обойдется как минимум в 1 миллион рублей. Затраты на топливо для дизельных электростанций тоже высоки. А ветряки позволят сэкономить деньги и обеспечить связью и освещением стоянки оленеводов, нефтяников, геологов, охотников и туристов.
— К нам за помощью уже обратились несколько организаций, закупающих ветрогенераторы за рубежом — в Германии, Америке и Китае, — рассказал Сергей Михалап. — Как оказалось, в условиях Крайнего Севера импортные установки не выдерживают и нескольких месяцев. Лед деформирует металл, в результате ветряки выходят из строя. Наши ветряные мельницы способны работать круглосуточно и без перебоев при температуре до минус 50 градусов по Цельсию.
Инженеры отмечают, что у ветряных мельниц есть и другие плюсы. Например, экологичность. Ведь в результате использования традиционных видов энергии возникают отработанные масла и другие отходы, проблему вывоза которых также приходится решать.
В настоящее время томичи создали несколько рабочих прототипов ветрогенераторов. В ближайшие годы в Сибири начнется их серийное производство.
Как работают ветрогенераторы, и почему ими до сих пор не нашпигован весь земной шар
Ветер встал на службу человека тысячи лет назад, со времен появления первого парусного судна и возведения первой ветряной мельницы. Сегодня энергию ветра преобразуют в электричество с помощью ветрогенераторов, которые объединяют в единые сети — ветряные электростанции. Разберемся, как устроены ветрогенераторы, почему они все выше тянутся к небу и какие факторы, кроме непостоянства ветров, еще долго не позволят им заменить традиционную энергетику.
Как из ветра получить электричество
Для начала нужно «получить» сам ветер, и причина его возникновения находится далеко за пределами Земли. Поверхность нашей планеты неравномерно нагревают солнечные лучи. Теплый воздух поднимается вверх, и его замещают воздушные массы из более холодных областей — так начинается движение воздушных масс относительно друг друга, которое мы называем ветром.
Ветер попадает на лопасти ветрогенератора и вращает их. Кинетическая энергия воздушных масс превращается в механическую энергию лопастей, которые соединены с электрогенератором. Две основные его части — статор и ротор . Через приводы механическая энергия лопастей передается ротору, и он начинает вращаться. Но как механическая энергия превращается в электрическую?
Вокруг ротора и статора намотаны провода, внутри которых есть свободные носители электрического заряда — электроны . Чтобы они упорядоченно побежали по проводнику и превратились в известный всем нам электрический ток в розетке, им необходима «мотивация» — электрическое поле. Части генератора сделаны из магнитных материалов, поэтому он обладает магнитным полем, параметры которого меняются при вращении ротора. По закону электромагнитной индукции, магнитное поле с меняющимися параметрами (переменное) создает вокруг себя такое же переменное электрическое поле, которое и «пинает» свободные электроны из обмоток генератора в ЛЭП, а оттуда в наши розетки.
Если вы прокатитесь на велосипеде с установленным фонариком, загорающимся из-за вращения педалей, то в системе «человек-педали-фонарь» будете так называемым рабочим телом, как и ветер для ветрогенератора. Педали в этом примере имитируют лопасти. Свою механическую энергию вы превратите в электромагнитную, заставив фонарик ярко светиться. По сути, это принцип работы любого электрогенератора, и он одинаков на гидро-, тепловых и атомных станциях. Разница в том, какое рабочее тело используется — воздух, вода или горячий пар.
Что мешает ветроэнергетике завоевать мир
Ветер — бесплатный источник энергии, но чаще говорят о высокой стоимости электростанций. На уголь, нефть и газ приходится более 2/3 в общем мировом потреблении электроэнергии, а на ветроэнергетику — всего 6%, несмотря на ее бурное развитие последние 20–30 лет. Почему человечество до сих пор полностью не перешло на ветряки?
Ветер дует не всегда, его скорость изменчива, поведение трудно предсказать, а иногда его вообще нет: моряки называют это штилем. Для мельников безветрие означало финансовые потери: мешки с зерном накапливались, приходилось ждать или крутить жернова с помощью животных. Теперь штиль мешает энергетикам. Человечество не может поставить себя в зависимость от столь ненадежного источника. Как бы ни развивалась ветроэнергетика, страховкой всегда будут выступать резервные газовые или угольные станции, которые придется запускать при слабом ветре или его отсутствии.
Энергия, которую может вырабатывать ветер, пропорциональна кубу его скорости: E ~ v 3 . При увеличении скорости ветра в два раза выработка энергии вырастет в восемь раз; при росте в три раза — в 27 раз. При средних скоростях ветра, ниже пяти метров в секунду строить ветростанции бессмысленно, это «деньги на ветер» в буквальном смысле. Из-за разных скоростей ветра в разных странах ветроэнергетика заведомо не способна завоевать все регионы мира.
Ветростанции требуют много места: ветрогенераторы надо ставить так, чтобы один не попадал в «ветровую тень» другого, замедляющего скорость ветра. Эмпирическая формула L = 10*H (где L — расстояние между генераторами, а H — высота, на которой они размещены) показывает, что при высоте мачты генератора — 100 метров, расстояние между мачтами должно быть не менее километра. Ветропаркам требуется огромная площадь и в густонаселенных районах места для них может не хватить. Например, Западная Европа подошла к пределам роста ветроэнергетики, и темпы строительства новых станций заметно упали в последние годы.
Ветрогенераторы поднимают все выше — там сильнее и стабильнее дует ветер, а также выносят на морской шельф — строят офшорные ветроэлектростанции. Размещают генераторы на мачтах высотой более 100 метров и, возможно, в ближайшие годы будет «взята высота» в 200 метров. Высокие мачты повышают производительность, но и стоят дороже.
Наконец, есть законы аэродинамики, хорошо исследованные нашими учеными: современная мировая ветроэнергетика выросла, в том числе на фундаменте советской аэродинамической школы. Согласно закону Жуковского–Бетца, ветротурбина в принципе не может использовать более 59,3% (или 16/27) поступающей на нее ветровой энергии. При этом отношение фактически произведённой энергии к максимально возможной теоретически для ветряных станций не превышает 30%. Для тепловых станций обычная величина этого показателя 60%.
Будущее ветроэнергетики
Доля ветра в мировом производстве электроэнергии будет расти, в основном благодаря Китаю, Индии, Бразилии и другим странам Азии, Латинской Америки и Африки, где есть площади для ветропарков и благоприятные погодные условия. Важно следовать за природой. Например, есть зона мощных постоянных пассатных ветров, дующих в обоих полушариях от 30-х широт к экватору. Возможно, именно здесь спустя десятилетия будет мировой ветроэнергетический центр или даже пояс.
В России за последние 3–5 лет возведено несколько крупных ветростанций, и их общая мощность к началу 2022 года превысила два гигаватта. На данный момент это 1% от всех наших электроэнергетических мощностей, и выработать они могут от силы 0,5% всей нужной электроэнергии. На большей части нашей страны ветры существенно слабее, чем, к примеру, на западноевропейской территории, обращенной к Атлантике. Но территории с хорошими ветровыми условиями в России есть — на морских побережьях, в степных и предгорных областях.
Преимущество нашей страны — в наличии собственной мощной научно-производственной школы, связанной с ветроэнергетикой. В научном сообществе создаются идеи и разработки. В стране функционируют предприятия по производству оборудования для ветроэнергетики, построенные, в том числе в последние годы. Однако все это позволяет говорить о ветроэнергетике в России лишь с осторожным оптимизмом.
Ветер перемен: история и тренды ветроэнергетики в России и мире
В последние 25 лет ветроэнергетика в мире сделала огромный рывок. В России мощность отечественных ветроустановок в 2021 году, по данным РАВИ, превысила 2 ГВт. И пусть доля выработки электроэнергии от ветряных электростанций (ВЭС) в общей структуре объединенной энергосистемы страны (ОЭС) сегодня составляет 0,32%, ветропарки все чаще становятся доминантами отечественных ландшафтов. Эксперты говорят: рынок ветроиндустрии сформировался, дальше — больше. Как известно, взгляд в прошлое — как минимум понимание будущего. «Моя энергия» вспоминает основные вехи отрасли: как СССР был пионером ветрогенерации, как ветер поставили на паузу в эпоху застоя и какие перспективы перед ВЭС открываются сейчас.
Ветрогенерация в России сегодня
Источник изображения: freepik.com
Установленная мощность ВЭС, функционирующих на оптовом энергетическом рынке России, составляет 1937,7 МВт, следует из отчета Системного оператора Единой энергетической системы, опубликованного в марте 2022 года. Для сравнения, в Китае только в 2017 году мощность ветроустановок составила 188,4 ГВт, в США — 89 ГВт, в Германии — 56,1 ГВт. Тем не менее, российский рынок демонстрирует уверенный рост год за годом. Выработка ВЭС в марте этого года составила 532,3 млн кВт/ч, что на 53,8% больше, чем в марте 2021 года. За три месяца 2022 года выработка ВЭС увеличилась на 78,9% по сравнению с 1 кварталом прошлого года — до 1586,3 млн кВт/ч.
Основной массив ветроустановок в объеме выработки относится к ОЭС Юга — это Астраханская, Волгоградская и Ростовская области, Ставропольский край, а также республики Калмыкия и Адыгея. Лидером по выработке электричества от ветра в России остается Ростовская область: в первом квартале 2022 года ветропарки в регионе произвели 556 709 кВт/ч, или более 35% выработки всех ВЭС в России за этот период.
История ветрогенерации: назад в будущее
Если копнуть поглубже, ветроэнергетика — не такое новаторское изобретение, как может показаться. Энергия ветра использовалась человеком с древних времен. Первые простейшие ветродвигатели появились в Египте и Китае. В окрестностях города Александрия до сих пор сохранились остатки каменных ветряных мельниц с вертикальной осью вращения, построенные в 2–1 веках до н.э. В 7 веке уже н.э. на территории современного Ирана применялись более совершенные конструкции — крыльчатые установки с горизонтальной осью вращения. В Западную Европу и Русь ветряные мельницы пришли позже, а в 18 веке они достигли своего расцвета.
Ветер помогал транспортной «отрасли» — гнал паруса судов, промышленности — поднимал воду, и малому бизнесу — молол зерна. Кстати, в некоторых странах посадки деревьев рядом с «ветряками» были запрещены — чтобы обеспечить максимально «свободный ветер».
Высочайшего мастерства в умении «укрощать» ветер достигли голландцы. Крупные ветряные мельницы заводского изготовления при больших скоростях могли развить мощность до 66 кВт. В середине 19 века в Голландии работали около 9 тыс. ветродвигателей разного типа. Кто знает — если бы не паровые машины, энергетика Европы была бы уже зеленой на 100%. Однако с началом промышленной революции использование ветра для нужд домохозяйств и промышленности резко пошло на спад.
Ветряные мельницы возле озера в Нидерландах. Источник изображения: freepik.com
Ветроэлектростанция Джеймса Блита. Источник изображения: wikipedia.org
Тем не менее, энтузиасты не оставляли попыток использовать ветер для нужд домохозяйств. В 1887 году профессор Джеймс Блит создал в Шотландии первую ветряную турбину, которая предназначалась для выработки электричества. Установка высотой 10 метров использовалась для обеспечения дома ученого светом. В 1888 опыт повторили в США: изобретатель Чарльз Бруш с помощью ветрогенератора провел электричество в свой особняк.
Полноценный возврат к теме ВЭУ на Западе случился примерно в 50-х годах 20 века. В 1950 году компания Vorth Scotland Hydroelectric Board разработала экспериментальный ветродвигатель, который был установлен на Оркнейских островах в Шотландии. ВЭУ была рассчитана на мощность 100 кВт при скорости ветра 15,6 м/с. Она работала в связке с дизельной электростанцией, но проект скоро свернули из-за трудностей при эксплуатации.
В 50-60-х годах несколько крупных ветрогенераторов работало и во Франции. Так, три установки с горизонтальной осью вращения трехлопастного ветроколеса крыльчатого типа функционировали недалеко от Парижа. В авангарде проектирования ветроустановок в то время была и Германия. В стране активно эксплуатировали легкие ветроколеса с постоянной частотой вращения и системой регулирования поворотом лопастей, которые изготавливали из стеклопластика и пластика. Наибольшая из ВЭУ, развивавшая 100 кВт при скорости ветра 8 м/с, успешно работала с 1957 года на протяжении 11 лет.
Первый ветропарк появился в США в 1975 году. Он обеспечивал чистой энергией порядка 4 000 домов.
Ветроэнергетика в России: от трудов Жуковского до самого мощного ветрогенератора в мире
До Великой Октябрьской социалистической революции в крестьянских хозяйствах России насчитывалось около 250 тыс. ветряных мельниц. Ежегодно они перерабатывали почти половину урожая, а это около 33 млн тонн зерна. С изобретением паровых машин, а потом и двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей старые примитивные ветряные двигатели и мельницы, как и в Европе, оказались на обочине прогресса.
Николай Жуковский. Источник изображения: wikipedia.org
Тем не менее, в первой половине 20 века СССР стал одним из лидеров в сфере ветроэнергетики. В начале прошлого века великий русский ученый Николай Жуковский разработал теорию быстроходного ветродвигателя и заложил научные основы создания высокопроизводительных ветродвигателей, способных более эффективно использовать энергию ветра. Они были построены его учениками после организации в 1918 г. Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ).
В 1925 году в ЦАГИ был создан отдел ветряных двигателей.
Заведующий отделом, Николай Красовский, опытный летчик, участник Первой мировой войны, начал эксперементы с ветром в 1919 году с американского ветряка, установленного на крыше Аэродинамического института в Кучине. Плоды своей работы его команда представила в 1923 году на Первой сельскохозяйственной выставке в Москве. Ученые показали новый ветрогенератор с динамо-машиной, установленной на 25-метровой башне. Диаметр лопастей установки составил 6 метров.
Для пилотного проекта были выбраны Бакинские нефтепромыслы. Под руководством Красовского на нефтяной вышке установили ветрогенератор с диаметром лопастей уже 14 метров.
Вот как это предприятие описывалось в литературе: «Руководил сборкой Красовский. Он сам вязал бревна для подъема наверх, первый лез туда, куда боялись лезть рабочие, увлекая их своим примером. Все это время, пока строился ветряк, Красовскому пришлось вести спартанский образ жизни. Конструктор спал на голых досках, подстелив под себя газету и покрывшись солдатской шинелью, с которой он не расставался».
Сборка ветряка на нефтяной вышке в Баку. Иллюстрация книги «Создатели двигателей». Автор — Л. Гумилевский. Иллюстратор — Е.Ванюков
Разработка ветряков продолжилась в ЦАГИ под руководством другого советского ученого и инженера — Григория Сабинина. Он создал уникальную ветросиловую лабораторию, а в 1931 году в Балаклаве ввели в строй первый экспериментальный ветроагрегат мощностью 100 кВт. На тот момент это был самый мощный ветрогенератор в мире. Годовая выработка энергии составляла около 280 тыс. кВт/ч. Генератор и регулирующие устройства были установлены на вершине башни высотой 30 м.
Частота вращения ветроколеса регулировалась путем поворота лопастей. Башня имела наклонную опору, установленную на тележке, которая перемещалась по кольцевой направляющей для ориентации ветроколеса на ветер. Ротор для агрегата разработали Сабинин и Красовский, опоры для проекта создал знаменитый инженер и архитектор, «русский да Винчи» Владимир Шухов, а аппаратную часть — талантливый инженер Юрий Кондратюк.
Сам Кондратюк во время утверждения проекта находился в ссылке, поэтому документ подписывал Николай Никитин, который позже спроектирует знаменитую Останкинскую башню. До войны гигантская ветроустановка весом в 9 тонн и диаметром лопастей в 30 метров подавала электричество для трамвайной линии Балаклава-Севастополь. Во время боевых действий на острове ветрогенератор был разрушен.
Шедевр Уфимцева
Ветрогенератор Уфимцева в Курске, сентябрь 2007 г. Источник изображения: wikipedia.org
Другое неоспоримое достижение советской ветроэнергетики 1930-х годов — ветроэлектростанция в Курске мощностью 7 кВт. Ее построил знаменитый советский изобретатель-самоучка Анатолий Уфимцев, которого Максим Горький называл «поэтом в области научной техники». За свою жизнь он получил 68 патентов, в том числе на новаторские конструкции самолетов и двигателей. Курская ВЭС была первой в мире установкой с аккумулятором для равномерной отдачи энергии ветродвигателя и поворотными лопастями. Высота станции составляла 42 метра, а диаметр лопастей — 9 метров.
ВЭС обеспечивала электричеством дом Уфимцева, его мастерскую и еще несколько домов на той же улице. Его проект проработал почти 20 лет, пережив войну, оккупацию и своего создателя. В 1957 году ВЭС была остановлена для ремонта, но без технической документации инженеры не смогли разобраться в конструкции, и станция так и не вернулась к работе.
Тем не менее, ветроэнергетика в СССР набирала обороты. До войны в стране было налажено серийное производство ветрогенераторов малой мощности (3–4 Квт) для нужд сельского хозяйства и кустарной промышленности, в основном в отдаленных районах. Уже тогда власти понимали, как важно электрифицировать изолированные территории, используя новые технологии. Так, в родном поселке чукотского писателя Юрия Рытхэу Улак, электрическое освещение появилось в конце 1930-х годов благодаря ветродвигателю, который обеспечивал электричеством не только жителей, но и соседнюю полярную станцию.
Со второй половины прошлого века СССР и Запад поменялись местами. Если в мире ветроэнергетика вышла на новую ступень после нефтяного кризиса 1972— 1973 годов, когда развитые страны впервые осознали свою зависимость от импорта арабской нефти, то в СССР ветер задвинули на второй план.
Причиной стало открытие в 1960-е годах нефтяных и газовых запасов Сибири. Дальнейшую судьбу энергетики диктовала экономика: ископаемая энергия оказалась дешевле. Гвоздь в крышку гроба советской ветроэнергетики заколотил мирный атом. Союз сделал ставку на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС, а ветряки просто не смогли выдержать конкуренцию с энергогигантами из единой национальной сети. В 60-х годах производство ВЭУ закрыли.
О ветре на высшем уровне вспомнили во время перестройки, в условиях крайнего дефицита. Был даже согласован проект по модернизации и развитию ветроэнергетики, а МКБ «Радуга» Минавиапрома СССР и НПО «Южное» Минобщемаша СССР к 1990 году организовали серийное производство современных ветроэнергетических установок мощностью 200, 250 и 1000 кВт. Началось создание первых крупных системных ВЭС: Восточно-Крымской, Ленинградской, Калмыцкой, Магаданской и Заполярной в Воркуте. Однако вскоре «зеленые» проекты были заморожены: конец СССР был уже близок. Возрождение ветроэнергетики в стране будет отложено еще почти на 20 лет.
Российский ветер: за чем будущее
Если в прошлом веке упор на ветроэнергетику делался в связи с проблемами с подвозом топлива на основе нефти, то позже в повестку прочно вошли вопросы изменения климата и как следствие — зеленой энергетики. В 2021 году европейские страны поставили новый рекорд по скорости развертывания ветряных электростанций: ветроэнергетическая мощность Европы выросла на 17,4 ГВт. Всего в мире ветроэнергетика выработала 1814 ТВт/ч в 2021 году. Более того, по итогам прошлого года общий мировой объем солнечной и ветровой генерации впервые обошел атомную энергетику.
Источник изображения: pexels.com
В России спрос на зеленую энергию растет, однако у страны в силу ее территории и природных богатств — особый энергетический путь. Такое мнение в ходе ПМЭФ-2022 высказал председатель правления ПАО «Газпром» Алексей Миллер. По его словам, зачастую зеленая энергетика оказывается менее щадящей для окружающей среды, чем сжигание ископаемого топлива в силу более «грязного» производства комплектующих для ВЭС и СЭС, а также сложностей с их утилизацией.
«Это пластиковые свалки, тяжелые металлы, электромобили, в результате так называемый углеводородный след больше, чем в традиционной энергетике. Поэтому сказать, что это ВИЭ — это спасательная соломинка — глубокая ошибка. А самое главное, что люди которые занимаются ВИЭ, понимают, что нужно стопроцентное резервирование мощностей», — отметил председатель правления ПАО «Газпром».
По мнению эксперта РАНХиГС Татьяны Ланьшиной, наиболее перспективными нишами в России станут внедрение ветрогенераторов на изолированных территориях, использование ветроустановок средней мощности (менее 1 МВт). Также, по словам эксперта, в тренде — поставки ветровой энергии на розничные рынки в энергодефицитных и изолированных районах. Это особенно актуально, учитывая, что 70% территории России находится в зоне децентрализованного энергоснабжения с огромными ветроресурсами. Речь о таких регионах, как Камчатка, Магадан, Чукотка, Сахалин, Якутия, Таймыр и др.
Кто придумал ветряную мельницу для электричества
Предположительно древнейшие ветровые мельницы были распространены в Вавилоне, о чем свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 до н. э.). Описание органа, приводившегося в действие ветряной мельницей, — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. Оно принадлежит греческому изобретателю Герону Александрийскому, I век н. э. Персидские мельницы описываются в сообщениях мусульманских географов в IX в., отличаются от западных конструкцией с вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями, лопатками или парусами. Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, так как паруса жестко связан с осью, мельница не будет вращаться. Еще один вид мельниц с вертикальной осью вращения известен как китайская мельница или китайский ветряк. Конструкция китайской мельницы значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.
Зафиксировано упоминание о ветряной мельнице в Иране в 644 году, когда в обвинительном акте против некоего Абу Лулуа, убившего халифа Умара ибн ал-Каттаба, он назван «строителем ветряных мельниц». Немногим более чем через 200 лет ветряные мельницы появляются в городке Сиетеке на границе между Ираном и Афганистаном.
Использование мельниц с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащённых поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря.
В XI веке ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и при возвращении крестоносцев попали в Европу. Первое упоминание о ветряной мельнице в Европе, вначале во Франции, относится к 1105 году: в архивах сохранилось разрешение, выданное некоему монастырю на постройку мельницы. Французские хроники 1180 года и английские 1190 года уже прямо говорят о работающих ветряных мельницах, но ещё совсем не о тех, с которыми впоследствии сражался хитроумный идальго Дон Кихот Ламанчский! Это были неуклюжие сооружения с вращающимися в горизонтальной плоскости лопастями, укреплёнными на деревянном корпусе. По принципу действия английские и французские мельницы были однотипными. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны.
Ветряные мельницы не сразу стали такими, какими мы их видим на полях Эстонии, Голландии и других стран. Первые египетские мельницы снабжались не крыльчатым, а барабанным колесом. Лопасти устанавливались вертикально на плоскости колеса. Этот двигатель работал при любом направлении ветра, но был не так эффективен, как двигатель с крыльчатым колесом. Поверхность лопастей ветряного колеса, – расположение оси которого совпадает с направлением ветра, полностью обдувается потоком воздуха, поэтому сила вращения колеса значительно больше. Крыльчатое колесо начинает работать при ветре небольшой силы, а барабанное колесо работает только при сильном ветре. И все же ветряные мельницы с крыльчатыми колесами появились только в VII веке нашей эры в Персии.
Любопытная подробность – голландские ветряные мельницы на самом деле никакие не мельницы и никогда ими не были. Ветряные колеса приводили в движение насосы, откачивающие избыток воды. Голландия – страна многочисленных каналов и отвоеванной у моря земли. Чтобы предотвратить наводнения, воду откачивают и направляют в водоотводные каналы. Хотя само понятие «ветряная мельница» у нас ассоциируется с образом голландского ветряка.
Таким образом ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора (Приложение 2 Рис. 8 Ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора) известны с 1180 г. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. В XIII веке в Священной Римской империи появились конструкции мельниц, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру.
Экономический расцвет Голландии, куда Петр I (1672–1725) ездил учиться уму-разуму, в XVI веке был вызван именно развитием ветроэнергетики в этой стране. Голландцы успешно перешли от первоначального использования ветряков для осушения низких приморских земель к их приспособлению в качестве привода различных производств. В результате Голландия стала самой энерговооруженной страной в тогдашней Европе.
Наиболее удачную конструкцию ветряной мельницы еще в XVII веке предложил голландец Ян Андриаанезоон (впоследствии во всём мире её стали называть «голландской»). С помощью этой мельницы он осушил 27 озёр, заслужив у соотечественников почётное прозвище «Леегватер» – «опустошитель вод».
Максимальное распространение ветряных мельниц в доиндустриальной Европе наблюдалось в 1700-е годы, когда на равнинах Германии, Италии, России, Украины, Испании и, конечно же, Голландии – классической страны ветряных мельниц – мерно вращали свои крылья деревянные великаны. В 30-х годах XVIII столетия в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота. А к концу XIX века в Голландии их насчитывалось свыше 10 000 (в 1923 г. – только 2500, а в наше время – едва тысяча), а в маленькой Дании – 30 тысяч для бытовых целей и 3 тысячи ветродвигателей, которые использовались в промышленности.
Такое положение дел было в Европе вплоть до появления двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей в XIX веке. Водяные мельницы были распространены в основном в горных районах с быстрыми реками, а ветряные — в равнинных ветреных местностях.
В России ветряные мельницы традиционно использовалась для помола зерна (ветряные мельницы) или подъёма воды. По разным источникам, в Российской империи к началу минувшего столетия насчитывалось более четверти миллиона ветряков. Русские плотники создали множество конструкций мельниц. Из них можно выделить два типа – «столбовки» и «шатровки». Первые были распространены на Севере, вторые – в средней полосе и Поволжье. В «столбовке» мельничный амбар вращался на врытом в землю столбе. Эти мельницы изображены на картинах Айвазовского. Принцип устройства «шатровок» иной: нижняя их часть в виде усеченного восьмигранного сруба была неподвижной, а меньшая по размеру верхняя часть вращалась под ветер. Их можно видеть на полотнах Поленова, Левитана, Серебряковой.
Ветродвигатели для перекачивания воды и размола зерна массово применялись по всей Украине. Украина – страна с многовековыми традициями использования энергии ветра. Как известно из архивных данных, перед 1917 годом общая мощность таких ветряков на территории нынешней Украины составляла 1400 МВт. (Для сравнения: Хмельницкая АЭС имеет мощность 2000 МВт, а суммарная установленная мощность современных ветроэлектростанций в странах Европейского Союза в 1994 году равнялась 1510 МВт). В старину, во времена Гетьманщины, Украиной управляла выбираемая народом администрация – козацкая старшина. Жалования ей не полагалось, деревень тоже никто не раздавал. Но каждый полковник, сотник или иной чиновник высокого ранга обладал монопольным правом на определенные виды деятельности. В первую очередь это касалось помола зерна, который в те времена осуществлялся ветряными мельницами. Сложившийся тогда порядок обеспечил самое широкое распространение ветряных мельниц, надолго ставших неотъемлемой частью украинского пейзажа.
Музей Переяслава-Хмельницкого под открытым небом демонстрирует народное зодчество и быт Среднего Приднепровья. Особой достопримечательностью музея является коллекция украинских ветряков, насчитывающая 14 памятников. Много ветровых мельниц есть и в Пирогово.
Первые промышленные ветроэлектростанции были сконструированы в Дании в 1890 году. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье был запатентован во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г.).
В 1914–1918 гг. Н.Е. Жуковский и его ученики В.П. Ветчинкин, Г.Х. Сабинин, Н.В. Красовский, Г.Ф. Проскура и другие впервые создают теорию ветродвигателей.
Теория и испытания крыла и винта самолёта применяются и к изучению явлений, происходящих при прохождении воздушного потока через ветровое колесо.
Теорию идеального ветроколеса впервые разработал в 1914 г. В.П. Ветчинкин (1888– 1950) на основе теории идеального гребного винта. В этой работе он установил понятие коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом.
В 1920 г. Н.Е. Жуковский изложил теорию «ветряной мельницы типа НЕЖ», где сделан вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом. Аналогичные теории были разработаны позднее в России профессором Г.Х. Сабининым и в Украине харьковским ученым академиком АН УССР (с 1929 г.) Г.Ф. Проскурой (1876–1958).
Теория идеального ветроколеса Н.Е. Жуковского получила название классической теории. Она устанавливает, что максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом равен 0,593.
Наиболее полно с точки зрения практического применения теория идеального ветроколеса изложена профессором Г.Х. Сабининым. Согласно его теории максимальный коэффициент использования энергии ветра ветроколесом равен 0,687. Г.Х. Сабининым разработана также теория реального ветроколеса.
В мире было немного учёных, занимавшихся аэродинамикой ветроколеса: в Германии – руководитель Геттингенской аэродинамической и испытательной лаборатории доктор Альберт Бетц, а также профессор Штутгартского университета Ульрих Хюттер, в США – известный аэродинамик Теодор фон Карман (1881–1963).
У.Хюттер запатентовал несколько десятков изобретений в области ветроэнергетики, опубликовал несколько десятков научных статей и докладов. Он разработал технику экспериментов с установкой дымовой шашки или трассера на лопасти и первый применил её в исследованиях. На конец одной из лопастей ветроколеса уста
навливалась дымовая шашка, которая при запуске поджигалась электрическим током. Уходящий за плоскость вращения спиральный дымовой след сбоку фиксировался на фото-, киноили видеоплёнку (рис. 4.24). Дешифровка снимков позволяла судить об эффективности работы ветроколеса в конкретные моменты времени, когда записывалась скорость ветра, измеренная на метеовышке.
Создание теоретических основ использования энергии ветра активизировало работу изобретателей и конструкторов. Ещё до революции российский изобретатель А.Г. Уфимцев, названный А.М. Горьким «поэтом технический мысли», разработал проект ветровой электрической станции (ВЭС), у которой 56 ветровых электрических установок (ВЭУ) с диаметром ветроколёс по 40 м на высоте 350 м над уровнем земли при скорости ветра 9 м/с должны вырабатывать мощность 100 МВт. Этот проект и в наши дни не утратил актуальности, к тому же строители давно уже сооружают объекты такой и даже большей высоты.
В начале 30-х годов в СССР впервые разрабатывалась ВЭС мощностью 2–25 тысяч кВт. До этого мощность таких станций в мире не превышала 100 кВт. Работа имела огромное государственное значение. В 1932 г. в конкурсе по проектированию сверхмощной ВЭС принимает участие Ю.В. Кондратюк (1897–1941).
В апреле 1933 г. экспертиза проектов ВЭС закончилась победой эскизных проектов Ю.В. Кондратюка и Украинского института промышленной энергетики (УИПЭ, г. Харьков). Получив напутствие наркома Г.К. Орджоникидзе, Юрий Васильевич приезжает в Харьков, где со своим коллективом работает над техническим проектом ВЭС параллельно с группой УИПЭ.
Летом 1934 г. академическая экспертиза рекомендует проект Кондратюка к строительству. Г.К. Орджоникидзе создаёт в Москве контору по строительству КрымВЭС, которая под научным руководством Юрия Васильевича разрабатывает рабочий проект небывалой станции. В 1936 г. началось её строительство на Ай-Петри. Ю.В. Кондратюк спроектировал ВЭС на 12 тыс. кВт, равной которой по мощности нет в мире и поныне. После смерти Орджоникидзе эта работа была свёрнута.
Современные ветряные электростанции (ветрогенераторы) обеспечивают электроэнергией небольшие хозяйства и предприятия.