|
 С незапамятных времён энергия ветра верно служила людям. Древние греки считали, что легендарный Прометей научил людей не только пользоваться огнём, но и оснастил корабли парусами. Заслуги парусных кораблей общеизвестны: все великие географические открытия были сделаны с их помощью. Легендарные быстроходные парусные суда оставляли позади себя дымящие пароходы, спеша доставить чай из Индии в Европу. Строители парусных кораблей оснащали мачты десятками разных парусов, чтобы даже малейший ветерок помогал движению судна. На суше энергетика развивалась благодаря изобретению 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 вертикальноосными, или так называемого карусельного типа, и в их конструкции старались использовать легкие материалы. На следующем этапе широкое распространение получили горизонтальноосные 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.
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. Использование такой мельницы получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока.
Причина их 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 использовавшиеся там для подачи воды.
Позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая состояла из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до сих пор во многих странах бассейна Средиземного моря. В ІХ столетии ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке, они попали в Европу в Х столетии при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные законы, включая и право отказа на строительство ветряных мельниц, заставляли арендаторов иметь площади для посева зерна возле мельниц феодальных имений. Посадки деревьев близ ветряных мельниц запрещались для обеспечения “свободного ветра”. В XIV столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, который находился на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 кВт каждый.
Позднее известный инженер-гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей (производительностью 1000 м3/мин.), которые перекачивали воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Потом 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.
В 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, которая использовала энергию ветра, через 4 года — первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением печатной машины.
В середине XIX столетия в Голландии использовалось для разных целей около 9 тысяч ветродвигателей. Голландцы внесли много усовершенствований в конструкцию ветряных мельниц и, в частности, ветроколеса.
В более современных конструкциях паруса были заменены тонким листовым металлом, использовались стальные махи и разные типы жалюзи и щитков для регулирования частоты обращения ветроколеса при больших скоростях ветра. Большие ветряные мельницы заводского изготовления при больших скоростях ветра могли развивать мощность до 66 кВт.
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, 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.
Открытие электричества, изобретение генератора стали 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 (1849-1929). Он изобрёл очень эффективный генератор постоянного тока, использовавшийся в общественных электрических сетях, первую коммерческую дуговую лампочку и очень эффективный способ производства свинцово-кислотных аккумуляторов. Его компания «Браш Электрик» в 1892 году слилась с «Эдисон Дженерал Электрик Компани», и новая компания получила широко ныне известное название «Дженерал Электрик Компани» (GE).
В течение зимы 1887-88 гг. Браш построил то, что сегодня называется первой автоматически управляемой ветровой турбиной для производства электроэнергии.
Первая ветроэлектростанция, разработанная Чарльзом Брашем, была воистину гигантской — диаметр ротора был равен 17 метрам и ротор имел 144 лопасти, изготовленные из кедра.
Турбина проработала 20 лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под турбиной. Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт.
В одном американском научном журнале 20 декабря 1890 года была опубликована статья, посвящённая этой турбине, в которой очень детально описывались как сама турбина, так принципы полностью автоматического управления. Принцип, применявшийся Брашем, — использование соленоидов — не претерпел изменений с 1890 года до тех пор, когда контроллер турбины начал управляться компьютером.
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 первой мировой войны подобные установки, вырабатывавшие до 25 кВт, 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 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.
К 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать — экономисты подсчитали, что выгоднее использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной книге “Энергия ветра”, которая не потеряла до сих пор своей актуальности.
Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены, и удовлетворительную экологическую чистоту...
Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.
Литература:
1. Феликс Р. Патури Зодчие ХХI века М.: ПРОГРЕСС, 1979. 345 с.
2. Д-р Дитрих Берндт Конструкторский уровень и технические границы применения герметичных батарей А/О ВАРТА Беттери Научно-исследовательский центр
3. Лаврус В.С. Батарейки и аккумуляторы К.: Наука и техника, 1995. 48 с.
4. Наука и жизнь, №5...7, 1981 г. М.: Правда.
5. The Power Protection Handbook American Power Conversion
6. Шульц Ю. Электроизмерительная техника 1000 понятий для практиков М.: Энергоиздат, 1989. 288 с.
7. Ю. С. Крючков, И. Е. Перестюк Крылья Океана Л.: Судостроение, 1983. 256 с.
8. В. Брюхань. Ветроэнергетический потенциал свободной атмосферы над СССР Метрология и гидрология. №6, 1989 г.
9. Consulting bureau "Risks & Investments"http://www.promeco.h1.ru/stati/28.shtml
http://user.ospu.odessa.ua/~shev/emd_m/nie/1_3_2.htm
10. http://www.ccr.ru/print.php?id=4571
Сергей ПУРГИН | 
