Ветер

Велика энергия ветра в нашей стране. В каждой области у нас дуют ветры со средней скоростью не менее трех, трех с половиной метров в секунду. Особенно постоянны сильные ветры в районах Балтийского моря, на Камчатке, у Каспийского моря. Если бы удалось полностью использовать энергию ветров этих мест, например, превратить их в электричество, то на каждом квадратном километре там можно было бы получить от шестидесяти тысяч до одного миллиона киловаттчасов электрической энергии в год!

По расчетам ученых, энергия ветра превышает энергию всех видов ископаемого топлива в два с половиной раза!

Таким образом, голубой уголь занимает первое место по мощности своих запасов. Более того. Энергия ветра просто неистощима. До тех пор, пока на земле будет светить солнце, будут существовать и ветры.

Голубой уголь находится всюду. Его не нужно доставать из шахты, он всегда под руками. Надо только научиться использовать его для своих нужд, заставить ветер служить человеку. Для передачи такой энергии не нужно дорогостоящих линий передач, ее можно «улавливать» прямо на месте — в любом районе земли.

Ветер служит человеку

Попытки использования ветра человеком известны очень давно.

С незапамятных времен люди пользовались ветром для передвижения по воде. На судах закреплялись большие полосы прочной материи, так называемые паруса. Ветер надувал паруса и гнал судно вперед. Чтобы можно было управлять ходом такого корабля, на нем устанавливали много парусов самых различных форм и размеров. Управление парусными судами требовало от моряков большого умения.

С изобретением пароходов большие парусные корабли стали не нужны, но и сейчас на воде часто можно видеть небольшие парусные суда — яхты и большие парусные лодки.

Зимой физкультурники используют ветер для быстрой езды под парусами на коньках и лыжах.

Происхождение ветряных мельниц также теряется в глубокой древности. Трудно сказать, кто и когда построил первую ветряную мельницу. В истории народов об этом нет каких-либо точных записей. Однако известно, например, что китайцы уже не одну тысячу лет пользуются ветряками самого простого устройства. А в Египте, около города Александрии, ветряные мельницы очень давней постройки сохранились до настоящего времени. Ученые считают, что каменные башни этих мельниц были построены около трех тысяч лет назад. Эти древние ветряки строились таким образом, что могли работать только при каком-нибудь одном направлении ветра. Ими пользуются и сейчас.

Когда точно появились первые ветряки в Европе, неизвестно. Но уже в 1105 году один французский монастырь получил от короля разрешение на устройство ветряной мельницы.

Рис. 14. Старейшая ветряная мельница в Европе.

С тех пор ветряки широко распространились по всем европейским странам. Много было ветряков и в древней Руси.

Главное применение ветряных мельниц — перемалывание зерна в муку.

Основная часть такой мельницы — ветровое колесо, состоящее из четырех или шести крыльев, закрепленных на горизонтальном валу.

При ветре в четыре-пять метров в секунду ветровое колесо мельницы вместе с валом начинает вращаться. От вала вращение через пару конических шестерен передается жернову, перемалывающему зерно. С изменением направления ветра крылья мельницы (вместе с ее крышей или вся мельница) с помощью несложного приспособления поворачиваются в наветренную сторону.

Первое значительное усовершенствование ветряных мельниц было сделано во второй половине прошлого века. Крылья ветряков стали делать из металла, более узкие и меньших размеров (три — шесть метров длины). Некоторые типы ветродвигателей стали иметь значительно большее число (до шестидесяти четырех) этих узких металлических крыльев (или лопастей), так что они образовали сплошной круг (рис. 15). Благодаря этому ветряки стали работать при слабых ветрах (два с половиной — три метра в секунду).

Рис. 15. Многолопастный ветродвигатель конца прошлого века системы инж. Давыдова.

Был предложен целый ряд различных типов ветродвигателей. По конструкции ветрового колеса и потому, как расположено оно в потоке ветра, их можно разбить на четыре группы: карусельные, барабанные, роторные и крыльчатые.

Устройство двигателей карусельного и барабанного типов ясно видно на рисунке 16.

Рис. 16. Ветродвигатель карусельного (слева) и барабанного (справа) типов.

Часть лопастей (вращающихся против ветра) ветровых колес этих двигателей постоянно закрыта щитом. Из рисунка видно, что ветровое колесо барабанного типа работает, как колесо водяной мельницы, а ветродвигатель карусельного типа, действительно, напоминает ярмарочную карусель.

Колесо роторного ветродвигателя состоит из двух пустотелых полуцилиндров (рис. 17); они закрепляются на вертикальной оси так, что сдвинуты друг относительно друга.

Рис. 17. Роторный ветряк.

Это — металлический цилиндр, разрезанный на две половинки, но так, что одна половинка сдвинута немного вправо, а другая — влево. Благодаря такому расположению полуцилиндров ветер всегда давит на внутреннюю поверхность одного из них, именно того, который находится в данный момент своей внутренней стороной к ветру. В результате возникает постоянное вращение ротора.

Все эти три типа ветродвигателей тихоходны; они ломаются при сильных ветрах, так как имеют большую поверхность вращающихся частей. Коэффициент использования энергии ветра у них очень мал — от десяти до восемнадцати процентов.

Наилучшим типом ветродвигателя является четвертый — крыльчатый, самым древним образцом которого и является обыкновенная ветряная мельница. Усовершенствованием таких ветряков и занимаются сейчас инженеры-конструкторы ветродвигателей.

Крыльчатые ветродвигатели бывают быстроходные — с малым числом лопастей ветрового колеса, и тихоходные — многолопастные.

Лучшие образцы современных крыльчатых ветродвигателей используют до сорока двух процентов голубого угля.

А вот очень интересное использование энергии ветра для движения на воде.

Взгляните на рисунок 18.

Вы видите корабль с двумя высокими трубами. Но это не дымовые трубы, а… двигатели судна!

Рис. 18. Судно с вращающимися трубами.

Цилиндрическая труба этого судна с помощью небольшого моторчика — в пятнадцать лошадиных сил — приводится во вращательное движение. Чтобы лучше понять, что при этом происходит, посмотрите на схему внизу рисунка 18. Когда труба начинает вращаться, она увлекает за собой прилегающий к ней тонкий слой воздуха. Если теперь на вращающуюся трубу подует ветер, то направление движения этого ветра с одной стороны трубы совпадет с движением самой трубы (а значит, и с направлением вызванного вращением трубы ветра), а с другой, наоборот, будет противодействовать движению трубы и вызванному ее движением ветру. Благодаря такому столкновению двух потоков воздуха с одной стороны трубы будет происходить накопление частиц воздуха, и его давление на трубу здесь увеличится.

Судно начинает двигаться! Скорость такого судна может достигать пятнадцати — двадцати километров в час.

Итак, мы видим, что энергия голубого угля может быть использована в самых различных двигателях. Но вот тут-то и приходится вспомнить об основном недостатке энергии ветра — о его непостоянстве.

Ветер — это самая непостоянная стихия. То его нет, а то задует очень сильно. Никогда также нельзя быть уверенным, будет ли дуть ветер еще час, пять часов или несколько дней. Человек не может быть уверен в том, что он сможет использовать ветер в нужное ему время, а не только тогда, когда ветер дует.

Каким же образом решается задача использования ветра в настоящее время?

Долгое время — до начала двадцатого века — строительство новых ветряков было чисто практическим делом. Теории ветряного двигателя не существовало.

Конструкторы «ветряных машин» работали вслепую. Каждый из них полагался только на собственный опыт. Но вот этим делом занялся великий русский ученый Николай Егорович Жуковский. И вскоре в стенах Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), в Москве, им впервые в мире была разработана теория совершенного ветродвигателя.

Искусство строения ветряных двигателей стало наукой! В ЦАГИ, по указанию В. И. Ленина, начались широкие научно-исследовательские работы по освоению дешевой и богатой энергии голубого угля.

Работы ЦАГИ продолжили Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), Всесоюзный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ВИМЭ), Всесоюзный институт сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) и другие научные учреждения нашей страны.

За годы сталинских пятилеток ученики и последователи Жуковского — Сабинин, Ветчинкин, Красовский и другие — создали десятки самых различных типов ветряков, простых, дешевых и удобных в работе.

Советские ветродвигатели

В течение последних десятилетий немало советских изобретателей потрудилось над тем, чтобы построить такой тип ветряного двигателя, который работал бы при любой скорости и при любом направлении ветра. Старались создать такие образцы, которые можно легко делать кустарными средствами или серийным порядком на заводах. Были сконструированы ветродвигатели для самых различных нужд народного хозяйства. Резко увеличилась и мощность ветряков.

Уменьшение веса и увеличение числа лопастей ветрового колеса улучшили работу ветряков. Они стали более легкими на ходу. Благодаря этому современные ветродвигатели приходят в движение уже при ветрах силой в два — два с половиной метра в секунду.

Если ветер опасно усиливается, лопасти колеса ветродвигателя автоматически изменяют свое положение, и тем самым уменьшается число оборотов ветроколеса. Таким путем добиваются довольно постоянного числа оборотов ветровых колес при любых изменениях силы ветра. С помощью ряда других приспособлений, описания которых мы здесь не приводим, в современных ветродвигателях осуществляется полное превращение изменчивой энергии голубого угля, например, в электрический ток постоянного напряжения.

Так, один из последних советских образцов — быстроходный ветродвигатель «ВИМЭ-Д-12», мощностью в десять киловатт, при любой нагрузке и скорости ветра (от трех метров в секунду и выше — до штормовых ветров) дает строго постоянное число оборотов рабочего вала, а значит, и вырабатывает во всё время работы электрический ток одного напряжения.

Установка ветрового колеса на ветер стала осуществляться без помощи человека. Посредством различных приспособлений ветряки всегда держатся строго против ветра.

Мощность современных ветроустановок может быть очень велика. От ветрячков в сто и менее ватт, способных дать электрическую энергию двум небольшим лампочкам, конструкторы ветродвигателей дошли до таких мощных установок, как двигатель в тысячу киловатт. В 1935 году у нас был сконструирован ветряк такой мощности (марка «ЦВЭИ-Д-50», рис. 19).

Рис. 19. Мощный советский ветродвигатель «ЦВЭИ-Д-50» на 1000 киловатт; проект.

В 1945 году все проекты последних моделей советских ветряков были рассмотрены и проверены специальной комиссией под председательством академика Винтера. Она одобрила к массовому производству несколько лучших марок ветряных двигателей из тех, которые хорошо показали себя в работе. Среди этих ветродвигателей — самые различные образцы ветряков, от ста ватт до тысячи киловатт мощности.

Один из лучших советских быстроходных ветряков средней мощности имеет марку «Д-12». Его мощность — двенадцать-пятнадцать киловатт. Этот двигатель можно применять для самых различных работ: для освещения, молотьбы, орошения полей, очистки и помола зерна, для лесопилок и других машин. Ветродвигатель «Д-12» хорошо работает в Арктике (на островах Ледовитого океана) с 1935 года (рис. 20).

Рис. 20. Ветродвигатель «Д-12».

Там же с 1939 года работают маломощные ветродвигатели марок «ВИМЭ-Д-5» и «ВИСХОМ-Д-1,5», также одобренные комиссией. «ВИСХОМ-Д-1,5» — это очень маленький, простой и безотказный в работе ветрянок. Диаметр его ветрового колеса всего полтора метра. Он способен работать при ураганных ветрах и морозах в сорок — сорок пять градусов. Вырабатывая сто — сто двадцать ватт электрической энергии, «ВИСХОМ-Д-1,5» освещает две точки.

Лучший советский тихоходный ветряк имеет марку «ТВ-8». Его мощность доходит до 6 лошадиных сил. Этот ветродвигатель изготовляется на наших заводах по плану послевоенной пятилетки.

Очень много работают советские конструкторы ветродвигателей над упрощением конструкции и изготовления ветряков, которые можно было бы делать в небольших слесарных мастерских. Основные материалы для изготовления таких ветродвигателей — дерево и черное железо, а подчас и просто отработанные части различных сельскохозяйственных машин.

Таковы, например, простейшие ветродвигатели системы инженера Фатеева, предложенные им в годы Отечественной войны. Они строятся в настоящее время силами колхозов во многих областях Советского Союза. Это — деревянные ветряки, похожие по своему устройству на ветряную мельницу. Мощность их — от шести до двенадцати лошадиных сил.

В поисках кладовой для ветра

Итак, в настоящее время у нас строятся как очень простые по конструкции ветродвигатели, так и весьма сложные, очень мощные установки по использованию самой дешевой энергии — энергии голубого угля. Устройство всех этих ветряков позволяет использовать ветер с самыми различными скоростями и добиваться в то же время равномерного получения механической или электрической энергии.

Однако до сих пор еще не разрешен до конца вопрос о запасании энергии ветра впрок, так, чтобы и в безветренный день ветроэлектрическая станция бесперебойно снабжала нас электрическим током.

Как можно заставить работать ветер, когда его нет? Решением такой, на первый взгляд невыполнимой, задачи заняты сейчас конструкторы ветродвигателей.

Решить эту задачу можно только одним способом — это научиться «откладывать» часть голубого угля при работе ветряка в запас и затем, во время безветрия, использовать этот запас до тех пор, пока не подует снова ветер.

Но куда же, в какую кладовую лучше всего откладывать этот запас?

Было предложено много проектов аккумулирования (запасания) энергии голубого угля. Вот главные из них:

Запасать часть вырабатываемого ветроэлектростанциями электричества в особых хранилищах — аккумуляторах. По этому предложению построены и работают много типов ветродвигателей. Но аккумуляторы стоят дорого, и запасти в них много электрической энергии невозможно.

Было предложено расходовать часть ветровой энергии на нагревание воды с тем, чтобы при безветрии использовать энергию нагретой воды. Этот способ плох тем, что мы умеем использовать только энергию кипящей воды — в паровых котлах. Значит, в течение двух-трех безветренных дней нам нужно сохранять не просто горячую, а кипящую воду, или непрерывно подогревать ее, тратя топливо.

Часть энергии ветра можно использовать на разложение воды. Известно, что вода состоит из водорода и кислорода, а водород можно использовать как горючее в особых газовых (взрывоводородных) двигателях. Значит, если при работе ветряка получать из воды водород, то при безветрии этот водород можно использовать как горючее и тем самым не прекращать подачи энергии.

Можно, наконец, запасать энергию ветра в виде энергии воды, то-есть строить спаренные установки ветряного двигателя и водяной турбины (водяного колеса типа колеса водяной мельницы). Построенные по этому принципу до настоящего времени установки не смогли, однако, обеспечить бесперебойную работу электростанции. Часто запасов воды не хватало на весь период безветрия. Но вот в 1923 году проф. Погоржельский и позднее другие предложили новое остроумное сочетание ветряка с водяной турбиной (иначе говоря, ветро-гидродвигатель), которое, по расчетам, заставит ветер работать все дни года! В этом двигателе обе его основные части — ветродвигатель и водяная турбина — работают по очереди. В ветреную погоду трудится ветряк, отдыхает турбина. Прекращается ветер — начинает работать водяная турбина, бездействует ветродвигатель.

Устроен ветро-гидродвигатель так.

Рядом с глубокой шахтой установлен обыкновенный современный ветродвигатель с генератором (то есть с динамомашиной для получения электрической энергии). В шахте, на глубине двух — двух с половиной километров (такие шахты мы уже умеем делать), помещается водяная турбина также с генератором. Ниже ее устроен резервуар для воды, объемом в несколько десятков кубических метров. Вода в турбину может подаваться по особому каналу из ближайшей речки с поверхности земли.

Чтобы лучше понять, как ветряк и водяная турбина помогают друг другу в работе, представим себе ветро-гидродвигатель в действии.

Дует ветер. Работает ветряк на поверхности земли. Водяная турбина в это время выключена, вода в нее не поступает (канал закрыт). Но вот ветер прекращается, с ним прекращает свою работу и ветродвигатель. Но тут же его сменяет турбина. Смотритель ветро-гидродвигателя пускает воду по каналу в шахту. Падая с высоты в два километра, вода приобретает огромную силу и легко приводит в движение лопасти водяной турбины. Генератор турбины начинает вырабатывать электрическую энергию, а отработанная вода стекает в подземный резервуар. Расчеты показали, что в генераторе турбины, если через нее в одну секунду проходит всего один стакан воды, будет вырабатываться более двух киловатт мощности. Так турбина работает до нового ветра. И как только вверху вновь заработает ветряк, подача воды в турбину прекращается.

Но как же быть с водой, заполнившей подземный резервуар?

Воду можно выкачать наверх с помощью насоса, работающего от ветряка во время ветра. На эту работу затрачивается лишь часть вырабатываемой ветродвигателем электроэнергии, так что остальная энергия может использоваться потребителями.

Когда вся вода из резервуара шахты будет поднята наверх, турбина снова готова к работе.

Так предполагается заставить работать ветер даже тогда, когда он прекращается.

В самом деле, выкачивая воду из шахты, ветер тем самым подготовляет работу водяной турбины; он как бы передает ей часть своих сил на случай безветрия.

Конечно, установка таких гидро-ветродвигателей практически выгодна только в том случае, если имеется готовая шахта. Рыть шахту глубиной в два — два с половиной километра специально для установки гидро-ветродвигателя — дело очень дорогое. Но это и не нужно. Для этого можно использовать готовые шахты, в которых уже прекращены работы в связи с полной выработкой полезного ископаемого. Такие заброшенные шахты имеются во многих местах.

Итак, вы видите, что современные ветродвигатели способны более или менее успешно накапливать (аккумулировать) в себе на случай прекращения ветра количества энергии, достаточные для расходования ее на всё время безветрия.

Однако запасать голубой уголь в кладовке можно и еще проще. Как указывает в своих работах инженер Фатеев, аккумулирование энергии ветра может осуществляться не только путем запасания самой энергии в том или ином виде. Можно запасать на случай безветрия и самый продукт! Пусть, скажем, у вас работают от ветросиловой установки лесопилка, камнедробилка и водяной насос. Чтобы обеспечить производство бесперебойным снабжением пиломатериалами, щебнем и водой, необходимо добиться лишь одного — организовать работу этих установок таким образом, чтобы в ветреные дни они полностью использовали всю энергию ветродвигателя. Тогда энергия ветра будет поступать в запас — на склад — не в виде какой-либо другой энергии (электрической, тепловой и т. д.), а в виде продуктов производства. Такой путь аккумулирования ветроэнергии — самый простой и дешевый. Для его осуществления не нужно никаких дополнительных затрат на переоборудование ветроустановок.

Запасать таким образом энергию голубого угля можно при самых различных хозяйственных работах: при помоле зерна, обеспечении водой, заготовке пиломатериалов, приготовлении корма для скота, заготовке брикетов и чурок для газогенераторных машин и т. д.

Но, конечно, любые ветродвигатели пригодны лишь в тех местностях, где по крайней мере 150–180 дней в году дует ветер.

Последнее обстоятельство, однако, не вызывает теперь у инженеров тревоги. Дело в том, что, когда ученые стали более внимательно изучать ветры в различных местах, выяснилось, что ветер дует не так-то уж случайно. В очень многих областях каждый год в одно и то же время дуют постоянные, изученные ветры. И если два-три дня безветрия — обычное дело, то безветренная неделя в большинстве мест почти не встречается.

Ветряки работают

В новом послевоенном пятилетием плане восстановления и развития народного хозяйства нашей родины записано: