Энергия ветра


Человек давно обратил внимание на то, что ветер производит давление на встречные предметы.

Результатом этого наблюдения было стремление использовать движение воздуха для получения двигательной силы. По-видимому, вначале сила давления ветра была применена для передвижения простейшей ладьи по воде. Так появился парус и парусные суда, которые на протяжении нескольких столетий помогали людям плавать по морям, озерам и рекам.

До изобретения паровой машины ветер был основной двигательной силой. И человек в течение столетий научился использовать для этих целей энергию воздушного океана.

По-видимому, несколько позже человек научился использовать силу давления ветра на поверхность для получения не прямолинейного, а вращательного движения.

Так была создана одна из первых машин вращательного действия — ветряной двигатель.

В глубокой древности, несколько тысячелетий назад, в Китае и Японии использовались примитивные ветряные двигатели. В храмах Тибета маленькие ветрячки вращали барабаны, на стенках которых были написаны молитвы.

Остатки древних ветряных мельниц встречаются в Египте. Каменная кладка сохранившихся до наших дней развалин свидетельствует о том, что они были построены около 2 тысяч лет назад.

Первые ветродвигатели в Европе появились в 718 году и использовались в Богемии для водоснабжения и перекачки воды на поля.

Позже, в 833 году, в Саксонии они были применены для мукомольных целей. Ветродвигатели очень быстро получили широкое распространение в странах Западной Европы и в России. Быстрому развитию ветряных мельниц в значительной степени способствовало то обстоятельство, что необходимое количество муки можно было запасти тогда, когда был ветер достаточной силы.

Большое распространение ветряные мельницы и ветронасосные установки получили в Голландии. Здесь было построено несколько тысяч ветродвигателей только для откачки в море воды из низменных и заболоченных мест. Только при помощи ветродвигателей маленькая Голландия успешно боролась с наступающим морем и отвоевала у него значительную часть суши.

Ветродвигатели в Голландии в XVII—XVIII столетиях широко применялись не только в сельском хозяйстве и для ирригационных нужд, но и в промышленности.

Они приводили в действие рабочие машины на маслобойных заводах, в бумажном производстве, на лесопилках, в пеньковой и парусиновой промышленности.

В 1697 году на лесопилке с ветряным двигателем близ Зандама в Голландии работал Петр I.

В Голландии же был создан оригинальный тип ветряного двигателя, массивная башня которого была неподвижна, а на ветер поворачивалась вместе с ветровым колесом ее верхняя часть, или шатер.

Такие ветродвигатели стали называть ветродвигателями шатрового, или голландского, типа (рис. 1).

Ветродвигатели сыграли огромную роль в развитии хозяйства Голландии. По этому поводу К. Маркс в «Капитале» писал: «Частью недостаток естественных водопадов, частью борьба с избытком воды в других формах заставили голландцев применять ветер в качестве двигательной силы. Самые ветряные мельницы голландцы заимствововали из Германии, где это изобретение вызвало серьезную борьбу между дворянством, попами и императором из-за того, кому из них троих «принадлежит» ветер. В Германии говорили, что воздух делает человека чужой собственностью, между тем как именно ветер освободил Голландию. Здесь он делает собственностью не голландцев, а землю для голландцев. Еще в 1836 году в Голландии было в ходу 12 тысяч ветряных мельниц, которые предохранили две трети страны от обратного превращения в болото».

Такова была роль ветродвигателей в Голландии.

Наряду с шатровыми ветряными мельницами большое распространение получили ветродвигатели козлового типа, у которых при установке ветрового колеса на ветер относительно неподвижного опорного столба поворачивается все здание мельницы (рис. 2).

Для поворота всего здания мельницы требовалось значительное усилие, а поэтому размер и мощность козловых ветряных мельниц ограничивались относительно небольшими диаметрами ветровых колес. Обычно козловые ветряные мельницы не строились с диаметрами ветровых колес более 8—10 метров и имели мощность на вертикальном валу около 5—6 лошадиных сил.

Легкий шатер шатровых ветряных мельниц не требует больших усилий при повороте, а поэтому ветродвигатели этого типа иногда строились с очень большими ветровыми колесами, достигающими в диаметре 24 метров и развивающими мощность до 20—25 лошадиных сил.

В дореволюционной России широкое распространение получили оба типа сельских ветряных мельниц. Шатровые ветряные мельницы чаще строились в южных районах России, а небольшие козловые ветряные мельницы получили распространение в ее северных и центральных районах.

Ветросиловое хозяйство дореволюционной России состояло из 200 тысяч деревянных сельских мельниц с суммарной установленной мощностью до 2 миллионов лошадиных сил.

На ветряных мельницах в 1914 году было перемолото около 2 миллиардов пудов зерна из общего урожая хлебов около 4,3 миллиарда пудов.

Годовое количество механической работы, которое может быть получено от указанных выше ветряных мельниц, соответствует затрате около 4 миллионов тонн топлива.

Таковы были роль и значение огромного парка ветряных мельниц в сельском хозяйстве России.

За годы гражданской войны, а затем в период Великой Отечественной войны значительная часть деревянных сельских мельниц разрушилась от военных действий, естественной ветхости и отсутствия надлежащего ухода и внимания к ним. Однако и имеющееся в настоящее время число простейших ветровых машин (около 30 тысяч установок) заслуживает внимания, если учесть, что они ежегодно дают не менее 1 миллиарда силочасов механической энергии без затраты эквивалента топлива в количестве до 300 тысяч тонн.

Сельские ветряные мельницы строились без технических расчетов и без соблюдения требований аэродинамики, а поэтому они представляют собой довольно примитивные и громоздкие машины. На их строительство затрачивалось много материалов и труда, но работать они могли лишь при значительных скоростях ветра и полезно использовали в механическую работу всего 8—10 процентов энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую крыльями поверхность.

К основным недостаткам ветряных мельниц нужно отнести плохое и неправильное выполнение ветровых колес и отдельных крыльев, которые обычно делались очень грубо, имели много щелей и резко выступающих из обшивки углов, что вызывало дополнительное торможение крыльев и снижало их эффективность. Кроме того, как правило, рабочие поверхности крыльев делались плоскими и располагались под случайными углами к плоскости вращения. Между тем эти углы для лучшего использования энергии ветра должны быть переменными вдоль радиуса крыльев, которые при этом будут иметь пологую винтовую рабочую поверхность.

Старые сельские ветряные мельницы имели очень грубые и несовершенные передаточные механизмы, опоры у валов и наковку у жерновов, что в несколько раз снижало возможную мощность и производительность установки.

Всесоюзный научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ВИМ) учел серьезные недостатки старых сельских мельниц и разработал серию дерево-металлических ветродвигателей с диаметрами ветровых колес от 8 до 16 метров. Ветродвигатели ВИМ всех размеров — шатрового типа. В них технически увязаны кинематическая схема старой мельницы, а также простота ее конструкции и изготовления с современными требованиями аэродинамики и новыми строительными приемами.

Ветродвигатели ВИМ в основном разработаны, как усовершенствованные ветряные мельницы с использованием их для размола зерновых продуктов, но они легко могут быть приспособлены и для выполнения других работ (рис. 3).

Ветродвигатели ВИМ имеют производительность в 2—3 раза более высокую, чем равные им по размерам старые ветряные мельницы.

Кроме этого, на постройку ветродвигателя ВИМ расходуется в 2—3 раза меньше материалов против равной ему по мощности старой ветряной мельницы.

Ветряные мельницы ВИМ почти целиком состоят из деревянных частей, а поэтому они могут считаться типовыми ветровыми машинами для лесных районов нашей страны.

Попытку усовершенствовать сельскую мельницу еще 60 лет тому назад сделал русский инженер В. П. Давыдов, который разработал оригинальную конструкцию деревометаллического ветродвигателя с автоматическим выводом ветрового колеса из-под ветра, когда его скорости достигают опасных значений для прочности конструкции (рис. 4).

Ветродвигатели В. П. Давыдова использовались как для мукомольных целей, так и для механизации водоснабжения и других сельскохозяйственных производственных процессов.

В. П. Давыдов не только разработал конструкцию совершенного по тому времени ветродвигателя, но и впервые в России организовал их заводское производство.

Поэтому В. П. Давыдов по праву считается первым строителем заводских ветродвигателей в России.

Однако нищенская экономика мелких крестьянских хозяйств дореволюционной России не способствовала внедрению в них машин вообще и в частности ветродвигателей, а наличие дешевой рабочей силы в сельских местностях не вызывало острой необходимости в проведении серьезной механизации в крупных помещичьих и кулацких хозяйствах. Поэтому ветродвигатели В. П. Давыдова, будучи признаны вполне совершенными для того времени машинами, все же не нашли достаточного спроса и не получили массового распространения. Но тем не менее В. П. Давыдов осуществил постройку нескольких сот ветродвигателей своей системы.

Несмотря на исключительно отсталое ветросиловое хозяйство дореволюционной России и отсутствие промышленного производства ветродвигателей, теоретическая мысль о способе рационального использования энергии ветра, как и многие другие гениальные изобретения, зародилась в России. Великий русский ученый, «отец русской авиации», профессор Н. Е. Жуковский создал теоретические основы самолета и ветродвигателя. Однако труды Н. Е. Жуковского нашли применение лишь при Советской власти, когда по его инициативе в 1918 году был организован в Москве Центральный аэро-гидродинамический институт (ЦАГИ), в котором разработаны и осуществлены в экспериментальных образцах первые отечественные конструкции самолетов и быстроходных ветродвигателей.

На основе теоретических трудов профессора Н. Е. Жуковского его ученики профессора В. П. Ветчинкин, Г. X. Сабинин и Н. В. Красовский разработали методы технического расчета и конструктивные схемы современных ветродвигателей, утвердив приоритет русской науки в области теоретической ветротехники.

Теоретические и экспериментальные работы, проведенные в ЦАГИ, дали возможность советским конструкторам разработать оригинальные и нигде не превзойденные по своим аэродинамическим качествам конструкции быстроходных ветродвигателей мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких тысяч киловатт.

Точный расчет отдельных параметров и характеристик ветродвигателей ликвидировал кустарщину при их строительстве и показал, что только крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения имеют наилучшие технические показатели.

Это дало возможность отказаться от строительства барабанных, карусельных и роторных ветродвигателей (рис. 6), из которых многие подкупают только кажущимся совершенством при некоторой простоте конструкции.

В действительности технические показатели указанных типов ветродвигателей в 2—3 раза хуже, чем равных им по затрате материала крыльчатых ветродвигателей.

Основное отличие барабанных, карусельных и роторных ветродвигателей от крыльчатых заключается в том, что их лопасти при работе движутся вдоль воздушного потока, а у крыльчатых ветродвигателей — поперек него.

Что же представляют собой современные крыльчатые ветродвигатели и каковы их особенности?

Конструктивная схема современного универсального крыльчатого ветродвигателя представляет механизм, при помощи которого энергия ветра воздушного потока на вертикальных крыльях преобразуется в механическую работу.

Последняя может быть снята с вращающегося приводного шкива, которым обычно заканчивается передаточный механизм (трансмиссия) ветродвигателя.

Крыльчатые ветродвигатели по конструкции своих ветровых колес делятся на две группы.

К первой группе принадлежат быстроходные ветродвигатели, которые имеют в своем ветровом колесе до четырех крыльев с хорошим аэродинамическим профилем.

Вторую группу составляют многолопастные тихоходные ветродвигатели, ветровые колеса которых по всей площади равномерно заполнены радиальными лопастями простейшей аэродинамической формы. Обычно современные многолопастные ветровые колеса имеют 18—24 лопасти.

Отличительной особенностью быстроходных ветродвигателей, как показывает название этого типа машин, является большая линейная скорость перемещения наружных концов крыльев по отношению к скорости ветра. Концы крыльев у быстроходных ветродвигателей движутся в воздушном потоке в несколько раз быстрее, чем концы лопастей у многолопастных ветровых машин.

Достигается это в основном за счет хорошего профиля крыльев быстроходного ветродвигателя и небольшого числа их в ветровом колесе, которое по этим причинам испытывает при движении в воздушном потоке значительно меньшее сопротивление, чем ветровое колесо многолопастного ветродвигателя.

Быстроходность является важным техническим показателем любой машины, в том числе и ветродвигателя, так как с ее увеличением уменьшаются размеры всех движущихся частей, а вместе с ними и всей машины. Поэтому быстроходные ветродвигатели всегда имеют более компактную конструкцию с меньшим удельным весом на единицу мощности, чем тихоходные машины с той же установленной мощностью. Действительно, выполненные конструкции быстроходных ветродвигателей весят в 2—3 раза меньше, чем равные им по мощности многолопастные ветросиловые установки. Это преимущество быстроходных ветродвигателей имеет большое значение при организации массового строительства ветросиловых установок, так как ведет к экономии значительного количества материалов и в первую очередь металла.

Кроме этого, незначительное заполнение материалом ветровых колес у быстроходных ветродвигателей позволяет им хорошо выдерживать бури, а наличие у крыльев совершенных механизмов регулирования обеспечивает очень равномерное вращение ветровых колес при больших скоростях ветра.

Эти положительные особенности быстроходных ветродвигателей обеспечивают им надежную работу при переменном ветре любой силы, что позволяет строить их с очень большими ветровыми колесами, достигающими в диаметре 100 метров и более и развивающими мощность в несколько сот лошадиных сил. Наличие высокой и устойчивой равномерности у ветровых колес быстроходных ветродвигателей делает возможным их использование для привода самых разнообразных машин и электрических генераторов. Таким образом, современные быстроходные ветродвигатели применимы для силового обслуживания через механический привод самых разнообразных потребителей, а работая с электрическими генераторами, они могут быть использованы и для целей электрификации. Высокая универсальность быстроходных ветродвигателей открывает широкие возможности их использования в качестве первичных двигателей для механизации разнообразных производственных процессов вообще и в первую очередь в сельском хозяйстве.

Почему же до настоящего времени наряду с быстроходными ветродвигателями еще строятся и многолопастные тихоходные ветросиловые установки?

У многолопастных ветродвигателей значительная часть ветрового колеса заполнена лопастями. Такая конструкция ветрового колеса является причиной ряда существенных технических недостатков многолопастных ветродвигателей, которых, как указано выше, не имеют быстроходные ветросиловые установки. Однако большое заполнение ветрового колеса лопастями у многолопастного ветродвигателя создает хорошую, как говорят, преемственность ветровой машины, что позволяет ей легко и плавно трогаться с места с приключенной нагрузкой при небольших скоростях ветра порядка 3—3,5 метра в секунду. Прямым следствием большого числа лопастей в ветровом колесе является наличие высокого начального крутящего момента при трогании его с места, который в 10—-12 раз больше, чем у ветрового колеса с 2—3 крыльями. Эта положительная техническая особенность многолопастных ветродвигателей допускает весьма удобное и эффективное агрегатирование их с поршневыми насосами и другими машинами, имеющими высокий начальный крутящий момент. Особенно рационально использование многолопастных ветронасосных установок в районах с низкими среднегодовыми скоростями ветра, когда значительную часть года дуют ветры с небольшими скоростями порядка 3—4 метра в секунду.

Кроме этого, значительно проще соединить тихоходный поршневой насос с приводной трансмиссией ветродвигателя, которая имеет малую скорость движения.

Если же учесть, что все механизмы многолопастных ветродвигателей, как правило, несколько проще, чем быстроходных ветросиловых установок, то станет очевидной техническая целесообразность использования небольших многолопастных ветродвигателей в основном для работы с поршневыми насосами.

В настоящее время многолопастные ветродвигатели строятся с диаметрами ветровых колес не более 8 метров. Основная их масса используется в качестве ветронасосных установок в сельском хозяйстве.