Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что движущийся поток воздуха производит на встречные предметы определенное давление. Это давление тем сильнее, чем больше скорость потока воздуха. Наблюдение это навело на мысль использовать ветер в качестве двигательной силы. Так появились парусные суда, совершившие целый переворот в истории сношения отдельных народов, в развитии цивилизации и торговли.
Источники энергии играют важнейшую роль в развитии хозяйственной жизни всех народов. Двигатель — это основа всякого производства. От наличия дешевой и надежной двигательной силы зависит часто все благосостояние данного хозяйства.
Но уже в период ремесленной системы производства (примерно около XII века) началось внедрение примитивных двигателей, использующих силу воды и ветра для обслуживания различных нужд тогдашнего хозяйства.
Ветряной двигатель появился еще около 634 года нашего летоисчисления, как на то указывают старинные персидские летописи. Как видим, с тех пор прошло 1 300 лет. Однако и в настоящее время лишь 0,02% существующей в нашем распоряжении энергии ветра освоено человеком при помощи паруса и ветродвигателей. Между тем работа ветродвигателей имеет перед другими двигателями то преимущество, что здесь используется неиссякаемый, беспрерывно возобновляемый запас энергии. Мы знаем, что на образование ветра идет около 6% солнечной энергии, достигающей поверхности земли.
В то же время растения запасают в виде топлива только 0,03% солнечной энергии.
Основой современной энергетики является топливо всех видов. Потребление его с развитием техники быстро растет из года в год, во много раз превышая естественный прирост. Таким образом геологические запасы «черного угля» неуклонно уменьшаются, и рано или поздно наступит время, когда будет ощущаться острый недостаток в этом столь обычном и распространенном сейчас источнике энергии. Вот почему во всех странах наряду с упорной борьбой за экономию топлива идет изыскание новых источников энергии.
Наше плановое социалистическое хозяйство особенно настойчиво стремится к наиболее полному и рациональному использованию всех природных богатств как сырьевых, так и энергетических. Ряд научно-исследовательских институтов Союза занят вопросами изыскания и технического освоения новых источников энергии, которые могли бы заменить топливо в отдельных производственных процессах.
*
Основное преимущество «голубого угля» (так называют энергию воздушных течений) заключается в том, что на его добычу и транспорт не требуется физических и материальных затрат.
Движение воздуха наблюдается всюду и будет происходить до тех пор, пока не потухнет солнце, так как возникновение воздушных потоков обусловлено различным нагреванием отдельных участков земной поверхности солнечными лучами.
Казалось бы, что вопрос разрешается чрезвычайно просто: в нашем распоряжении имеются огромные запасы ветровой энергии, к использованию которой мы и должны перейти вместо топлива. Читатель даже может недоумевать, почему этот переход не был совершен значительно раньше, вместо того, чтобы так нерационально расходовать свой труд?
Однако практическое освоение энергии воздушных течений связано с рядом технических трудностей, заключающихся в самой природе ветра.
Прежде всего эта энергия крайне непостоянна по силе. Она меняется непрерывно на протяжении года, месяца, дня и даже минуты. Так были зарегистрированы в течение двух минут пульсации ветра, отличающиеся по интенсивности друг от друга в 121 раз.
Кроме этих мгновенных пульсаций, не имеющих большого практического значения, существуют вполне определенные годовые, месячные и суточные периоды различных скоростей ветра, которые уже влияют на величину отдаваемой ветродвигателем мощности за рассматриваемый промежуток времени. Это весьма затрудняет осуществление постоянной нагрузки ветродвигателя.
Второй недостаток энергии ветра заключается в том, что она чрезвычайно слабо концентрирована и слишком рассеяна в пространстве. Для сравнения концентрации энергии, заключенной в одном куб. метре нефти, и движущегося воздуха в таком же объеме, сделаем следующий весьма интересный подсчет.
Один куб. метр нефти весит около 900 кг. Каждый килограмм при сгорании выделяет 10 тыс. единиц тепла или, как их называют, калорий. Следовательно, 900 кг нефти, сгорев, дадут: 900×10000=9000000 калорий.
Каждая калория может произвести 427 килограммометров механической работы, что соответствует подъему груза весом 427 кг на высоту одного метра. Таким образом, сгоревшие 900 кг нефти выделят такое количество тепла, которое соответствует 9000000×427=3843000000 килограммометров механической работы.
Если мы сумели бы сжечь такое количество нефти в одну секунду, а также полностью превратить все освободившееся тепло в механическую работу, то получили бы мощность, равную 3843000000:75≅51000000 лош. сил, так как 1 лош. сила соответствует работе в 75 килограммометров, произведенной в одну секунду.
Какова же мощность, заключенная в кубическом метре движущегося воздуха? Нормальная скорость ветра, при которой почти все современные ветродвигатели работают полной мощностью, равна 10 м в секунду.
Вес одного куб. метра воздуха равен 1,293 кг. При указанной скорости он произведет в секунду работу, равную всего 1,293×10=12,93 килограммометров, что составит мощность — 12,93:75=0,172 лош. силы.
Мы видим, что в 1 куб. метре нефти сконцентрирована мощность в 51000000 лош. сил, а такой же объем движущегося со скоростью 10 м в секунду воздуха несет всего 0,172 лош. силы. Отсюда получается, что концентрация энергии у нефти при идеальном ее использовании в 293 млн. раз выше, чем у ветра.
Приведенный расчет дает ясное представление о том, какие большие трудности встают на пути технического освоения энергии ветра, непостоянной и рассеянной в пространстве.
Вот почему прежний ветряк в течение столетий претерпел весьма незначительные конструктивные изменения, дойдя почти до наших дней в своем первобытном оформлении.
Лишь с развитием технологии, машиностроения, а особенно аэродинамики, явилась возможность создать современный усовершенствованный тип ветродвигателя, который в некоторых областях народного хозяйства может с успехом конкурировать с тепловыми установками.
*
При решении вопросов ветроиспользования нельзя впадать в крайность, как это делают некоторые энтузиасты ветрофикации, предлагая различные системы ветровозов или целые «ветряные Днепрогрэсы» на огромных привязных аэростатах. Однако не следует отмахиваться вообще от применения ветродвигателя, особенно там, где это вполне возможно и экономически целесообразно.
У нас проделана большая работа по учету энергоресурсов «голубого угля». Составлена специальная карта распределения среднегодовых скоростей ветра по всей территории Союза.
Систематическим изучением режима ветра в СССР занимаются метеорологические станции Управления единой гидрометеорологической службы. Наиболее интенсивные районы обследуются специальными экспедициями и обслуживаются специальными постами, оборудованными точными приборами — анемографами, которые осуществляют автоматическую непрерывную запись направления и скорости ветра. На основе тщательного изучения всего полученного материала составляются специальные карты распределения среднегодовых скоростей ветра по отдельным районам.
 |
| Метеорологические станции оборудованы точными приборами — анемографами, которые осуществляют автоматическую непрерывную запись направления и скорости ветра. |
Эти данные о среднегодовой скорости ветра позволяют нам подсчитать возможную мощность, которую мы получили при установке ветродвигателей в данном районе. Разместим ветряные двигатели на плоскости в шахматном порядке так, чтобы они не мешали друг другу. Расстояние между ними по стороне квадрата должно быть равным десятикратной высоте башни двигателя. Такое размещение является наиболее выгодным для максимального использования энергии ветра на данном пространстве. Тогда в зависимости от среднегодовой скорости ветра в данном районе мы получим с каждого квадратного километра определенную мощность.
О величине этой мощности дает представление следующая таблица:
| Среднегодовая скорость ветра в м\сек | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Мощность с 1 м² лош. силах .... |
44 | 94 | 170 | 243 | 361 | 498 | 684 |
Ветродвигатели ЦВЭИ отличаются быстроходностью ветрового колеса, которое вращается с большим числом оборотов и в то же время очень равномерно.
Быстроходность ветродвигателя зависит прежде всего от технических и аэродинамических качеств лопастей в ветровом колесе. Зависит она и от количества этих лопастей: чем больше лопастей, тем меньше быстроходность.
Самым быстроходным будет двигатель с одной лопастью, но такой ветродвигатель имеет практическое значение только для получения электроэнергии небольшой мощности. Вместе с тем он позволяет осуществить легкую и простую передачу к быстроходному генератору тока. Такой ветродвигатель установлен одной американской фирмой в Пенсильвании. Длина его лопасти равна 6,7 метра. При скорости ветра около 7 метров в секунду двигатель развивает мощность в 2 лош. силы.
 |
| Ветродвигатель с одной лопастью — самый быстроходный. Но такой двигатель имеет практическое значение только для получения электроэнергии небольшой мощности. |
На первой Всесоюзной сельскохозяйственной выставке в Москве был выставлен двухлопастный ветродвигатель, изготовленный отделом ветряных двигателей ЦАГИ. Пропеллер его имел длину в 6 метров. С точки зрения аэродинамики выполнение лопастей было совершенным, благодаря этому двигатель давал мощность в 2 лош. силы при скорости ветра в 6 метров в секунду.
 |
| Быстроходный малолопастный ветряной двигатель. Диаметр его лопастей — 8 м. |
Быстроходность двигателей — весьма важное их качество. Если двигатель обладает высокой быстроходностью, то это дает возможность уменьшить размеры деталей его передаточного механизма, а следовательно, и вес всей установки в целом, — с технической точки зрения весьма важный момент.
Второе преимущество современных быстроходных ветродвигателей ЦВЭИ — это высокая равномерность вращения ветрового колеса. Число его оборотов во время работы в пульсирующем воздухе очень не на много отклоняется от расчетных данных. Это особенно важно, когда вращение ветродвигателя передается электрическим генератором постоянного и переменного тока, включенным непосредственно в сеть. А нормальная работа сети может быть только в том случае, если в нее подается все время одинаковое напряжение, чего можно достигнуть лишь равномерным вращением вала генератора.
 |
| Ветряной двигатель со многими лопастями в ветровом колесе. Он менее быстроходный, чем однолопастный, но зато мощнее его. |
Равномерного вращения ветродвигателя ЦВЭИ удалось достигнуть благодаря чрезвычайно оригинальной системе регулирования, разработанной инж. Г. X. Сабининым.
Ветродвигатели ЦВЭИ имеют обычно в своем ветровом колесе три-четыре свободно поворачивающихся лопасти. Сечение их представляет собой хороший аэродинамический профиль (дужку), а конструкция напоминает несущую плоскость моноплана.
Каркас лопасти обычно выполняется из дерева и обшивается сверху кровельным железом или фанерой.
Лопасть легко вращается на двух роликовых опорах. К каждой лопасти прикрепляется особый руль — стабилизатор, связанный системой рычагов и тяг с грузом, помещенным внутри крыла. Груз этот может свободно перемещаться от оси крыла, на которую он надет, от центра вращения до окружности, описываемой лопастью.
С увеличением скорости ветра и при неизменной нагрузке ветродвигателя, ветровое колесо начинает увеличивать обороты. Но сейчас же возросшая центробежная сила груза заставит его несколько переместиться вдоль оси крыла. От этого поворачивается и стабилизатор и притом так, что увеличивается давление воздушного потока на его поверхность. Это давление и выводит частично лопасть из-под ветра, отчего двигатель сбавляет обороты до расчетного числа. Колесо имеет еще специальную пружину, которая ставит всю систему регулирования в исходное положение или даже поворачивает стабилизатор в обратную сторону, если скорость ветра значительно уменьшилась.
Таким образом стабилизатор все время стремится автоматически ставить лопасть под наиболее выгодный угол встречи с направлением ветра и как раз так, чтобы число оборотов ветрового колеса никогда не возрастало выше расчетного предела.
Такая система регулирования, использующая, энергию самого ветра, весьма проста и надежна. Вращение ветрового колеса отклоняется всего на 2—2,5% в ту или другую сторону от расчетного числа оборотов. Meжду тем у лучших образцов многолопастных ветродвигателей американского типа равномерность вращения едва достигает 10—12%.
Удобообтекаемый профиль лопастей современного ветродвигателя, а также их небольшое число в ветровом колесе дают возможность полезно превращать в механическую работу значительную часть энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую ветровым колесом площадь, или, как говорят, работать с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Этот коэффициент современных быстроходных ветродвигателей достигает. 40%, в то время как у кустарного крестьянского ветряка он составляет в среднем не более 15%.
Вспомним при этом, что лучший современный паровоз превращает в полезную работу только 5% всей энергии сгоревшего топлива, а из этих 5% одна пятая часть теряется на трение механизмов. Таким образом только 4% первоначального тепла переходит в механическую работу, а остальное буквально вылетает в трубу.
Описанная схема механизма ветродвигателя является типичной и повторяется в различных конструктивных вариациях у большинства типов ветродвигателей средней мощности.
Современные ветродвигатели позволяют получать от ветра значительные мощности. Это дает им возможность конкурировать с тепловыми двигателями в различных областях народного хозяйства.
В сельском хозяйстве и малолопастные, и многолопастные ветродвигатели с успехом могут быть применены для водоснабжения, электрификации, мукомолья и приведения в движение различных сельскохозяйственных машин.
*
Советский союз является обладателем величайшего в мире быстроходного ветродвигателя ЦВЭИ. Диаметр его ветрового колеса достигает 30 м. Двигатель развивает мощность до 140 лош. сил при скорости ветра около 10 м в секунду. Этот ветродвигатель установлен летом 1931 года на одной из возвышенностей близ г. Балаклавы в Крыму и предназначен для выработки электроэнергии. Головка ветродвигателя вместе со всем электрооборудованием, при общем весе, достигающем 35 т, помещена на: металлической башне высотой в 25 м. Установка его ветрового колеса против ветра осуществляется путем поворота головки вокруг башни электромотором в полторы лошадиных силы. Электромотор этот установлен на специальной тележке и при поворотах ветрового колеса движется вокруг башни по однорельсовому пути. Включение и выключение мотора производит автоматически с помощью особого флюгера сам ветер, как только его направление изменится на угол более 10°.
 |
| Мощный ветродвигатель ЦВЭИ, установленный в Крыму. Диаметр его ветрового колеса — 30 м. |
Опыт работы этого ветродвигателя лег в основу проектирования гигантских ветроэлектрических установок для районной электрификации.
В настоящее время ЦВЭИ заканчивает рабочий проект ветродвигателя с диаметром ветрового колеса в 50 м и мощностью до 1000 лош. сил. Первые экземпляры этого ветродвигателя предполагаются к установке для электроснабжения Хибиногорского или Мурманского района.
Так коллективная мысль наших конструкторов, объединенная специальным Научно-исследовательским институтом ЦВЭИ, создала ряд разнообразных и оригинальных типов ветродвигателей, первые экземпляры которых работают в различных областях народного хозяйства.
Дальнейшее развитие ветроиспользования требует создания специальной промышленной базы для изготовления ветродвигателей. Мы еще не имеем в Союзе ни одного завода, занимающегося планомерным освоением производства ветродвигателей. В вопросах серийного строительства этих столь нужных машин мы пока отстаем от капиталистических стран Запада и особенно США, которые имеют до двухсот предприятий, занятых построением ветродвигателей.
Наша задача — дать стране высококачественный и дешевый ветродвигатель отечественного производства.
Комментариев нет:
Отправить комментарий