Электростанция в воздухе | ТМ 1938-12

Инж. И. ЕГОРОВ, Рисунки А. КАТКОВСКОГО

Ветер представляет собой неисчерпаемый источник даровой энергии. Люди с давних времен стремились использовать эту чудесную силу природы.

Еще в глубокой древности, за тысячу лет до нашей эры, существовали ветряные мельницы. В более поздние времена сила ветра играла выдающуюся роль в жизни человечества. В течение многих веков, до изобретения паровой машины и парохода, все мореплавание зиждилось на использовании энергии «голубого угля».

Современная техника широко пользуется самыми разнообразными источниками энергии. Затрачиваются колоссальные усилия и средства на разведку и добычу нефти, угля, сланцев, торфа и пр. Но характерно, что меньше всего и в последнюю очередь используется тот вид энергии, который не требует никаких предварительных усилий для его добычи, — ветер. Объясняется это прежде всего самим характером энергии ветра — ее непостоянством.

Человечество еще не научилось использовать энергию ветра в широких масштабах. До сих пор это дело считается проблемой далекого будущего. Между тем современная техника располагает всем необходимым для того, чтобы можно было уже сейчас практически решать эту задачу.

*

Естественно, может возникнуть вопрос: каковы запасы той энергии, которую мы стараемся использовать? Для нас представляет интерес не только количество ветра, но и особенно качество его — сила ветра. Слабый ветер — плохой источник энергии.

Что касается количества, то ветра вокруг и над нами сколько угодно. Он был, всегда будет и не может не быть. Такова его природа. Известно, что ветер возникает вследствие неравномерного нагревания земной поверхности лучами солнца. Неравномерность нагрева происходит по многим причинам: шарообразная форма земли, вращение ее, рельеф почвы — горы, леса, реки, пустыни и пр. Неравномерное нагревание приводит к неравномерному распределению атмосферного давления. Отсюда и ветер.

Сила ветра зависит от скорости его. Существует закон: энергия ветра пропорциональна его скорости в третьей степени.

Предположим, что мы поднимаемся на воздушном шаре. Где будет больше скорость, а следовательно, и сила ветра: у поверхности земли или на высоте? Многочисленные научные наблюдения показывают, что скорость ветра в данной местности, как правило, возрастает по мере того, как мы поднимаемся вверх. Но это до определенных пределов. Уже на высоте 600—700 м над землей наблюдаются весьма значительные скорости ветра. Каковы же эти скорости?

В Европейской части нашей страны среднегодовая скорость ветра на высоте 20 м составляет 4,8 м в секунду. Если подняться выше, то уже на расстоянии 150 м от земли ветер будет иметь скорость 7,3 м в секунду, и на высоте 600—700 м скорость ветра достигнет 10,5—11 м в секунду.

Скорость ветра растет с высотой. Диаграмма показывает средние скорости ветра в Европейской части СССР.

Следовательно, по сравнению с нашей первой высотой в 20 м здесь, на высоте 600—700 м, скорость ветра увеличивается в 2,2 раза. Энергия же его возрастает в кубе, т. е. в 10—12 раз.

Таким образом, на высоте 600—700 м мы имеем по сравнению с нижележащими слоями атмосферы более мощные потоки энергии ветра. Но эта высота интересна для нас и другой особенностью — известным постоянством дующих ветров. Научные наблюдения показывают, что по мере удаления от земли неравномерность суточного хода ветра сглаживается. Если, например, на высоте шестиэтажного дома отклонения всех скоростей ветра от среднесуточной скорости составляют 40%, то уже на высоте Эйфелевой башни (300 м) эти отклонения снижаются до 15%. Есть все основания полагать, что на высоте 600—700 м неравномерность суточного хода ветра еще меньше.

В течение суток и года ветры дуют неравномерно. На высоте 20 м от земли отклонения от средней скорости достигают 40%. С удалением от земли эта неравномерность сглаживается, и уже на высоте 300 м отклонения от средней скорости составляют всего 15%.

Следовательно, над нами в безграничном пространстве протекает всегда и повсеместно колоссальное количество энергии ветра.

*

Как же использовать эту энергию? Каким образом включать ее в общий энергетический бюджет нашего народного хозяйства? Очевидно, что эта задача технически может быть решена, если мы сумеем закрепить на высоте 600—700 м систему ветровых двигателей вместе с генераторами, превращающими энергию ветра в электроэнергию, и оттуда транспортировать электричество на землю.

Все существующие проекты мощных ветроэлектрических станций предусматривают постройку высоких башен, на верхушке которых и монтируются ветросиловые агрегаты. Но можно ли построить башню высотою в 600 м? Мировая техника до сих пор подобных сооружений не знала. Во всяком случае, если постройка такой башни в техническом отношении и возможна, то обойдется она очень дорого, потребует много времени и едва ли оправдает затраченные усилия и средства.

*

Есть другой путь, более приемлемый, который нам подсказывает современное воздухоплавание, — это использование аппарата легче воздуха, а именно цельнометаллического корпуса дирижабля.

Все наши расчеты, весьма далекие от фантастики, укладывающиеся целиком в рамки того, что уже существует, свидетельствуют, что летающая ветроэлектрическая станция — задача ближайшего будущего.

Общая принципиальная схема летающей ветроэлектрической станции необычайно проста. К цельнометаллическому корпусу дирижабля подвешивается на стальных тросах система ветросиловых агрегатов. Все агрегаты соединены между собой легкими, но весьма прочными металлическими фермами, что препятствует перемещению ветродвигателей друг относительно друга и придает жесткость всей системе подвески в целом. Одновременно эти фермы могут служить и для передвижения обслуживающего персонала при осмотре и текущем ремонте ветродвигателей. Корпус вместе с подвеской причаливается на земле двумя стальными канатами к поворотной раме анкерного типа.

Ветросиловой агрегат состоит из двухлопастного ветроколеса, насаженного на один вал с ограничительной муфтой, редуктором и генератором, смонтированных в особом металлическом кожухе, напоминающем по внешности фюзеляж самолета. Муфта предназначена для ограничения вращающего момента при возможных толчках и неожиданных порывах ветра. Редуктор служит для увеличения числа оборотов, передаваемых от ветроколеса к синхронному генератору переменного тока.

В хвостовой части кожуха размещается электроаппаратура, необходимая для автоматического управления станцией с земли. Все генераторы работают параллельно. Вырабатываемая в воздухе электроэнергия передается на землю по специальным проводам, которые подвешены к одному из причальных канатов.

Для того чтобы обслуживающий персонал мог периодически подниматься на верх для осмотра и текущего ремонт агрегатов, на другом причальном канате устроена подъемная машина. Она сделана по типу подвесных канатных дорог. Кроме того, наверху имеется центральный лифт, проходящий посредине между рядами ветросиловых агрегатов.

Время от времени понадобится производить пополнение цельнометаллического корпуса газом. Это можно будет сделать или путем поднятия шланга по причальному канату, или с помощью небольшие воздушных шаров — прыгунов.

Такова в самых общих чертах схема летающей ветроэлектрической станции.

*

Теперь, для того чтобы убедиться, насколько все это реально, произведем небольшой расчет типовой летающей ветроэлектрической станции с установленной мощностью в 6 тыс. квт. Выберем для подвески к корпусу 12 ветросиловых двигателей мощностью по 500 квт с диаметром ветроколеса в 30 м, Подобное ветроколесо дает полную мощность уже при скорости ветра 15 м в секунду. Оно делает всего 60 оборотов в минуту. Такое ветроколесо в природе уже существует — оно работает с успехом на Балаклавской ветроэлектрической станции. Если изготовить ветроколесо из дюралюминия или специальной стали, то оно будет весить не более 4 т.

Один из электросиловых агрегатов воздушной станции. Ветровое колесо имеет в диаметре 30 м. Это высота почти десятиэтажного дома. В кожухе обтекаемой формы находится генератор.

Вес редуктора будет около 2 т.

Что касается генератора, то здесь для уменьшения общего веса придется несколько видоизменить конструкцию существующих типов, а именно: сделать статор и ротор большего диаметра, чем обычно, а также заменить тяжелые чугунные отливки другим, более легким металлом. При этом условии вес генератора в 500 квт, напряжением в 6 тыс. в составит 2,5 т.

Далее: вес кожуха, аппаратуры и про чего оборудования — 1,5 т.

Таким образом, вес одного ветросилового агрегата не превысит 10 т. Мы же наметили 12 агрегатов. Их общий вес будет 120 т. К этому следует еще добавить вес всей подвески вместе с фермами и лифтом —15 т, а также вес двух причальных канатов длиной до 800 м и диаметром поперечного сечения 47 мм — 14 т.

Следовательно, всего должно быть под поднято и удержано в воздухе 149—150 т различных грузов.

*

Совершенно ясно, что цельнометаллический корпус, которому предстоит выдерживать в течение десятков лет ветровую электростанцию весом в 150 т, должен отвечать ряду весьма важных условий. Каковы эти условия? Прежде всего — большая грузоподъемность, прочность, долговечность и безопасность пожарном отношении.

Такой цельнометаллический корпус, необходимый для поднятия ветроэлектростанции, представляется нам в следующем виде: каркас, состоящий из системы поперечных колец — шпангоутов — и продольных ферм — стрингеров, обтянут оболочкой из тонкого металла (0,1—0,4 мм). Эта оболочка выполняет несколько функций. Она служит газовместилищем, предохраняет внутренний каркас от сырости, выдерживает сверхдавление газа при изменении температуры окружающего воздуха, уменьшает пожарную опасность по сравнению с матерчатой оболочкой. Она же вместе с каркасом воспринимает все статические и динамические нагрузки. Подсчеты говорят, что такой корпус должен иметь объем в 200 тыс. куб. м. Его длина — 200 м, наибольший поперечный диаметр — 45 м, собственный вес —  45 т и полезная подъемная сила — 175 т. Электростанция, как мы подсчитали, весит 150 т. Таким образом, получается избыточная подъемная сила в 25 т.

Опытные данные и теоретические расчеты определяют срок службы цельнометаллического корпуса в 80 лет. Это вполне обеспечивает непрерывное и продолжительное пребывание в воздухе при любой погоде.

Возникает вопрос: существуют ли такие цельнометаллические корпуса? Мировая практика знает дирижабли с объемом корпуса в 200 тыс. куб. м. Правда, это — жесткие дирижабли: у них каркас металлический, а оболочка матерчатая. Для наших целей необходима более прочная и долговечная металлическая оболочка.

Можно ли при современной технике построить такой цельнометаллический корпус? Достижимо ли это? Уже сейчас существуют дирижабли с цельнометаллическим корпусом объемом в 70 тыс. куб. м. Вполне возможно построить и такой корпус, который нам необходим. Больше того, существуют технические проекты подобных дирижаблей. Если до сих нор все же цельнометаллические дирижабли такого объема не строили, то главным образом потому, что в них не было особой надобности.

Следовательно, и этот вопрос технически вполне разрешим.

*

Рассмотрев поочередно все элементы нашей летающей электростанции, мы видим, что все они представляют собой вполне реальные вещи, уже существующие в нашей практике.

Таким образом, электростанция мощностью в 6 тыс. квт может быть построена и поднята на высоту 600 м.

На высоте 700 м находится электростанция мощностью в 6 тыс. квт.

Рассмотрим теперь, какие опасности могут ей угрожать на этой высоте, с какими трудностями, кроме обычных, свойственных любой наземной электростанции, можно столкнуться при нормальной эксплуатационной работе.

Серьезную угрозу может представить обледенение. Но здесь, помимо обычных средств борьбы с обледенением, применяемых в авиации, могут иметь место и новые, дополнительные способы. Например, можно производить электрообогрев системы подвески — ферм, тросов и т. д. Ветроколесо и кожух генератора будут достаточно обогреваться теплом работающего генератора, а в случае надобности здесь также можно применить электрообогрев. Оболочка корпуса может прогреваться посредством нагревания газа с помощью электрокалориферов или рефлекторов, помещенных внутри корпуса.

Другая опасность — грозовые и атмосферные разряды. Для защиты от них в верхней части корпуса устраивается громоотвод, идущий по причальному канату к земле.

Что касается опасности от восходящих потоков воздуха, вызывающих обычно «болтанку» и вибрацию самолета, то здесь, в корпусе, ожидать вредных последствий от этого не следует. Известно, что восходящие потоки достигают полной силы не сразу, а развиваются в течение некоторого отрезка времени. Поэтому они будут оказывать постепенно нарастающее давление на корпус снизу вверх, сообщая ему тем самым дополнительную подъемную силу.

При работе ветросиловых агрегатов изменяется общее лобовое сопротивление, и корпус будет иметь некоторый наклон. Подсчеты говорят, что этот наклон не будет превышать ± 10° по отношению к горизонтали, что существенного значения иметь не может.

Что произойдет с электростанцией в случае внезапного и сильного порывистого ветра? Вся система имеет в воздухе весьма большую устойчивость благодаря тому, что центр тяжести всей системы находится значительно ниже цельнометаллического корпуса. Поэтому при сильном ветре корпус вместе с подвеской будет медленно снижаться до высоты 300—400 м.

Опасаться вредного воздействия всяких других метеорологических явлений также нет оснований. Если можно совершать длительные полеты в самых разнообразных метеорологических условиях, если возможна стоянка на причале зимой и летом дирижабля с матерчатой оболочкой, то тем более возможна непрерывная и продолжительная стоянка цельнометаллического корпуса.

Таким образом, техническая сторона проекта не может вызывать принципиальных возражений.

Расчеты показывают, что и экономически постройка летающей ветроэлектрической станции вполне целесообразна. При выработке в год 25— 30 млн. квт-ч себестоимость каждого киловатт-часа составит всего лишь 0,7 копейки. Стоимость установленного киловатта определяется в 400 рублей.

*

В ночном небе, высоко над землей, ярко сверкают очертания летающей ветроэлектрической станции. Чуть колышется причальные тросы, усеянные яркими точками сверкающих электрических ламп. Огни электростанции видны далеко, и ночью станция служит электромаяком для курсирующих самолетов.

Там, на большой высоте, непрерывно происходит превращение кинетической энергии ветра в электричество. Мощные потоки электроэнергии сбегают по проводам вниз и направляются к местным потребителям. Нет надобности транспортировать электроэнергию на далекое расстояние. Если в этом будет необходимость, то электростанция сама может сняться с места и самоходом или же на буксире у дирижабля отправиться в другой район. Отпадут расходы на высоковольтную линию передачи, повысительные трансформаторы и пр.

Летающая ветроэлектрическая станция может работать в любых комбинациях — самостоятельно, или в одну сеть с наземными станциями, или совместно с другой воздушной электростанцией и т. д.

Огромное, совершенно неоценимое значение будут иметь летающие ветровые электростанции в тех районах, где очень трудно или вообще невозможно построить наземную станцию, например в болотистых местностях, в пустыне, в районах, где отсутствует местное топливо, а привозное находится очень далеко, и особенно в Арктике.

Арктика необычайно богата сильными, постоянно дующими ветрами, и здесь можно создать огромные электростанции в воздухе.

*

Заглядывая в будущее, можно представить такую картину: мощные гигантские ледоколы бороздят воды и пробивают льды Северного Ледовитого океана. Эти ледоколы не нуждаются в топливе — они пользуются энергией летающих электростанций, находящихся над ними и причаленных к корме.

Пустыни, засушливые районы, болотистые местности будут призваны к новой жизни энергией, получаемой человеком с высоты 600 м. Трудно предвидеть сейчас, какой переворот в технике сулит широкое использование энергии ветра с помощью летающих ветросиловых электростанций.