Второе дыхание ветра

Вернемся опять в Крым, где получали апробацию многие необычные энергоустановки. В 1931 году около Севастополя была построена и проработала до 1942 года самая мощная по тем временам 100-киловаттная ветроэлектрическая станция. В те годы и вплоть до 60-х годов тысячи ветряков - эоловых работников - производили электроэнергию в разных концах нашей страны, А еще раньше в России, по подсчетам любителей статистики и истории, вертелись лопасти около 250 тысяч ветряков-мельниц.

И это неудивительно. Ведь местностей, где на протяжении 200 и даже 300(!) дней в году скорость ветра в приземном слое достигает 5-10 метров в секунду, в нашей стране много. Это и Крайний Север, и юг вдоль Черного, Азовского и Каспийского морей. Прибавьте также Тихоокеанское и Балтийское побережья. Даже там, где ветер не отличается постоянством и силой, его все же можно использовать для промышленных и хозяйственных нужд.

И тем не менее в 60-е годы эоловы станции отступили под натиском более дешевых источников энергии на нефти, а потом и на газе. Такая же картина наблюдалась и во многих других индустриальных странах: в ФРГ, США, Испании и в самой "ветреной" стране Европы - Голландии, где поныне украшают ландшафт около тысячи ветряков - памятников старины.

Только ли дешевизна газа и нефти стала причиной неконкурентоспособности ветровых станций? Вряд ли. Немаловажно, что на протяжении сотен лет ветродвигатели совершенствовались несравненно медленнее, чем энергетические установки других видов.

Ветряные мельницы появились в Европе в VII- XI веках. Пришли они с Востока и Юга. В Китае, Персии, Египте они существовали задолго до нашей эры. Основные элементы их - башня, редуктор, вертикальная и горизонтальная оси, четыре-шесть лопастей - менялись незначительно на протяжении веков. Конечно, кое-что улучшалось, но ветрякам далеко было до того аэродинамического совершенства, которым обладают крылья самолетов. Лишь в XVIII веке Бернулли и Эйлер, а затем Жуковский заложили основы теории ветровых станций. Сейчас испытания лопастей и ветряных колес ведутся в аэродинамических трубах, создаются все более эффективные конструкции.

Наступило время "второго дыхания" ветра. Вновь начинается массовое строительство ветряков. Пример подает все та же Голландия. Там объявлено о проекте строительства ветроэнергетической установки, состоящей из 10 или 20 ветродвигателей мощностью по 300-500 киловатт. Планируется и создание ветродвигателей мощностью в несколько мегаватт.

Основная трудность связана с переменной силой ветра. Мощность ветростанции пропорциональна скорости воздушных струй в третьей степени. Предположим, станция с диаметром колеса 50 метров при не очень большой скорости ветрового потока -- 8 метров в секунду - имеет мощность около 1000 киловатт. Если же скорость понизится вдвое, то мощность упадет сразу до 120 киловатт, а то и ниже. Станция практически перестает работать.

С другой стороны, при возрастании скорости ветра резко повышается мощность, и чтобы ее регулировать, сначала достаточно изменить угол атаки лопастей, а потом при некоторой критической величине нужно останавливать ветроколесо. Естественно, башня должна сдерживать напор бурь и ураганов. С этим связана ее большая металлоемкость и дороговизна.

Энергия ветров пока дорога, но кое-где она вполне рентабельна. Так, соединив ветродвигатель с компрессором, можно экономично аэрировать водоемы, вентилировать овощехранилища. Во многих районах ветродвигатели целесообразно сочетать с опреснительными установками. Станции малой мощности способны обслуживать водопойные пункты в степях. В СССР уже налажено производство четырехкиловаттных станций, смонтированных на семиметровой башне. Для орошения оазисов нужны установки с мощностью в десятки и даже сотни киловатт.

Разработан проект большого ветродвигателя мощностью 2500 киловатт в виде огромного двухлопастного колеса диаметром 100 метров, установленного на 60-метровой башне. Пока столь большие мощности доступны лишь в экспериментальных или опытно-промышленных установках, А вот установки мощностью 100-300 киловатт и сейчас можно эффективно использовать, например, в прибрежной 100-километровой полосе вдоль Северного Ледовитого океана - в первую очередь в районах Надымского и Тазовского газовых месторождений, где средняя скорость ветра 5 метров в секунду, а на севере Ямала - вдвое больше.

Существует также проект ветростанции башенного типа с восемью ветровыми двигателями. Башня закреплена на вращающейся тележке и с помощью специального электродвигателя всегда ориентирует ветроколеса в оптимальном направлении. По оценкам проектантов, себестоимость электроэнергии составит всего 0,4 копейки за киловатт-час. Между тем электроэнергия, вырабатываемая на Севере дизельной электростанцией, обходится в 10 раз дороже. Правда, расчеты себестоимости сделаны при допущении, что ветер будет беспрерывно дуть с постоянной скоростью. А ведь ветродвигатель даже в "ветреных" северных районах вряд ли проработает на номинальной расчетной мощности больше 2500-4000 часов. Значит, необходимы аккумуляторы энергии, а они стоят недешево,

Второе дыхание ветра

Предложено еще несколько интересных конструкций ветродвигателей, в которых изобретатели стараются преодолеть недостатки лопастных ветростанций башенного типа.

Например, по кольцевому рельсовому пути ветер гоняет тележки, снабженные алюминиевыми крыльями-парусами. Колеса тележек соединены с электрогенераторами, отдающими через рельсы ток в сеть. Уже построена небольшая опытная установка с крыльями высотой около 10 метров.

В конструкции, которая получила название "яйцесбивалка", ось ветродвигателя - вертикальная. На ней размещено эллипсовидное алюминиевое кольцо длиной 27 и шириной 5 метров, которое и есть привычная нам лопасть. Высота созданной экспериментальной установки 19 метров (большая ось эллипса), а ширина - 5 метров (малая ось). Мощность двигателя - 100 киловатт.

У этой конструкции - ряд преимуществ. Она использует ветер, дующий с любой стороны. Отпадает необходимость в оборудовании для фиксации и поворота ветродвигателей. Алюминиевые плоскости кольца в пять раз дешевле лопастей из композитных материалов, применяемых в привычных нам ветродвигателях. Кроме того, становится ненужной башня. Впрочем, от дорогостоящей башни удалось избавиться и в другой установке, предложенной немецким инженером Г. Вагнером.

Представьте себе две лопасти с углом между ними 110 градусов. Они вращаются вокруг оси, наклоненной к горизонту под углом 55 градусов. Благодаря такой геометрии башня оказывается лишней. Когда при вращении оси одна лопасть смотрит вверх, то другая проходит над землей горизонтально.

Ветряки Вагнера, автоматически принимающие необходимое положение по отношению к ветру, можно размещать на судах и понтонах. На понтоне в Северном море уже работает опытный образец. Есть у этой конструкции и недостатки. С потоком ветра встречается всегда только одна лопасть, и ее длину для получения большой мощности нужно существенно увеличивать. Изобретатель предлагает убрать одну из двух дорогих лопастей, установить вместо нее только противовес. Тем самым можно сэкономить на изготовлении крыла сложного профиля и редукторе, так как ветряк станет вращаться вдвое быстрее.

Разговор о ветре закончим проектом будущего. Примерно раз в месяц на черноморский город Новороссийск обрушивается сильнейший ураган - бора. Раз в год он приобретает катастрофический характер. Виной всему - тянущийся вдоль Цемесской бухты Вакадский хребет. Он не пропускает с Кубанской низменности, расположенной за хребтом, холодный воздух к морю. Но вблизи от города в хребте есть одна низкая точка - седло, через которое время от времени и устремляются скопившиеся воздушные массы.

Специалисты-энтузиасты предлагают "спасти" город от напасти и заодно использовать силу боры. Для этого сквозь хребет нужно пробить три шахты, которые соединяются в один туннель под склоном, обращенным к морю. Затем достаточно установить в туннеле воздушную турбину.

Интересный, красивый и, будем надеяться, осуществимый проект.