Энергия

Энергия ветра

Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.

Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна.

За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Например, в Англии имеется мельница, построенная в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она исправно трудится и по сей день. В России до революции насчитывалось приблизительно 250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых составляла около 1,5 млн. кВт. На них размалывалось до 3 млрд. пудов зерна в год.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад.

В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например, в Голландии. Первый ветроэлектрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.

Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии, например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины нашего века. Часть их действует и в настоящее время.

Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх - настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления. Мельникам приписывали общение с нечистой силой.

Время шло, и люди все чаще задумывались о ветре как о источнике бесплатной энергии. Наступил такой этап развития технологии, когда стали строить электрогенераторы. И в Дании в 1890 году построили первый ветрогенератор для производства электричества. Такие ветрогенераторы устанавливались в труднодоступных местах, куда было неудобно или невыгодно передавать ток с обычных электростанций. В конце концов, ветровые турбины стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии. Между 1920 и 1930 годами ветровые генераторы стали появляться в Австралии и США. В 1937 году в Крыму была построена крупнейшая в мире, как говорили тогда, ветроэлектрическая станция.

Она действительно была внушительных размеров, но ток, который ветрогенератор давал в электрическую сеть Севастополя, мощностью своей не превышал 100 кВт.

Энергия ветра очень велика. Её запасы в мире, по оценке Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт-ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем — часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих под открытым небом в любую погоду, стоят недёшево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать гораздо большую площадь. К тому же ветроэлектро- станции не безвредны: они мешают полётам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приёму телепередач в близлежащих населённых пунктах. Не всем понравилось бы жить в городе, где на каждой крыше грохочут ветряки. Такой город будущего описал английский фантаст Герберт Уэллс в романе «Когда спящий проснётся» (1899 г.).

Для получения энергии ветра применяют самые разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолётных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у неё есть груз-противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолётного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Встречаются и совсем оригинальные решения. Например, по кольцу из рельсов бегает тележка с парусом, и её колёса приводят в действие электрогенератор.

В Испании довольно долго работала установка, сама создававшая для себя ветер. Построили очень высокую трубу, обширный круг земли в её основании покрыли полиэтиленовой плёнкой на каркасных опорах. Под жарким испанским солнцем земля и воздух под плёнкой нагревались, и в трубе возникала ровная постоянная тяга. Встроенная в трубу крыльчатка вращала генератор. Тяга не прекращалась ни в пасмурные дни (если только облачность была не слишком плотная), ни ночью: земля долго хранит тепло. Однако эксплуатация такой установки обходилась довольно дорого: металлическая труба постепенно ржавела, а плёнка разрушалась. Серьёзный урон ветростанции наносила и непогода... После очередного урагана ремонтировать систему не стали.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветряные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определённую высоту, а падая вниз, вращает турбину). Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк даёт электрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т. е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.

Основоположник современной аэродинамики русский учёный Николай Егорович Жуковский (1847— 1921) рассчитал теоретический КПД ветродвигателя, оказавшийся довольно высоким, около 60 %. Но у реальных конструкций он на 10- 15 % ниже.

В мире сейчас работает более 30 тыс. ветроустановок разной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер даёт 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена «воздушного» электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 г. она снизилась в 1,5 раза. Правда, в настоящее время энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт / ч.

Какие же препятствия стоят на пути широкого использования ветра? Их в основном два: непостоянство его направления и силы и необходимость аккумулирования энергии на случай отсутствия ветра или малой его мощности. Прежде всего, видимо, надо рассматривать ветроэнергетические установки как один из путей получения дополнительной энергии, позволяющей сократить расход органического топлива.

« К списку статей