III. НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА
Приближающаяся угроза топливного «голода» вынуждает многие страны с новых позиций обратить внимание на энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр, т. е. на энергию, большая часть которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда, ни пользы (рис. 6). С разных концов земного шара приходят все новые и новые сообщения об использовании даровой энергии ветра в практических целях.
Рис. 6. Памятники науки и техники Литовской ССР. Перлаукская ветряная мельница голландского типа XIX в. (Елгавский район)
Укрощение ветра
Вполне возможно, что уже в XX в. глобальная проблема энергоснабжения будет частично решена с помощью более широкого использования энергии ветра. Уже в 1981 г. энергия ветра начала использоваться в быстрорастущих масштабах. Смелые и в большинстве своем успешные научные исследования и опытноконструкторские разработки, осуществленные в этой области в 70-х годах, способствовали возникновению целого ряда коммерческих предприятий и программ, направленных на рентабельное использование энергии ветра. После полувекового перерыва во многих странах опять началась установка многочисленных ветряных двигателей. Все это основывается на результатах недавно проведенных исследований, которые доказали, что ветер может служить в качестве практического и потенциально значимого источника электрической и механической энергии.
Используя древнюю идею и современные принципы аэронавтики, электротехники и материаловедения, ученые и конструкторы разработали технологию укрощения ветра. Она представляет собой синтез старого и нового. Современные ветряные двигатели чрезвычайно разнообразны — от простейших водяных насосов, выполненных из дерева и ткани, до силовых турбин длиной до 100 м с лопастями из стекловолокна. Ветряные двигатели изготавливаются с учетом их использования в различных климатических условиях и районах, причем их конструкция непрерывно и быстро совершенствуется.
Ветряные двигатели имеют наибольший спрос в районах, где использование дизельных двигателей и небольших электросетей для передачи и получения электроэнергии стоит дорого.
В Австралии, некоторых районах Африки, Азии и Латинской Америки приводимые в действие ветром насосы для полива полей переживают период возрождения. Вероятно, потребуется немного времени, чтобы крупные ветряные турбины внесли свой заметный вклад в общее производство энергии. В конструкции новых ветряных турбин применяются все новшества, достигнутые в смежных отраслях за последние несколько десятилетий. Экономические анализы и результаты испытаний показывают, что производство турбин на промышленной основе сделает их рентабельными для выработки электроэнергии.
Многие страны могли бы с успехом использовать ветер для удовлетворения значительной доли своих потребностей в электроэнергии; в некоторых из них серьезно приступили к оценкам ресурсов энергии ветра. В СССР, США и некоторых других странах всерьез занялись исследованиями в этой области. Если в середине 70-х годов всего лишь шесть-семь стран занимались исследованиями в области использования энергии ветра, то сейчас это количество удвоилось. Конференция ООН по новым и возобновляемым источникам энергии (август, 1981) явилась весьма значимым событием в эволюции использования энергии ветра. Результат конференции — создание соответствующих государственных и международных программ.
Вполне возможно, что десятки миллионов малогабаритных ветряных турбин и насосов будут вскоре успешно функционировать в сельских местностях, а комплексы крупных ветряных двигателей, наряду с другим оборудованием, внесут свой достойный вклад в энергоснабжение городов. Ветер никогда не сможет стать основным источником электроэнергии, однако в сочетании с расширенным использованием гидроэнергии и других возобновляемых источников его можно будет с успехом применять для удовлетворения большей части дополнительных потребностей в электроэнергии. К началу XXI в. многие страны смогли бы производить 20—30 % электроэнергии с помощью ветра.
Ветер фактически является одной из форм солнечной энергии. Солнечные лучи неравномерно падают на поверхность Земли, при этом определенные участки атмосферы нагреваются больше других. Поскольку теплый воздух легче холодного и стремится подняться вверх, то движение воздуха является результатом подобного неравномерного нагрева. Около 2 % падающего на поверхность земли тепла превращается в кинетическую энергию ветра, обладающую значительно большим потенциалом по сравнению с общим количеством потребляемой энергии во всем мире в течение года. Ветряные потоки являются двигателем мировой системы бурь, они приносят дождь в засушливые районы, вызывают разрушительные ураганы и торнадо. Ветер — это животворящая и разрушительная сила, вот почему о нем столько говорилось в мифах и религиозных сказаниях.
Человек может потреблять очень малую часть энергии ветра. (Наибольшие скорости ветряных потоков в основном наблюдаются на значительной высоте или над океанами, что затрудняет их использование. Даже реализация самых смелых проектов даст возможность использовать весьма незначительную часть энергоресурсов ветра. Несмотря на это ветер является наиболее щедрой и легко доступной формой солнечной энергии. Источник этот постоянно возобновляем и неистощим для практического применения.
Несомненно, идея укрощения ветра вовсе не нова. В Древнем Египте, как свидетельствуют материалы археологических раскопок, вдоль морского побережья высилось несколько ветряных двигателей, каждый из которых мог работать только при одном, определенном направлении ветра. И в зависимости от смены направления ветра установки работали по очереди. В писании средневековых арабов упоминаются примитивные ветряные двигатели в Персии в VII в. Их изобрели еще во II в. до нашей эры для перемалывания зерна, а затем они распространились на Ближний Восток. Подобные механизмы были изобретены и в Китае по крайней мере уже 2000 лет тому назад.
В Европе ветряные мельницы впервые были использованы в XII в., очевидно, возвратившимися после походов крестоносцами. Эти механизмы вскоре стали чрезвычайно популярными в средневековой Европе.
Во времена Ивана Грозного русские умельцы создали шатровую конструкцию ветряной мельницы, в которой ее верхушка сама поворачивалась по направлению ветра.
В 1721 г. Петр I именным приказом повелел «...построить в Петергофе ветряную мельницу и амбар, в котором пиловать и полировать камень мраморовый и другой всякий камень, кроме дикого камня».
В начале XIX в. интенсивность использования энергии ветра в европейской промышленности пошла на убыль. Паровые машины, работающие на угле, стали экономически выгодной их заменой.
Ветряной электродвигатель был разработан неизвестным датским инженером в 1890 г. (т. е. сразу же после того, как паровой двигатель впервые выработал электроэнергию), после чего открылись новые перспективы использования энергии ветра — начиная от выработки электроэнергии для ламп накаливания и кончая приведением в действие промышленного оборудования.
До начала XX в. строительство ветряных двигателей в России было делом практиков. Каждый из конструкторов полагался только на собственный опыт. Но вот этим делом занялся великий русский ученый Н. Е. Жуковский. В стенах Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) им была разработана теория совершенного ветродвигателя. У Жуковского было много учеников, которые конструировали десятки самых различных ветродвигателей — простых, дешевых и удобных в работе. Но необходим был двигатель, который работал бы независимо от скорости и направления ветра.
Мощность современных ветродвигателей колеблется от десятков до нескольких тысяч киловатт. Применяют их для самых различных работ: освещения, перемалывания зерна, орошения полей, осушения болот, работы лесопилок и других машин.
Нынешнее возрождение интереса к энергии ветра имеет непосредственное отношение к резкому повышению цен на нефть; появились десятки компаний — изготовителей небольших ветряных двигателей, а исследования по созданию более крупного и сложного оборудования проводятся как на деловом, так и на государственном уровнях. Все это убеждает в том, что ветряные турбины и механические ветряные мельницы смогут в действительности стать значимым и экономичным источником энергии в будущем.
Основное достоинство ветряных двигателей заключается в том, что их производство требует сравнительно незначительных затрат. Уже сегодня оборудование обладает неплохой экономической конкурентоспособностью в тех районах мира, где преобладают высокие цены на горючее.
Интенсивность работы ветряных энергодвигателей в основном зависит от скорости ветра. Изменение скорости на 1 м/с значительно влияет на работу всего энергетического комплекса. Среднегодовая скорость ветра в разных районах земного шара различна. Для многих районов она составляет 5 м/с, чего вполне достаточно для функционирования ветряных электродвигателей. Механические ветряные насосы способны успешно работать в районах со среднегодовой скоростью ветра около 3 м/с. Такие географические зоны охватывают едва ли не всю планету.
Почему же энергетики надолго забыли о ветряных двигателях? Считалось, что ветер не может конкурировать с ГЭС, ТЭС, а тем более АЭС. Как не удивительно, может! С определенных позиций, конечно. Сначала несколько цифр. Если бы можно было «запрячь» все ветры, которые гуляют над территорией нашей страны, то они могли бы давать ежечасно 20—25 млрд. кВт-ч энергии. А все действующие электростанции Советского Союза, вместе взятые, дают 300 млн. кВт-ч Невозможно заставить работать все ветры, «приручить» же какую-то их часть просто необходимо. Но у ветра непостоянный характер. Его скорость легко и быстро изменяется во времени и в пространстве. Она меняется также в зависимости от времени года и даже суток. Энергия ветра может с большим успехом использоваться в Европе, где максимальный расход электроэнергии приходится на зимний период, время наиболее интенсивных ветров. В США использование ветра менее эффективно из-за продолжительных периодов затишья (особенно летом). Говоря языком географов, энергия ветра наиболее ценна там, где живут люди и расход энергии велик. Колоссальный энергопотенциал ветра в Гималаях вряд ли когда-либо будет использоваться в широких масштабах.
Разработка такого источника энергии, как ветер, сопряжена с большими трудностями. Однако ни изменчивость ветра, ни область его действия не могут рассматриваться в качестве непреодолимых препятствий, как считалось в прошлом. Во многих населенных районах ветер считается достаточно постоянным для того, чтобы служить в качестве надежного источника энергии. С помощью недавно разработанных аналитических методов можно легко определить потенциальную ценность энергии ветра. До сего времени было проведено всего лишь несколько таких анализов, но их результаты обнадеживают. Среднегодовая скорость ветра на континентах Земли составляет примерно 3,5 м/с. Всего лишь горстка стран страдает безветрием. В некоторых местах энергопотенциал ветра превышает солнечный частично потому, что ветер дует не только днем, но и ночью.
Доступность использования энергии ветра не везде одинакова, и весьма важно, чтобы в каждой стране более четко представляли себе размеры энергоресурсов ветра и их распределение. Первоначальные оценки, проведенные в Северной Америке и. Западной Европе, показывают, что в большинстве северных умеренных районов существуют благоприятные условия для использования энергии ветра, причем некоторые места (такие, как горные перевалы и прибрежные зоны) особенно удобны для использования ветряных двигателей. Предварительные данные свидетельствуют, что ветер можно с успехом укрощать и во многих тропических странах, расположенных в поясе пассатов, наиболее устойчивых и постоянных ветров в мире. В Центральной Африке, на юго-востоке США и в некоторых других районах энергопотенциал ветра относительно низкий.
Важным шагом для большинства стран является определение районов с благоприятными метеорологическими условиями для установки ветряных двигателей. Выбор довольно велик, поскольку ветер можно укрощать с помощью самых разнообразных механизмов в зависимости от существующего режима ветра. Так, в скотоводческих районах, где вода для орошения или скота является первейшей необходимостью, наиболее целесообразно использовать механические ветряные насосы. В сельской местности, где превалируют сильные ветры, небольшие хозяйства и предприятия могут с успехом использовать малогабаритные ветряные турбины. Крупные ветряные турбины желательно устанавливать в местностях, прилегающих к крупным населенным пунктам.
