Нетрадиционные источники энергии - Возрождение ветряных двигателей

В последнее время возникла необходимость в более дешевом способе добычи воды (она в основном добывается с помощью дизельных и электрических насосов), необходимой для орошения, скота и хозяйственных нужд, особенно в развивающихся странах. Ветряные насосы представляют собой хорошо изученный и апробированный вид оборудования, который может с успехом использоваться в районах со средней скоростью ветра не более 3 м/с для снабжения водой небольших ферм и отдельных зданий. Потребители могут запастись водой и хранить ее в цистернах во время безветрия.
В настоящее время во всем мире функционирует около миллиона механических ветряных насосов; большинство из них находятся в Аргентине, Австралии и США, где в основном используются для хозяйственных нужд. Не существует точных оценок количества энергии, вырабатываемого этими установками, однако, по всей вероятности, оно невелико. Механические ветряные двигатели обычно имеют мощность менее 0,5 кВт. В сумме это составит несколько сотен тысяч киловат энергии, т. е. примерно мощность одной крупной ТЭЦ. Несмотря на подобные скромные показатели, механические ветряные насосы играют ключевую роль во многих районах, где добыча с их помощью воды является единственным экономичным способом. В большинстве ветряных двигателей используется от 4 до 20 лопастей. Энергия ветра передается с помощью приводного вала в насосный механизм, расположенный в нижней части системы. В зависимости от наличия необходимых материалов, двигатели могут выполняться из пластмассы, металла, ткани, дерева или их сочетаний. Наиболее распространенным ветряным насосом сегодня является многолопастный двигатель вентиляторного типа. Горизонтально-осевая конструкция, претерпевшая незначительные изменения со времени изобретения в XIX в., отличается повышенной прочностью и может успешно функционировать, даже если скорость ветра не превышает 4 м/с. Большинство узлов двигателя, включая лопасти, выполнены из металла. Их производят не только в Аргентине, Австралии и США, но и в Новой Зеландии, Филиппинах и ФРГ.
Дизельные насосы, получившие прежде широкое распространение в сельских районах стран Азии, Африки и Латинской Америки, малоэффективны в работе и дорогостоящи. Механические ветряные насосы являются их наиболее жизнеспособной заменой в ближайшем будущем. Уже сегодня с помощью ветряных насосов, функционирующих в районах со скоростью ветра 4 м/с, осуществлять добычу воды из колодцев на 50 % дешевле, чем с помощью дизельных. Недавние исследования, проведенные в Индии, показали, что даже в сравнительно безветренных районах использование ветряных насосов обходится дешевле, чем дизельных. Однако необходимо продолжать разработку новых конструкций, отвечающих местным условиям и нуждам. В последние годы проведен большой объем исследований в этой области.
Еще большую роль в использовании энергии ветра играют ветряные мельницы новых и усовершенствованных конструкций.
Парусоподобное крыло критской ветряной мельницы, впервые созданной на островах Эгейского моря и сейчас используемой в нескольких странах Средиземноморья, представляет собой конструкцию, которой уделялось много внимания. Эта горизонтально-осевая ветряная мельница включает в себя ротор с несколькими металлическими или деревянными спицами, между которыми натянуты матерчатые паруса, причем последние фактически служат в качестве лопастей. Лопасти критских мельниц обычно имеют от 3 до 6 метров в диаметре. Паруса можно свернуть или снять во время чрезмерно сильного ветра. Хотя ткань необходимо менять каждые 2—3 года, все остальные узлы могут успешно работать 10—15 лет при удачном исполнении. Тысячи подобных мельниц до сих пор используются для орошения в засушливых районах Средиземноморья. Подобный тип двигателя нашел широкое применение в Таиланде, где паруса делаются из бамбуковых матов. Несколько тысяч таких двигателей применяют для орошения рисовых полей.
Исследователей особенно интересуют мельницы с парусообразными крыльями, поскольку для их производства можно широко использовать местные материалы. Усовершенствованные варианты подобных мельниц изготовлены в Колумбии, Эфиопии, Гамбии и Индии. На строительном объекте вблизи реки Омо (Эфиопия) эффективность работы парусообразных крыльев значительно повысилась в результате использования критской конструкции и насоса двойного действия. Подобные двигатели испытаны недавно в Канаде, Малайзии и Шри Ланке. Индийская национальная аэролаборатория построила мельницу с парусообразными крыльями диаметром 10 м.
Еще одной усовершенствованной конструкцией, основанной на принципе традиционной ветряной мельницы, является ротор Савониуса. Он представляет собой вертикально-осевое устройство, выполненное из двух полусфер (типа анемометрических чашек), смонтированных вокруг перпендикулярного вала для захвата ветра. Само устройство относительно несложное и недорогое в изготовлении, однако оно малоэффективно в работе и обладает чрезмерной массой. Помимо этого, в роторе Савониуса отсутствует система защиты от сильного ветра, вследствие чего его необходимо крепить к прочным и устойчивым опорам. Несмотря на недостатки, у ротора Савониуса есть немало приверженцев, что подтверждается его использованием на различных объектах во многих странах.
В последние годы проекты по усовершенствованию ветряных мельниц в основном основывались на применении для изготовления лопастей таких дешевых и имеющихся в избытке материалов, как солома (тростник) и древесина.
Большие работы выполняет институт по развитию сельских районов «Лас Гавиотас» в Колумбии, финансируемый ООН и правительством Колумбии. Тамошние конструкторы потратили шесть лет на разработку надежного и недорогого ветряного насоса вентиляторного типа, способного функционировать при небольшой силе ветра, снабжать водой небольшие хозяйства и орошать их поля. Создано производство, выпускающее 1400 ветряных мельниц в год, а правительство взяло на себя функции их установки в сельских районах страны.
Группа ученых Англии также разработала конструкцию ветряной мельницы типа вентилятора. Эта установка больше по размерам и дороже колумбийской, однако она отличается высокой прочностью. Небольшая фирма в Кении уже начала производство этого двигателя и сбывает его местным скотоводам и строительным фирмам. Подобные установки вскоре начнут изготавливаться в Индии и Пакистане. Специалисты, однако, откровенно признают, что эти машины все еще слишком дороги для большинства крестьян в развивающихся странах и в основном могут быть приобретены только зажиточными фермерами.
Необходимо проявлять определенную гибкость для достижения успеха в деле освоения энергии ветра в развивающихся странах. Производство оборудования должно концентрироваться в самой стране с целью обеспечения занятости, стимуляции заинтересованности и поддержании издержек производства на низком уровне, учитывая затраты на транспортировку материалов. Структура обслуживания оборудования и обеспечения запчастями также имеет немаловажное значение. Подготовка монтажников и ремонтников должна стать неотъемлемой частью таких работ.
Перспективы использования ветряных насосов как в развитых, так и в развивающихся странах весьма радужны. Спрос на них, несомненно, возрастает.