Автор В. Шпиндлер, 1936 г.
Запасы энергии ветра практически неисчерпаемы. По подсчётам шведского учёного Сванто Аррениуса, мировое количество энергии ветра в 5000 раз превосходит полную энергию годового потребления каменного угля во всём мире. Кроме того, у ветра большое преимущество – он распространён повсеместно. Этот вид энергии называется голубым углём.
Энергией ветра люди научились пользоваться очень давно. Сначала был изобретён парус, который облегчил передвижение по воде, затем была открыта возможность превращения энергии ветра во вращательное механическое движение, которым пользовались главным образом для размола зерна. Большое преимущество ветра заключается в том, что для практического использования этого вида энергии требуются лишь первоначальные затраты на сооружение ветросиловой установки, которая работает потом уже при помощи даровой силы природы. Однако непостоянство силы и направления ветра крайне затрудняет непосредственное использование ветровой энергии. Если ветряным колесом привести в движение динамомашину, то последняя будет работать неравномерно и с большими перебоями. Это обстроятельство заставляет в мощных ветроэлектрических установках прибегать к аккумулированию или же включать эти установки в систему тепловых или гидроэлектрических станций для параллельной работы.
Построенная в 1931 г. в Крыму, недалеко от Севастополя, ветроэлектрическая станция (ВЭС) представляет собой железную решётчатую башню, на которой установлен трёхлопастный ветряк (лопасти имеют в диаметре 30 м). Мощность ветряка зависит от скорости ветра. Когда она превышает установленный предел, особые закрылки стабилизатора изменяют угол наклона крыла по отношению к ветру, и ветряк сохраняет постоянное число оборотов. Ветряк соединён с электрогенератором в кабинке: при изменении направления ветра автоматически включается мотор, который вновь устанавливает ветряк против ветра.
В 1936 г. в СССР начата постройка самой мощной в мире опытной ВЭС – тоже в Крыму, в районе горы Ай-Петри, над Ялтой, на плоскогорье со средней высотой 1200-1300 м над уровнем моря. Здесь дуют частые и продолжительные ветры со средней годовой скоростью в 8,3 м/сек. Весьма оригинальная конструкция ВЭС, разработанная инженером П.К. Горчаковым и Ю.В. Кондратюком, отличается чрезвычайно остроумным разрешением ряда сложных и принципиально новых технических вопросов.
ВЭС представляет собой тонкостенную, цилиндрическую железобетонную башню высотой в 165 м при диаметре в 65 м. Башня опирается на фундамент глубиной в 5 м. Значительная высота башни объясняется стремлением вывести ветряки из завихренных слоёв воздуха у вершины горы. На башне в двух консолях расположены один над другим 2 трёхлопастных ветряка. Необходимость обеспечить всей установке, весящей 5300 т, возможность поворота вокруг вертикальной оси на 360 градусов вызвала к жизни очень оригинальную конструкцию – так называемый жидкостный шарнир. Нижний конец башни сходит на конус и, как поршень в цилиндре, погружён в углубление, наполненное жидкостью. Башня давит на жидкость с силой в 237 атмосфер. Это устройство позволяет с минимальной затратой энергии поворачивать громадное сооружение в нужном направлении. Башня укреплена тремя растяжками из стальных тросов, которые поглощают боковое давление ветра и часть давления башни на фундамент.
Каждый ветряк вместе со своим генератором представляет собой самостоятельную установку. Каждый из двух электрогенераторов имеет мощность в 5000 кВт. Кабина, в которой помещаются передаточное устройство и генератор, имеет в длину 21 м и в ширину 8 м. Первый ветряк расположен на высоте 65 м от земли, второй – на высоте 165 м, т.е. на самой вершине башни. Диаметр у обоих ветряков одинаков и равен 80 м. Ветряки начинают работать при скорости ветра, равной 6 м/сек. Полной мощности установка достигает при ветре со скоростью 20 м/сек. Для поддержания постоянного числа оборотов (20 об/мин) при возрастании скорости ветра выше установочной крылья ветряка автоматически изменяют угол наклона по отношению к ветру (угол атаки). Ветряк может работать с выключенным генератором при ветре со скоростью до 60 м/сек, т.е. при ветре сверхураганной силы. Прочность сооружения рассчитана с учётом возможного удара порыва ветра со скоростью до 75 м/сек. Полная безопасность работы достигается ещё тем, что соединение ветряка с генератором осуществляется через так называемую гибкую муфту. Она обеспечивает мягкость соединения и, кроме того, при повышении числа оборотов ветряка выше дозволенного она автоматически разъединяет ветряк с генератором. Всякой ветросиловой установке очень опасен так называемый «удар в спину», т.е. когда внезапный порыв ветра ударяет на ветряк не в лоб, а сзади, со стороны башни. В этой установке лопасти ветряка устроены так, что они под ударом ветра в спину отгибаются вперёд, по направлению удара, т.е. в направлении, перпендикулярном плоскости вращения. Когда порыв ветра проходит, крылья ветряка автоматически возвращаются в прежнее положение.
При изменении направления ветра приспособление, установленное в лопастях ветряка, автоматически включает электромотор, который приводит в движение поворотное устройство. Оно состоит из рельсового пути, проложенного вокруг башни. По кругу ходит обычный электровоз, который при помощи дышла поворачивает всю установку в нужном направлении, т.е. против ветра.
Большую сложность представляла проблема передачи энергии от ветряка к генератору электрического тока. Генератор должен вращаться со скоростью в 600 об/мин, а ветряк даёт только 20 об/мин. Кроме того, для получения равномерного по силе тока необходимо, чтобы число оборотов генератора в единицу времени было постоянным, ветряк же не может сохранять число оборотов абсолютно неизменным. Следовательно, необходимо было создать передаточное устройство с огромным передаточным числом, равным 30. Подобную передачу можно было осуществить комбинацией зубчатых колёс, наподобие той, которая применяется на современных океанских пароходах. Это было бы очень сложно и громоздко; кроме того, изготовление этой передачи могли выполнить только германские заводы «Крупп» и «Демаг», а авторы проекта поставили себе целью изготовить все механизмы на советских заводах. Проблема эта была разрешена очень изящно и смело. Ветряк непосредственно приводит в действие мощные насосы, которые гонят рабочую жидкость (масло) под огромным давлением (37 атмосфер) на колесо Пельтона. Эта турбина насажена на одном валу с генератором и, вращаясь со скоростью 600 об/мин, вращает ротор генератора. Из-под турбины рабочая жидкость снова возвращается к насосам. Эта система передачи блестяще разрешает все затруднения.
Суммарная мощность обоих генераторов станции равна 10000 кВт. ВЭС будет давать энергию в так называемое «южное кольцо», обслуживающее наиболее густо населённые и промышленно развитые районы Крыма (Симферопольский, Севастопольский, Евпаторийский и весь Южный берег Крыма). Напряжение южного кольца равно 115000 В, следовательно, ток ВЭС придётся пропускать через повысительную подстанцию.
Сила ветра не постоянна даже на той высоте, на которой строится ВЭС, хотя вообще с высотой скорость и постоянство ветра возрастают. Авторы проекта предполагают, что станция сможет работать с полной мощностью 2500 часов в году. Это даёт 25 млн. кВт/час. в год. Фактически энергии будет больше. Проектом предусмотрен весьма оригинальный способ аккумулирования энергии на тот период, когда ветра нет. Мощные пласты плотного известняка, на котором строится станция, пронизаны глубокими и обширными пещерами – результат продолжительного действия вод. Если изолировать определённое пространство этих пустот, то их можно превратить в своеобразный гигантский резервуар для сжатого воздуха, который будет накачиваться туда за сч ёт избыточной энергии станции. В периоды безветрия генераторы станции будут приводиться в движение специальными турбинами, работающими на сжатом воздухе из этих резервуаров.
Строительство ВЭС на Ай-Петри является, без сомнения, одним из интереснейших строительств нашего времени как по важности разрешаемой хозяйственной проблемы, так и с точки зрения научно-технической. Это решительный шаг в область энергетики будущего.
