ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретич. основы, методы и
средства использования энергии ветра для получения механич., электрич.
и тепловой энергии и определяющая области и масштабы целесообразного использования
ветровой энергии в нар. х-ве. В. состоит из 2 осн. частей: ветротехники,
разрабатывающей теоретич. основы и практич. приёмы проектирования
технич. средств (агрегатов и установок), и ветроис-пользования,
включающего теоретич. и практич. вопросы оптимального использования энергии
ветра, рациональной эксплуатации установок и их технико-экономич. показателей,
обобщение опыта применения установок в нар. х-ве. В. также опирается на
результаты аэрология, исследований, на базе к-рых разрабатывается ветроэнергетический
кадастр. По данным ветро-энергетич. кадастра не только выявляют районы
с благоприятным ветровым режимом, но и устанавливают виды работ, где применение
ветровой энергии целесообразно и экономически выгодно по сравнению с другими
энергоисточниками. Ветровую энергию прежде всего следует использовать в
таких производств, процессах, к-рые допускают перерывы в подаче энергии,
или в тех случаях, когда продукт переработки может быть заготовлен впрок
(подъём воды, орошение, дренаж, помол зерна, кормоприготовление, зарядка
электро-хим. аккумуляторов и т. п.). Учитывая важность этой отрасли,
В. И. Ленин в первый "Набросок плана научно-технических работ" (апрель
1918) включил работы по использованию энергии воды и ветра вообще
и в земледелии в частности; в письме к А. П. Серебровскому (апрель 1921)
В. И. Ленин подчёркивал важное значение использования в Бакинском районе
ветряных двигателей для орошения земли и развития земледелия.
Ветровая энергия,
наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых
и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением
деятельности Солнца. Вследствие неравномерного нагрева солнечными лучами
земной поверхности и нижних слоев земной атмосферы, в приземном слое, а
также на высотах от 7 до 12 км возникают перемещения больших масс
воздуха, т. е. рождается ветер. Он несёт колоссальное количество
энергии: 96*1021 дж (26,6*1015 квт*ч),
что составляет почти 2% энергии всей солнечной радиации, попадающей
на Землю. Сила ветра, зависящая от его скорости, изменяется в очень широких
пределах - от лёгкого дуновения до урагана, скорость к-рого достигает 60-80
м/сек. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на всей территории
СССР определены в 10,7 Гвт (млрд. кет) с возможной годовой
отдачей 65*1018 дж (18-1012 квт-ч). Используя
даже несколько процентов этой энергии, можно удовлетворить значит,
часть потребностей страны. Исходя из хозяйств., ветровых и др. зональных
условий, определяют тип применяемой ветроустановки и её экономические показатели.
К достоинствам
ветровой энергии прежде всего следует отнести доступность, повсеместное
распространение и практич. неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не
нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает
к установленному на его пути ветродвигателю. Эта особенность ветра
чрезвычайно важна для труднодоступных (арктических, степных, пустынных,
горных и т. п.) р-нов, удалённых от источников центра-лизов. энергоснабжения,
и для относительно мелких (мощностью до 100 квт) потребителей энергии,
рассредоточенных на обширных пространствах. Осн. препятствие к использованию
ветра как энергетич. источника - непостоянство его скорости, а следовательно,
и энергии во времени. Ветер обладает не только многолетней и сезонной изменчивостью
(рис. 1), но также изменяет свою активность в течение суток (рис.
2) и за очень короткие промежутки времени (мгновенные пульсации
скорости и порывы ветра) (рис. 3).
Рис. 1. Сезонная
изменчивость скоростей ветра.
Рис. 2. Суточное
изменение скоростей ветра.
Рис. 3. Характер
изменений скорости ветра за короткий промежуток времени.
Потенциал ветровой
энергии зависит от значений среднегодовой или среднепериодной скорости
и повторяемости различных скоростей ветра. Его оценивают кол-вом энергии,
к-рую с помощью ветродвигателя можно получить в данной местности. В зонах
с умеренным ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра 5 м/сек)
на 1 км2 можно получить годовую выработку электроэнергии
ок. 3,6 Мдж (1 млн. квт-ч, или 1 Гвт*ч). Мощность
ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому даже относительно
небольшие его изменения приводят к значит, колебаниям мощности, развиваемой
ветродвигателем, в диапазоне скоростей от минимальной рабочей, при к-рой
ветродвигатель начинает вырабатывать полезную мощность, до расчётной,,
к-рой соответствует установл. мощность ветроэнергетической установки.
Конструкции и способы регулирования частоты вращения и мощности ветродвигателей
обеспечивают их надёжную работу при буревых скоростях ветра (40-50 м/сек)
и ограничение развиваемой мощности таким образом, что макс, мощность
превышает установленную обычно не более чем на 15-20% . Чтобы уменьшить
колебания мощности или избежать их, ветровую энергию в периоды, когда имеется
избыточная мощность, аккумулируют и затем используют в периоды безветрия
или недостаточных скоростей ветра. Специфичностью аккумулирования в значит,
мере объясняются трудности утилизации ветровой энергии и причины ещё недостаточного
её практич. использования.
Краткая история
развития В. С древнейших времён человек использовал энергию ветра сначала
в судоходстве, а затем для замены своей мускульной силы. Первые простейшие
ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте
(ок. г. Александрии) сохранились остатки кам. ветряных мельниц барабанного
типа, построенных ещё во 2-1 вв. до н. э. В 7 в. н. э. персы строили ветряные
мельницы уже более совершенной конструкции - крыльчатые. Несколько позднее,
по-видимому в 8-9 вв., ветряные мельницы появились на Руси и в Европе.
Начиная с 13 в., ветродвигатели получили широкое распространение в Зап.
Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола
зерна и приведения в движение различных станков. До Великой Окт. со-циалистич.
революции в крест, х-вах России насчитывалось ок. 250 тыс. ветряных мельниц,
к-рые ежегодно перемалывали половину урожая (ок. 33 млн. т, или
2 млрд. пудов зерна). С изобретением паровых машин, а затем двигателей
внутр. сгорания и электродвигателей старые примитивные ветряные двигатели
и мельницы были вытеснены из мн. отраслей и остались гл. обр. в с. х-ве.
В начале 20 в. русский учёный Н. Е. Жуковский разработал теорию быстроходного
ветродвигателя и заложил науч. основы создания высоко-производит. ветродвигателей,
способных более эффективно использовать энергию ветра. Они были построены
его учениками после организации в 1918 Центр, аэрогидродинамич. ин-та (ЦАГИ).
Сов. учёные и инженеры теоретически обосновали принципиально новые схемы
и создали совершенные по конструкции ветроэнергетич. установки и ветроэлектрические
станции (ВЭС) различных типов мощностью до 100 квт для
механизации и электрификации процессов с.-х. производства и др. целей.
Большие заслуги в создании основ В. и вет-роиспользования имеют сов. учёные
Н. В. Красовский, Г. X. Сабинин, Е. М. Фатеев и др. Пром. выпуск ветродвигателей
для механич. привода машин был налажен в нач. 20 в., а элект-рич. ветроагрегатов
с генераторами небольшой мощности - примерно в 20-х гг. В 40-50-х гг. в
СССР и за рубежом получило интенсивное развитие строительство ВЭС. Так,
в Дании в период 2-й мировой войны работали неск. десятков ВЭС, выработка
к-рых превысила 80 млн. квт-ч электроэнергии. За годы Сов. власти
налажено серийное произ-во специализированных и универсальных ветродвигателей
мощностью от 0,7 до 11 кет (от 1 до 15л. с.), гл.
обр. с механич. и электрич. трансмиссиями. В послевоен. период было выпущено
более 40 тыс. ветродвигателей, в основном типов ТВ-8, ТВ-5, Д-12, ВЭ-2,
к-рые с большой эффективностью применялись в колхозах и совхозах.
Состояние В.
к концу 60-х гг. 20 в. В СССР созданы новые типы более совершенных унифицированных
быстроходных ветроэнергетич. агрегатов (ВБЛ-3, ВПЛ-4, "Беркут", "Ветерок"
и др.), в к-рых используются новые типы насосов и генераторов, пневматич.,
электрич. и др. виды приводов, более совершенные системы регулирования.
Большинство ветродвигателей применяют для механизации подъёма воды, особенно
на пастбищах и отдалённых фермах в Поволжье, на Алтае и Чёрных землях,
в Казах., Туркм., Узб. ССР и др. зонах, где они работают 250-300 дней в
году. Разработка теоретич. основ и создание новых конструкций ветроэнергетич.
агрегатов различного назначения проводятся в Сов. Союзе (Всесоюзный НИИ
электрификации с. х-ва, Всесоюзный НИИ электромеханики, ЦАГИ и др.),
ФРГ (Штутгартская школа ветроэнергетиков), США, Великобритании,
Франции, Дании и др. странах. В тех странах мира, где широко развита В.,
используются (по неполным данным) более 600 тыс. ветроэнергетич.
установок (по материалам ЮНЕСКО за 1967). В 1968 в Австралии эксплуатировались
более 250 тыс. ветро-установок, преимущественно насосных. В СССР число
эксплуатируемых ветродвигателей (без самодельных) составляет 8-9 тыс.
Перспективы
развития. Роль В. в Сов. Союзе возрастает при реализации большой программы
по обводнению и мелиорации земель и решении важнейших задач развития механизации
животноводства и электрификации с. х-ва. Ветроэнергетич. установки с успехом
могут быть применены для механизации водоснабжения потребителей, осушения
заболоч. участков и мелкооазисного орошения бахчевых, кормовых и огородных
культур во вновь осваиваемых пустынных и полупустынных зонах, для энергоснабжения
отдалённых объектов и др. Для этих целей предполагается применить десятки
тыс. вет-роустановок, что в неск. раз снизит затраты на водоподъём. Это
явится, как писал ещё в 30-х гг. 20 в. известный рус. учёный К. А. Тимирязев,
идеальным решением вопроса борьбы с засухой. Первые опыты показали, что
ветроэлект-рич. агрегаты также целесообразно применять для питания энергией
установок по опреснению минерализованных грунтовых вод, для т. н. катодной
защиты трубопроводов и мор. сооружений от коррозии, а ветропневматич. установки-
для аэрации водоёмов в зимнее время закачкой воздуха под лёд. Изучается
возможность создания более крупных ВЭС (в частности, на Филиппинах - до
5 Мет) для энергоснабжения изолированных потребителей в труднодоступных
районах (арктических, горных и др.) и на островах, куда доставка топлива
сложна и дорога. Наиболее перспективно применение таких ВЭС для параллельной
или совместной работы с др. электрич. станциями. В более отдалённой перспективе
- применение высотных ВЭС мощностью до 3-5 Мет, использующих энергию
возд. потоков в тропопаузе.
Лит.: Вопросы
ветроэнергетики, [Сб. ст.], М., 1959; Красовский Н. В., Сабинин Г. X.,
Проблемы использования энергии ветра, М., 1923; Красовский Н. В., Как использовать
энергию ветра, М.- Л., 1936; Шефтер Я. И., Ветроиспользование и его роль
в энергетике сельского хозяйства, "Научные труды по электрификации сельского
хозяйства", 1967, т. 20; Шефтер Я. И. [сост.], Состояние, научно-технические
и экономические основы развития ветроэнергетики и рекомендации по применению
ветродвигателей, М., 1966; Сабинин Г. X., Фатеев Е. М., Проблема использования
энергии ветра в СССР, состояние и перспективы, "Изв. АН СССР. Отделение
технических наук. Энергетика н автоматика", 1960, №6; Колод и н М. В.,
Ветер и ветротехника, Аш., 1957; Тажиев И. Т., Энергия ветра, как энергетическая
база электрификации сельского хозяйства Казахстана, А.-А., 1949; G.o.lding
E. W., The generation of electricity by wind power, L., 1955. М. В.
Колодин, Я. И. Шефпгер.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я