История использования энергии ветра человеком относится к глубокой древности. Первые упоминания об этом появились примерно за 1000 лет до нашей эры. Принято считать, что история западных ветряных мельниц начинается с первого документального появления европейской (или датской) ветряной мельницы в Нормандии в 1180 году. Вероятнее всего, что в Европу ветряные мельницы попали из Персии через средиземноморские страны.
Наиболее известным ранним типом ветряной машины является персидская мельница, представляющая собой простейшее устройство с ротором, расположенным вертикально (рис. 1.1). При этом в Западной Европе персидская мельница была быстро усовершенствована до более эффектного типа ветряной мельницы с горизонтальной осью вращения ветротурбины. Исследователи истории ветроэнергетики отмечают, что за короткий промежуток времени ветряные мельницы с горизонтальной осью практически полностью вытеснили из Европы установки с вертикальной осью.
Усложнение конструкции мельницы с горизонтальной осью оправдалась большей эффективностью работы. Британская мачтовая ветряная мельница, показанная на рис. 1.2, является триумфом инженерной мысли и наиболее сложным механизмом на период начала Индустриальной революции.
Интенсивно развиваясь с XII no XIX век, ветряные мельницы достигли определенного совершенства. Мощность этих мельниц была эквивалента 25. ..35 кВт.
Индустриальная революция, обусловленная созданием паровых машин, и удешевление угля привели к постепенному вытеснению агрегатов, использующих энергию ветра. Одним из очень интересных исторических феноменов ветроэнергетики, о котором упоминают многие авторы являются американские насосные ветроустановки. Особенностями таких установок являются много лопастный ротор, простая система ориентирования на ветер и возможность автономной автоматической работы. На рис. З.а показана установка Halladay Standard, которая впервые имела настоящий коммерческий успех. Вторым наиболее популярным типом ветронасосных установок были агрегаты с жестким ротором Eclipse (рис. 1.3, б). Третий шаг в развитии американских встронасосных установок был сделан в 1888 году компанией The Aermotor.
Ветроустановки Aermolor (рис. 1.4) были выполнены полностью из металла, а массовое производство позволило значительно уменьшить их стоимость. Революционным новшеством спала идея штамповать лопасти из жести. Штампованные лопасти имели определенную геометрию и устанавливались под необходимым углом. При больших скоростях ветра ротор, расположенный за стойкой, «всплывал» за счет шарнирного соединения. Следует отметить, что это были полностью металлические установки, выполненные оптимально с точки зрения конструкции, эффективности и
экономики производства.
Несмотря на широкую электрификацию сельской местности, данные ветряные мельницы остаются достаточно распространенным во многих странах.
Статистика по имеющимся на сегодняшний день ветронасосным установкам приведена в табл. 1.1. Общее их количество составляет больше миллиона ветряных мельниц (в основном многолопастные установки с диаметром колеса около 2,5 м), а суммарная мощность около 250 МВт.
Интересно сравнить параметры наиболее распространенных старых ветряных мельниц с современными агрегатами, имеющими те же размеры ветротурбины(табл. 1.2).
Как видно, за последние 50 лет ветроэнергетическая технология совершила мощный технологический скачок, увеличивший эффективность ветряных мельниц приблизительно в 10 раз.
От ветряной мельницы к ветроэнергетической установке
В конце девятнадцатого столетия появилась идея использовать энергию ветра для генерирования постоянного электрического тока. Потребность в таких установках была велика, поэтому в различных странах проводился целый ряд экспериментальных работ. В литературе встречаются описания двух очень разных ветроустановок, которые стали одними из первых в электрогенерированин. Первая из них, изображенная на рис. 1.5, это ветроустановка Браша мощностью 12 кВт, генерировавшая постоянный ток для зарядки аккумуляторных батарей. Система в целом работала
автоматически в течение 20 лет и требовала минимального ухода.
Ветряная мельница Браша стала важным этапом в истории развития ветроэнергетики.
Во-первых, она была достаточно крупной. Во вторых, в ней была использована повышающая двухступенчатая ременная трансмиссия с передаточным числом 50:1, при этом генератор вращался со скоростью 500 об/мин. И, наконец, это была первая попытка соединить хорошо развитую систему ветряной мельницы с новой электрической технологией. В то
же время установка показала, что многолопастные ветротурбины слишком медленные и малоэффективные для электрогенерирования.
Следующий важный шаг перехода от ветряных мельниц к ветроэнергетическим установкам сделал Пол Лакур (Poul Ia-Cour) в Дании в начале прошлого века. Он был первым, кто создал аэродинамическую трубу и применил аэродинамический профиль в своих ветроустановках (рис. 1.6).
К 1910 году около сотни таких ветроустановок мощностью от 5 до 25 кВт работали в сельской местности Дании. В 20 — 30-е годы и США появились коммерческие экземпляры маленьких ВЭУ для зарядки аккумуляторных батарей, которые стали очень популярными.
Ни рис. 1.7 показана установка Jacobs Wind Electric. Скоростная трехлопастная ветротурбина, имеющая лопасти с аэродинамическим профилем вращала генератор мощностью 3 кВт при напряжении 110 В. Интересно отметить, что именно на этапе развития маленьких ветроустановок для заряда аккумуляторов встала проблема оптимального количества лопастей для ветротурбины. Двухлопастные ветротурбины испытывали значительные вибрации при изменении направления ветра, в то время как трехлопастные не имели этого недостатка.
Необходимо отметить, что этот тип ВЭУ перешел к современным конструкциям практически без изменений.
В 1925 году был создан новый вид ротора — ротор Савониуса, названный в честь ею создателя финскою инженера С.Савониуса. Преимуществами такою типа роторов являются высокий стартовый момент и способность воспринимать ветер с любой стороны, а недостатками — низкие быстроходность и коэффициент использования энергии вегра, а также значительная масса конструкции.
Другим новым типом ветротурбины, появившейся н 30-х годах прошлого столетия, была вертикальная ветротурбина, предложенная Ф. Дарье.
Ротор Дарье имеет две или три изогнутые лопасти, закрепленные сверху и снизу центральной колонны, и может воспринимать ветер со всех сторон. Данный тип ветротурбины практически не использовался до начала 1970-х
годов, когда в Канаде, а потом и в других странах начались исследования крупных ветроагрегатов с таким ротором Дарье.
Эволюция современных ветряных мельниц. От ветряных мельниц к ветроэлектрогенераторам
В ряде стран научно-исследовательские работы в области развития ветроэнергетики усиленно развивались с конца 1940-х до начала 1960-х годов. Однако к тому времени цены на ископаемое топливо заметно снизились и с точки зрения стоимости электроэнергии ветроэлектрические установки не могли уже конкурировать с тепловыми электростанциями. В этот период коммерческая ветроэнергетика практически не развивалась. Были созданы различные экспериментальные образцы, в том числе ВЭС в Курске.
В начале 1970-х годов произошел новый взлет ветроэнергетики, обусловленный прежде всего известным энергетическим кризисом. В этот период правительства многих стран развернули широкомасштабные программы по созданию ветряных мельниц. Согласно этим программам разработка технологий, конструкторские рабогы и экспериментальные исследования должны были проводиться в постоянном взаимодействии. Планы предусматри-
вали создание трех поколений экспериментальных агрегатов. Первое поколение позволяло получить базовые наработки и данные, чтобы создать четкую концепцию ветроэнергетики. Второе поколение было необходимо для наработки практического опыта создания ветряных мельниц. И, наконец, третье поколение
молжно было довести уровень надежности и эффективности ветроустановок до коммерческого использования. Эти серии ВЭУ должны были усовершенствовать ветротехнологии до той отметки, когда технический риск
мал настолько, что может привлечь значительные коммерческие капиталы.
Исследования были разделены на два направления — ВЭУ с горизонтальной осью и ВЭУ с вертикальной осью вращения.Например, в США в 1974 году была разработана Федеральная Программа по развитию ветроэнергетике, согласно которой были созданы экспериментальные прототипы MOD-O, MOD-OA, MOD-1, MOD-2, MOD-3. В Европе наиболее интересными и крупными проектами были Growian мощностью
3МВт и Германии (1983), KaMeWe 2,5 МВт в Швеции, LS-1 3 МВт в Великобритании(1987) и др. Необходимо отметить, что немецкий проект Growian был наиболее крупным из когда-либо построенных ВЭУ: диаметр турбины 100 м, высота башни 100 м. Эта ВЭУ была первой, которая работала с переменной скоростью вращения ветротурбины и имела асинхронизированный синхронный генератор. Слишком большое количество новинок вызвало огромное количество непредвиденных проблем в работе ветряной мельницы, но эта ВЭУ внесла значительный вклад в понимание проблем
иных агрегатов.