Ветроэнергетика

Ветроэнергетика, отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве. В. состоит из 2 основных частей: ветротехники, разрабатывающей теоретические основы и практические приёмы проектирования технических средств (агрегатов и установок), и ветроиспользования, включающего теоретические и практические вопросы оптимального использования энергии ветра, рациональной эксплуатации установок и их технико-экономических показателей, обобщение опыта применения установок в народном хозяйстве. В. также опирается на результаты аэрологических исследований, на базе которых разрабатывается ветроэнергетический кадастр. По данным ветроэнергетического 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 производственных процессах, которые допускают перерывы в подаче энергии, или в тех случаях, когда продукт переработки может быть заготовлен впрок (подъём воды, орошение, дренаж, помол зерна, кормоприготовление, зарядка электрохимических 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, то есть 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 которого достигает 60-80 м/сек. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на всей территории СССР определены в 10,7 Гвт (млрд. квт) с возможной годовой отдачей 65-10¹⁸ дж (18-10¹² квт-ч). Используя даже несколько процентов этой энергии, можно удовлетворить значительную часть потребностей страны. Исходя из хозяйственных, 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 практически 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.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 квт)потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического 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). Потенциал ветровой энергии зависит от значений среднегодовой или среднепериодной скорости и повторяемости различных скоростей ветра. Его оценивают количеством энергии, которую 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 около 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 значительным колебаниям мощности, развиваемой ветродвигателем, в диапазоне скоростей от минимальной рабочей, при которой ветродвигатель начинает вырабатывать полезную мощность, до расчётной, которой соответствует установленная 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 максимальная 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 значительной мере объясняются трудности утилизации ветровой энергии и причины ещё недостаточного её практического 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 (около г. Александрии) сохранились остатки каменных 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 Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков. До Великой Октябрьской социалистической революции в крестьянских хозяйствах России насчитывалось около 250 тыс. ветряных мельниц, которые ежегодно перемалывали половину урожая (около 33 млн. т, или 2 млрд. пудов зерна). С изобретением паровых машин, а затем двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей старые примитивные ветряные двигатели и мельницы были вытеснены из многих отраслей и остались, главным образом, в сельском хозяйстве. В начале 20 в. русский учёный Н. Е. Жуковский разработал теорию быстроходного ветродвигателя и заложил научные основы создания высокопроизводительных ветродвигателей, способных более эффективно использовать энергию ветра. Они были построены его учениками после организации в 1918 Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). Советские учёные и инженеры теоретически обосновали принципиально новые схемы и создали совершенные по конструкции ветроэнергетические 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 ветроиспользования имеют советские учёные Н. В. Красовский, Г. Х. Сабинин, Е. М. Фатеев и др. Промышленный выпуск ветродвигателей для механического привода машин был налажен в начале 20 в., а электрических 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 несколько десятков ВЭС, выработка которых превысила 80 млн. квт-ч электроэнергии. За годы Советской власти налажено серийное производство специализированных и универсальных ветродвигателей мощностью от 0,7 до 11 квт (от 1 до 15 л. с.), главным образом, с механическими и электрическими трансмиссиями. В послевоенный период было выпущено более 40 тыс. ветродвигателей, в основном типов ТВ-8, ТВ-5, Д-12, ВЭ-2, которые 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 ветроэнергетических агрегатов (ВБЛ-3, ВПЛ-4, "Беркут", "Ветерок" и др.), в которых используются новые типы насосов и генераторов, пневматические, электрические 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 Казахской, Туркменской, Узбекской ССР и др. зонах, где они работают 250-300 дней в году. Разработка теоретических основ и создание новых конструкций ветроэнергетических агрегатов различного назначения проводятся в Советском Союзе (Всесоюзный НИИ электрификации сельского хозяйства, 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. ветроэнергетических установок (по материалам ЮНЕСКО за 1967). В 1968 в Австралии эксплуатировались более 250 тыс. ветроустановок, преимущественно насосных. В СССР число эксплуатируемых ветродвигателей (без самодельных) составляет 8-9 тыс.
Перспективы развития. Роль В. в Советском Союзе возрастает при реализации большой программы по обводнению и мелиорации земель и решении важнейших задач развития механизации животноводства и электрификации сельского хозяйства. Ветроэнергетические установки с успехом могут быть применены для механизации водоснабжения потребителей, осушения заболоченных участков и мелко-оазисного 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. ветроустановок, что в несколько раз снизит затраты на водоподъём. Это явится, как писал ещё в 30-х гг. 20 в. известный русский учёный К. А. Тимирязев, идеальным решением вопроса борьбы с засухой. Первые опыты показали, что ветроэлектрические агрегаты также целесообразно применять для питания энергией установок по опреснению минерализованных грунтовых вод, для так называемой катодной защиты трубопроводов и морских сооружений от коррозии, а ветропневматические установки- для аэрации водоёмов в зимнее время закачкой воздуха под лёд. Изучается возможность создания более крупных ВЭС (в частности, на Филиппинах - до 5 Мвт)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. электрическими станциями. В более отдалённой перспективе - применение высотных ВЭС мощностью до 3-5 Мвт, использующих энергию воздушных потоков в тропопаузе.
Лит.: Вопросы ветроэнергетики, [Сб. ст.], М., 1959; Красовский Н. В., Сабинин Г. Х., 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. Х., Фатеев Е. М., Проблема использования энергии ветра в СССР, состояние и перспективы, "Изв. АН СССР. Отделение технических наук. Энергетика и автоматика", 1960, Ї 6; Колодин М. В., Ветер и ветротехника, Аш., 1957; Тажиев И. Т., Энергия ветра, как энергетическая база электрификации сельского хозяйства Казахстана, А.-А., 1949: Gliding Е. W., The generation of electricity by wind power, L., 1955.
? М. В. Колодин, Я. И. Шефтер.