История Ветроэнергетики
История ветроэнергетики начинается сотни лет назад, когда люди начали строить ветряные мельницы для того, чтобы накачать воду для орошения сельскохозяйственных культур и превратить зерно в муку.
Археологи утверждают, что первые ветряные мельницы были построены на территории Ближнего Востока примерно в IX веке на границах между современным Афганистаном и Ираном. Это были мельницы с вертикально ориентированной осью, вертикальными валами и лопастями прямоугольной формы, на которые была натянута плотная ткань. Функцией таких мельниц были помол зерна и насосная подача воды . Более поздние свидетельства использования энергии ветра ученые находят на Ближнем Востоке и Средней Азии, в Китае и Индии.
На территории современной Европы ветряные мельницы появились значительно позже: примерно в Х II веке . «Европейский вариант» с горизонтальной осью отличается принципиально от «восточного» с вертикальной. Это аргумент в пользу европейской изобретательности. Другая же версия — это опыт, полученный в крестовых походах, где европейцы могли видеть восточные образцы. Распространению ветряков в Европе способствовало замерзание рек зимой, когда водяные мельницы переставали работать.
Первую ветроэнергетическую установку построил в 1887 году шотландский профессор Джеймс Блайт . Десятиметровый ветряк, установленный на участке его
загородного дома, использовался для зарядки аккумуляторов , от которых коттедж питался электроэнергией. Это был первый в мире дом, обеспеченный электричеством с помощью ветра. Блайт предложил использовать излишек своего электричества для освещения главной улицы деревни, однако никто не согласился, считая электричество «силой дьявола». Позже он построил ветроэнергетическую установку как резервный источник питания для психиатрической больницы, лазарета и амбулатории, однако изобретение никогда не воспринималось как экономически жизнеспособная технология.
Более сложный и крупный ветряк для выработки электроэнергии был построен в конце 1800-х годов в Кливленде, штат Огайо.
Чарльз Браш спроектировал и построил ветряную турбину на восемнадцатиметровой опорной башне, с ротором 17 метров в диаметре, состоящим из 144 деревянных лопастей. Этот гигант выдавал 12 кВт электроэнергии и прослужил верой и правдой с 1886г. до 1900 года. До тех самых пор, пока в Кливленде не построили теплоэлектростанцию.
Самое динамичное развитие ветровой энергетики в 20м веке наблюдалось в Дании. Так, к 1908 году уже было построено 72 ветряка мощностью от 5 до 25 кВт. Конструкция легкого ветряка с тремя лопастями и направлением на ветер, характерная для этой ветреной страны, теперь стала классикой!
1931 год — год рождения ветрогенератора с вертикальной остью. Французский изобретатель Дарье своим инженерным решением убил сразу двух зайцев: теперь ветряк мог работать при любом направлении ветра, а тяжелый редуктор и генератор теперь можно было размещать на земле. Это позволило сэкономить на материалах и обслуживании ветроустановки .
Предшественником современных ветряков был советский ветряной двигатель около Ялты, работавший с 1931 по 1942 год. Он обладал мощностью 100 кВт и был подсоединен к местной распределительной системе напряжением 6,3 кВ. Следует отметить, что его годовой коэффициент нагрузки был 32%, что весьма близко к показателям современных установок.
Перенесемся ближе к нашему времени. 17 октября 1973 год. Страны ОПЕК прекратили поставки нефти странам поддерживающим Израиль в Войне Судного дня. В течение следующего года цена на нефть поднялась с трёх до двенадцати долларов за баррель. Это дало новый толчок для развития энергии ветра. США и Европейские страны резко увеличили финансирование исследований и производства оборудования для альтернативной энергетики.
Результатом этого стали многочисленные технологии сооружения ветряков, мощность которых исчисляется мегаваттами. Сюда можно отнести использование генераторов с регулируемой частотой вращения, составные материалы для лопастей, аэродинамическое и акустическое проектирование. С этого момента стало возможным использование энергии ветра в крупных масштабах.
В настоящее время, мы можем видеть ветровы е турбин ы в о многих местах, прибрежные районы очень подходят для таких машин, и даже морские районы являются хорош им место м , чтобы использовать силу ветра.
В последнее время , появился новый вид ветроустановок : плавающи е ветровы е турбин ы . Э ти машины созданы для использования в отдаленных районах, где рядом нет источника энерги и. Такие инженерные решения могут предложить подключение к Интернету для этих удаленных и изолированных район ов.
Ветровые ресурсы нашей страны еще предстоит освоить! Наличие пока дешевого газа и электроэнергии на сегодня делает экономически нецелесообразным развитие альтернативной энергетики. Тем не менее, в районах, где преобладает ветреная погода, а доступ к энергосети затруднен, использование ветроустановок — это верное решение!
В какой стране и когда, начали строить первые ветряные мельницы?
В какой стране и когда, начали строить первые ветряные мельницы?
Ветряные мельницы, это такие механизмы, которые используют энергию ветра для получения механического движения, способного выполнять определенные работы. Первые ветряные мельницы использовались для вращения каменных жерновов, между которыми мололи зерно в муку. Чуть позже, ветряные мельницы начали использовать для подачи воды на определенную высоту. Первые ветряные мельницы датируются 5-6 веками новой эры. В Китае и Индии ветряные мельницы появились в 8 веке новой эры. Первое упоминание о ветряной мельнице в Англии, датируется 1185 годом. А когда люди научились обрабатывать железо, ветряные мельницы начали использовать для строительства лесопилок. Где энергия ветра использовалась для придания поступательного движения пил.
Но среди ученых, до сих пор нет единого мнения о том, когда и где была построена первая ветряная мельница. Одни ученые утверждают, что первые ветряные мельница появились в Восточной Персии. Другие сходятся на мысли о том, что первые ветряные мельницы появились на Юге Европы, на побережье Средиземного моря, приблизительно в то же самое время.
С появлением паровых машин в начале 19-го века, они вытеснили ветряные мельницы.
Иногда встречаются данные о том, что первый механизм для использования силы ветра был изобретен в первом веке новой эры, греческим математиком и механиком Героном Александрийским. Его механизм для использования силы ветра, использовался для нагнетания воздуха в орган.
Так же, Герону Александрийском принадлежит авторство создания первого в мире колеса обозрения, использующего силу ветра, которое он построил в Египте.
Ветряные мельницы
Мельница появилась много тысячелетий назад, когда древний человек начал засаживать поля пшеницей. Первую мельницу крутили рабы и волы в древнем Риме и Персии. Затем начали появляться конструкции, где колесо вращалось с помощью воды и последнее изобретение человечества — ветряная мельница появилась к 10 веку н.э.
Деревянная ветряная мельница, это довольно сложное строение, которое учитывает и ветровые нагрузки, и длительность работы механизма для совершения определенной работы. Ведь ветряная мельница не обязательно только молола муку — применялись мельницы для откачки воды, и для распиливания бревен и для подъема воды и тяжелых грузов. Мощность средней ветряной мельницы составляла около 60 квт — это мощность двигателя автомобиля «жигули»! Типы мельниц в основном разделяют по способу перемещения оси колеса к направлению ветра.
Первые ветряные мельницы назывались «козловки». Строительство деревянных домов являлось основой для сооружения корпуса мельницы. Весь корпус мог поворачиваться по своей оси. Механизм сооружения располагался у наветренной стороны, чем обеспечивалось центрирование мельницы. Снизу к балкам прикреплялся большой брус – дышель, с помощью которого и поворачивалась ветряная мельница. Вращение с основного вала передавалось на деревянные шестерни с таким расчетом, чтобы за один оборот вала жернов делал от 7 до 12 оборотов.
Несколько более современные мельницы — шатрового типа или голландские. Весь корпус стоит на месте, а по направлению ветра поворачивается только верхняя часть с основным валом. Они приводили в движение уже пару жерновов и были более производительными. На фото мы видим дышель с обратной стороны мельницы для поворота ветряка по ветру. В Голландии мельницы нашли наиболее активное применение в связи с её природно — климатическими условиями — необходимостью откачивать воду с низинных районов и сильными морскими ветрами.
В старой Румынии и других странах средиземноморья применялись ветряные мельницы с парусным типом ветряка, как на этом фото 1930 г.
Мельницы занимали большое место в народной мифологии, в каждом государстве есть легенда или сказание, связанное с мельницей. Например, есть такое сказание в Беларуси, что в фундамент оршанской мельницы замуровали девушку. И теперь по ночам между скрипами жерновов раздаются стоны. Считалось, что в мельницах обитают различные духи – ведьмы и колдуны, которые крутят хозяину крылья мельницы. Под мельницами спрятаны клады и начинаются подземные ходы.
Интересны художественные полотна, на которых изображены мельницы. Вот например известное полотно: «Ветряная мельница на берегу моря» 1837 Айвазовский.
Или картина Яна Брейгеля Старшего «Четыре ветряные мельницы» 1604 г.
И ещё — Винсент Ван Гог «Старая мельница»; Клод Моне «Мельница». На первых двух картинах изображены старинные ветряные мельницы козлового типа.
Принцип работы мельницы вполне прост и в то же время рассчитан до мелочей. Ветряк, различного типа для разных времен и регионов вращал ось, на которой устанавливались деревянные шестерни с углом 90 градусов и передаточным отношением 7-12. Схема работы голландской мельницы:
alt=»Ветряные мельницы» width=»400″ height=»500″ />
Более современные мельницы голландского типа имели дополнительный ветряк для автоматического поворота по ветру основного ветряка. Из схемы мы видим, что мельница имеет два жернова и механизмы для подъема мешков на верхние этажи. Мельницы имели вот такой каменный жернов с насечками (фото) — центр мироздания и мифологии.
Мы гоняемся за энергосберегающими технологиями, сооружаем для этого невероятно сложные процессы — но всё лежит на поверхности. Мы потеряли что — то ценное.
История ветряной мельницы
Они стали символом Голландии, с ними воевал Дон-Кихот, о них слагались сказки и легенды… О чем речь? Конечно, о ветряных мельницах. Много веков назад они использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для того и другого.
Наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма является ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в I в. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использовать энергию ветра для своего амбициозного проекта по орошению.
В сообщениях мусульманских географов IX в. описываются персидские мельницы. Они отличаются от западных конструкций вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями (парусами). Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе, и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, т.к. паруса жестко связаны с осью, мельница не будет вращаться.
Еще один вид мельниц с вертикальной осью известен как китайская мельница или китайский ветряк, используемый в Тибете и Китае в начале IV в. Эта конструкция значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.
Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса, вращающиеся в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси. Парусов, покрытых тростником или тканью, было от 6 до 12. Эти мельницы использовались для помола зерна или добывания воды и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц.
Описание подобного типа горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, можно найти в китайских документах XIII в. В 1219 г. такая мельница была завезена в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем.
Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали в XVIII-XIX вв. и на территории Европы. Наиболее известными являются мельница Хупера и мельница Фаулера. Вероятнее всего, мельницы, существовавшие на территории Европы в те времена, были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции.
Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 г. Она была расположена в селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в XII в. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерна.
Имеются данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.
При монтаже корпуса мельницы эта деталь получала возможность вращаться по направлению ветра. В северо-западной Европе, где направление ветра меняется очень быстро, это позволяло работать более продуктивно. Основания первых подобных мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте.
Позже была разработана деревянная опора, получившая название эстакады (козлов). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время непогоды. Этот тип мельниц был наиболее распространенным в Европе вплоть до XIX в., до тех пор, пока их не заменили мощные башенные мельницы.
Козловые мельницы имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра, прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах. Исчезала и необходимость поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, т.к. применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах, начиная с XIV в.
Башенные мельницы появились к концу XIII в. Основным их преимуществом являлось то, что в башенной мельнице реагировала на наличие ветра только крыша башенного стана. Это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, а лопасти – большего размера, благодаря чему вращение мельницы становилось возможным даже при слабом ветре.
Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по ветру благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру из-за небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям. Данный тип конструкции получил распространение на территории Британской империи, Дании и Германии.
В странах Средиземноморья башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, т.к. изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.
Усовершенствованным вариантом башенной мельницы является шатровая мельница. В ней каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существовали мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, толем, листовым металлом. Эта легкая по сравнению с башенными мельницами шатровая конструкция делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить мельницы в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип использовали в качестве дренажной конструкции, но позже сфера использования значительно расширилась.
Большое значение в ветряных мельницах всегда имела конструкция лопастей (парусов). Традиционно парус состоит из каркаса-решетки, на который натянута парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности.
В условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.
Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце XVIII в. конструкции, автоматически приспосабливаемой к скорости ветра без вмешательства мельника. Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 г. В этих лопастях ткань заменили механизмом соединенных затворов.
Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, позволявшего мельнику открыть их во время вращения мельницы.
В ХХ в. благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.
Большинство ветряных мельниц имело четыре паруса. Наряду с ними существовали мельницы, оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании, Германии и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.
Мельница с четным числом парусов имела преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей можно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.
Необходимо отметить, что ветряные мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, кроме помола зерна, например, для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.
Общее количество ветряных мельниц в Европе во времена наибольшего распространения этого типа устройств достигало, по оценкам экспертов, количества около 200 тыс. Но эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 тыс. водяных мельниц, существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки зимой замерзали, а также на равнинах, где поток рек был слишком медленным.
С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем ветряные мельницы по-прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца XIX в.
Кроме ветряных мельниц, существовали и ветряные турбины – конструкции, специально разработанные для выработки электроэнергии. Первые ветряные турбины были построены в конце XIX в. профессором Джеймсом Блитом в Шотландии, Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде и Полем ля Куром в Дании.
Имелись также и ветряные насосы. Они использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с IX в. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.
В 1738-1740 гг. в голландском городке Киндердейк были построены 19 каменных ветряных мельниц для защиты низин от затопления. Они перекачивали воду с территории, расположенной ниже уровня моря, в реку Лек, впадающую в Северное море. Кроме перекачивания воды, ветряные мельницы использовались для выработки электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 г. стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.
Стоит также отметить, что ветряные мельницы в 1997 г. были внесены в Список объектов мирового наследия ЮНЕСКО.