Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить - Наталья Голубева
Парус
Одно из устройств, позволяющих «поймать» энергию ветра и преобразовать в поступательное движение, – парус. Его можно назвать вертикальным крылом: принцип действия заключается в разнице давлений. Сторона, на которую дует ветер, – наветренная, там образуется зона повышенного давления. Обратная сторона – подветренная, она пониженного давления. Разность давлений создает силу, которая движет вперед судно, оснащенное парусом.
Кто и когда придумал парус – доподлинно неизвестно. Еще в далекой древности люди пытались ловить ветер подручными способами, натягивая на каркасы листья пальм, шкуры животных, пытались плести конструкции из соломы. Всё это было недостаточно надежно. Затем появились льняные паруса – крепкие, но тоже недолговечные, так как в море под солнцем материал быстро приходил в негодность. В XVIII веке американцы создали хлопковые паруса. Они отличались от желтых льняных не только качеством, но и красотой – были кипенно-белые. Помните стихотворение Лермонтова:
Белеет парус одинокой
В тумане моря голубом!..
Слово «белеет» позволяет сделать вывод, что речь идет о хлопковом парусе. Потому что, если бы он был льняной, стихотворение звучало бы так:
Желтеет парус одинокой
В тумане моря голубом!..
В наше время парус может быть любого цвета: белый, черный, многоцветный и даже с рисунком. Современные полотнища изготавливаются из синтетических тканей, которые довольно легко окрасить. Но красота в этом вопросе далеко не главное, ткань должна быть плотной и воздухонепроницаемой и в то же время легкой и износоустойчивой. Синтетический материал оказался лучшим вариантом.
Ветряная мельница
Именно с этого механизма началась ветроэнергетика. С помощью ветряных мельниц мололи муку, специи, перетирали древесину для производства бумаги. Они помогали автоматизировать тяжелый ручной труд. Как работает ветряной двигатель? Мельница передает энергию ветра жерновам – тяжелым дискам из камня. Они вращаются, перетирая всё, что попадает между ними.
Чтобы эффективно улавливать воздушный поток, лопасти мельницы располагали перпендикулярно движению ветра. Если ветер дул в неподходящую сторону, мельницу разворачивали, что довольно трудоемкий процесс. Вертикальные мельницы были распространены в странах Средиземноморья, а также в Европе, где стали частью культуры некоторых стран, например Голландии. Но лопасти могут ориентироваться и по-другому: горизонтально. Такие ветряные мельницы использовали в странах Азии, например в Китае.
Когда же появилась первая ветряная мельница? Существует множество версий. Считается, что первое письменное упоминание о них содержит кодекс вавилонского царя Хаммурапи (около 1750 года до нашей эры). Греческие трактаты по использованию ветра для приведения в действие подобного механизма датированы I веком. Персидские ветряки упоминаются в сообщениях мусульманских географов IX века, а с XII столетия распространяются по всей Европе. Их триумфальное шествие смогли прервать лишь паровые машины.
Интересно, что ветряные мельницы приводили в движение не только жернова для измельчения зерна, но и насосы для перекачивания воды. Называются они водоподъемными мельницами. В наши дни широко используется более компактный вариант – ветронасосные установки. Они способны без использования электричества доставлять воду из скважин, осушать низины, поливать растения. В состав такой установки обычно входят:
■ колесо с лопастями из тонкого и легкого металла, чтобы улавливать энергию ветра;
■ редуктор для преобразования энергии ветра и запуска насоса;
■ насос, чтобы перекачивать воду;
■ высокая мачта, на которой это все установлено.
Кстати, сделать ветронасосную установку можно и самим, в интернете довольно много подробных обучающих видео.
В наше время ветряные мельницы практически нигде не используются, за исключением музеев и экспериментальных экопоселений, в которых люди отказались от благ цивилизации. Сохранившиеся экземпляры – историческая ценность, туристическая приманка. Ну и конечно же, для современного мира ветряная мельница прежде всего прародительница ветровых силовых установок.
Ветрогенератор
Ветроэнергетика вызывает огромный интерес у современного общества. Ветер – надежный источник энергии, он будет на планете до тех пор, пока на Земле существует атмосфера. Другие источники, такие как нефть, газ и уголь, постепенно заканчиваются, а ветер, скорее всего, не денется никуда. Еще одно важное преимущество ветроэнергетики – экологичность, по этому параметру она превосходит опасную для природы и человека ядерную энергетику.
Ветрогенератор – устройство, похожее на гигантский вентилятор на длинной ножке. Он не нуждается в дополнительном топливе и работает только от ветра, преобразует кинетическую энергию в механическую, а затем в электрическую. Стандартный ветрогенератор устроен следующим образом:
■ Мачта – это и есть та самая длинная «ножка», на которой располагаются лопасти и остальное оборудование. Мачты делают высотой от 70 до 120 м.
■ Ветротурбина: лопасти, которые «улавливают» ветер, благодаря чему вал, к которому они крепятся, начинает вращаться. Редуктор повышает скорость вращения этого вала. В состав ветротурбины входят и другие компоненты, например поворотный механизм, который определяет направление ветра и разворачивает лопасти навстречу ветровому потоку.
■ Электрогенератор преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую.
■ Затем она поступает в контроллер, подключенный к аккумуляторам, там накапливается и при помощи инвертора преобразуется из постоянного в переменный ток.
Чтобы ветрогенератор работал, его необходимо грамотно разместить, выбрав для этого подходящую местность, где скорость ветра выше 4,5 м/с. Подходят холмы, возвышенности, берега водоемов или морей. Часто их размещают прямо в море. Кстати, ветрогенератор редко бывает одиноко стоящим, обычно их собирают в цепь из нескольких штук – ветряную электростанцию (ВЭС), или ветряную ферму.
Главная характеристика любой электростанции – это ее мощность. Среди самых крупных ветряных электростанций в мире следующие:
■ Gansu Wind Farm Project – группа из нескольких ветроэлектростанций в китайской провинции Ганьсу. Мощность составляет 7985 МВт (МВт – мегаватт, 1 миллион ватт), что сопоставимо с атомной электростанцией. Проект развивается, мощность планируется увеличить до 20 000 МВт.
■ Alta Wind Energy Center – крупнейшая ветряная электростанция США. Находится на горном перевале Техачапи в Калифорнии. Ее мощность равна 1550 МВт. Чтобы понять, сколько это, представьте, что вы одновременно включили в сеть 1 033 333 утюга мощностью 1500 Вт каждый. Больше миллиона средних бытовых приборов!
■ Muppandal Wind Farm – самая крупная ветроэлектростанция Индии мощностью 1500 МВт.
■ London Array – крупнейшая британская ветряная электростанция, которая стоит прямо в море, в устье Темзы. Она состоит из 175 турбин, выдает 630 МВт и способна обеспечить электричеством 500 000 английских домов.
■ В России самая крупная – Кочубеевская ветроэлектростанция в Ставропольском крае. В ее составе 84 ветроустановки мощностью 2,5 МВт каждая, так что суммарная мощность всей ВЭС составляет 210 МВт. Если считать в утюгах, то это эквивалентно 140 000 таких приборов.
Как видите, несерьезные на вид «вентиляторы на ножках» дают весьма ощутимое количество энергии и способны обеспечивать ею целые города. Но, наверное, как и всё в этом мире, ветроэнергетика не лишена недостатков. Из-за ветрогенераторов довольно часто гибнут птицы, попадая в лопасти турбины.
