Ветряк как ветроэнергетическая установка¶
Ветряк — распространённое в быту и технической литературе название ветряного двигателя, то есть устройства, преобразующего кинетическую энергию движущегося воздуха в механическую работу или электричество. В узком смысле под ветряком понимают ветроэнергетическую установку (ВЭУ), а в широком — любое ветроколесо, включая исторические ветряные мельницы и водоподъёмные агрегаты. Ветряки относятся к возобновляемым источникам энергии и не требуют топлива, однако их работа зависит от наличия и постоянства ветра.
¶История
Первые ветряные двигатели появились в I тысячелетии н. э. на территории Персии и Центральной Азии; они имели вертикальную ось вращения и применялись для помола зерна. В Европе ветряные мельницы с горизонтальной осью известны с XII века, а к XVI–XVII векам стали массовым явлением в Нидерландах, Англии, Германии и других странах.
В России ветряные мельницы были распространены с XV–XVI веков, особенно в степных и лесостепных губерниях, где водяные мельницы строить было негде. По данным статистики конца XIX века, в Российской империи насчитывались десятки тысяч ветряных мельниц; в некоторых уездах их число достигало нескольких сотен. Помимо помола зерна, ветряки использовались для подъёма воды, приведения в действие маслобоен и крупорушек.
Промышленный интерес к ветрякам возродился в конце XIX века: в 1888 году американский инженер Чарльз Браш построил одну из первых ветроэлектрических установок. В СССР в 1931 году под Севастополем была введена в строй ветроэлектростанция мощностью около 100 кВт конструкции В. П. Ветчинкина и Н. В. Красовского — одна из крупнейших для своего времени.
¶Классификация
Ветряки различают по ряду признаков.
| Признак | Виды |
|---|---|
| Ориентация оси | Горизонтально-осевые, вертикально-осевые |
| Назначение | Механические (мельницы, насосы), электрические (ВЭУ) |
| Мощность | Микро (до 1 кВт), малые (до 100 кВт), средние, промышленные (МВт) |
| Расположение | Наземные, плавучие, высотные |
Горизонтально-осевые установки с тремя лопастями составляют большинство современных промышленных ВЭУ. Вертикально-осевые схемы (ротор Дарье, ротор Савониуса) проще в изготовлении и не требуют ориентации на ветер, но уступают по эффективности.
¶Устройство и характеристики
Типовая ветроэнергетическая установка включает:
- ветроколесо (ротор) с лопастями, воспринимающими поток воздуха;
- гондолу с валом, редуктором и генератором;
- систему ориентации (для горизонтально-осевых схем);
- башню или мачту;
- систему управления и защиты, включая торможение при ураганном ветре.
Ключевые характеристики — номинальная мощность, диаметр ротора, высота ступицы, рабочая скорость ветра и коэффициент использования установленной мощности. Мощность потока пропорциональна кубу скорости ветра и площади ометаемой поверхности, поэтому увеличение диаметра ротора даёт больший прирост, чем повышение скорости. Теоретический предел отбора энергии потока — коэффициент Бетца, равный примерно 0,593.
¶Применение
Исторически ветряки применялись для помола зерна, распиловки древесины, откачки воды и производства бумаги. В XX–XXI веках основными сферами стали:
- энергетика — выработка электроэнергии в составе ветропарков, в том числе морских;
- автономное электроснабжение — удалённые посёлки, метеостанции, объекты связи;
- сельское хозяйство — водоподъём для пастбищ и полива;
- частные домохозяйства — малые ВЭУ в сочетании с солнечными панелями и аккумуляторами.
В России крупные ветропарки построены в Ростовской области, Ставропольском крае, Адыгее, Калмыкии и Ульяновской области; значительная часть оборудования локализована на отечественных предприятиях.
¶Преимущества и ограничения
К достоинствам относят возобновляемость ресурса, отсутствие выбросов при работе, низкие эксплуатационные затраты и возможность размещения на неудобных для иного использования землях. К недостаткам — непостоянство выработки, шум и инфразвук, влияние на птиц и летучих мышей, потребность в резервных мощностях и системах накопления, а также значительные капитальные затраты на начальном этапе.
Отдельная проблема — утилизация лопастей из композитных материалов, которые сложно перерабатывать. В ряде стран ведутся работы по созданию recyclable-композитов и деревянных лопастей.
¶Экономика и развитие
Себестоимость электроэнергии ветропарков за последние десятилетия заметно снизилась и в ряде регионов сопоставима с газовой генерацией. Стимулирующие механизмы — аукционы, «зелёные» тарифы, программы поддержки возобновляемой энергетики. В России отбор проектов ВИЭ проводится по схеме договоров на предоставление мощности (ДПМ ВИЭ).
Развитие идёт по пути укрупнения турбин: если в 1990-е типичная мощность составляла 0,5–1 МВт, то современные морские установки достигают 15 МВт и более при диаметре ротора свыше 220 м. Растёт доля плавучих платформ, позволяющих осваивать глубоководные акватории.
¶Ветряк в культуре и языке
Слово «ветряк» в русском языке многозначно: помимо технического значения, им называют легкомысленного человека («ветреный»), а также некоторые растения и насекомых. Ветряная мельница стала устойчивым образом европейского пейзажа и литературной метафорой борьбы с воображаемым противником («сражаться с ветряными мельницами» — отсылка к роману Сервантеса «Дон Кихот»).
Источники: Большая российская энциклопедия; технические справочники по ветроэнергетике; материалы профильных отраслевых обзоров; историко-статистические описания сельского хозяйства Российской империи.