Ветроколесо

Ветроколесо',рабочий орган ветродвигателя.Служит для преобразования кинетической энергии поступательно движущегося воздушного потока в механическую энергию вращения вала ветродвигателя.

  Я. И. Шефтер.

Ветроупорная опушка

Ветроупо'рная опу'шка,полоса леса шириной 20-30 м,предназначенная для защиты леса от ветровала.В. о. Закладывают, главным образом, из лиственных древесных пород с глубокой корневой системой, способных развивать мощную крону, и располагают перпендикулярно господствующим ветрам. В. о. формируют путём сильного изреживания молодых деревьев. Это способствует образованию мощной разветвленной кроны, способной отражать порывы ветра. Между деревьями высаживают лиственные кустарники.

Схема ветроупорной опушки: А - направление господствующих ветров; В - ветроупорная опушка; С - защищаемое от ветра еловое насаждение.

Ветроустойчивые породы

Ветроусто'йчивые поро'ды,древесные породы с глубокой и разветвленной корневой системой и крепким стволом, хорошо противостоящие бурям и ураганам и не подверженные ветровалу.К В. п. относят дуб, сибирский кедр, эвкалипты, секвойю и др. Ветроустойчивость деревьев связана с условиями произрастания. На глубоких, относительно рыхлых и хорошо дренированных почвах, при низком уровне грунтовых вод и у редко стоящих молодых деревьев формируется более глубокая и разветвленная корневая система; на мелких каменистых, на тяжёлых заболоченных почвах, на песчаных почвах при высоком уровне грунтовых вод, а также при неглубоком расположении многолетнемёрзлых горных пород - поверхностно-разветвленная. Повышают ветроустойчивость также ветроупорные опушки.Ср. Ветровальные породы.

Ветроэлектрическая станция

Ветроэлектри'ческая ста'нция,ветроэнергетическая установка, преобразующая кинетическую энергию ветрового потока в электрическую. В. с. состоит из ветродвигателя,генератора электрического тока, автоматических устройств управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания. В большинстве случаев В. с. пользуются как источником электроэнергии относительно небольшой мощности в местах, характеризующихся хорошим ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/сек) и удалённых от сетей централизованного электроснабжения (Арктика, прибрежные зоны Каспийского и Охотского морей, степи, пустыни и полупустыни). Наиболее перспективно применение В. с. в сельском хозяйстве.

  Первая в мире В. с. мощностью 8 квт синерционным аккумулятором построена в 1929-30 в СССР (в г. Курске) по проекту советского изобретателя А. Г. Уфимцева и профессора В. П. Ветчинкина. В 1931 была сооружена В. с. мощностью 100 квтдля параллельной работы с мощной тепловой электростанцией, питающей электроэнергией г. Севастополь. В 50-х гг. 20 в. было построено несколько В. с. мощностью 30 квт степловым резервом, а также многоагрегатная В. с. мощностью 400 квт(в Казахстане), состоящая из 12 установок, работающих параллельно с дизельной электростанцией. Во Франции эксплуатируется В. с. мощностью 640 квт.Наиболее мощная (1,25 Мвт) В. с. построена в США. Самые малые В. с. имеют мощность 100 вт.Во всём мире насчитывается более 70 тыс. В. с. (по данным ЮНЕСКО на 1967).

  В. с. малой (до 3 квт) мощности ( рис. 1 ) имеют генераторы постоянного или переменного тока и работают с батареями электрохимических аккумуляторов, которые не только запасают энергию на периоды безветрия, но и сглаживают пульсации напряжения. В. с. средней ( рис. 2 ) и большой мощности вырабатывают переменный ток. При изолированной работе для улучшения качества энергии и её кратковременного аккумулирования В. с. снабжают инерционными аккумуляторами и электрическими регуляторами напряжения. Наиболее эффективно применение В. с. совместно с тепловым (дублирующим) двигателем или параллельно с не ветровой электростанцией.

  В широко распространённых В. с. быстроходное ветроколесо соединено через повышающий 2-3-ступенчатый редуктор с генератором, все основные механизмы расположены в головке, а энергия от генератора передаётся потребителю по электрическому кабелю; электрическая аппаратура управления обычно располагается в помещении, находящемся рядом с башней. Такие В. с. требуют меньше металла, но они создают некоторые неудобства в эксплуатации. Реже встречаются В. с. с 2 редукторами (верхним и нижним), соединёнными вертикальной механической передачей. В этом случае генератор располагается внизу, в помещении. В таких В. с. проще обслуживание и ремонт оборудования, но кпд их меньше из-за расхода части энергии на трение в дополнительных элементах механической передачи. Применяют также В. с. с пневматической передачей мощности, предложенной французским инженером И. Андро. В этой В. с. быстроходное ветроколесо имеет полые лопасти, через каналы которых при вращении с большой скоростью выбрасывается воздух. В башне создаётся разрежение, и перемещением воздуха, засасываемого из атмосферы, приводится во вращение воздушная турбина, соединённая с генератором. Такая В. с. имеет малые перегрузки, требует меньше металла, чем обычные В. с., надёжна в эксплуатации, но конструктивно более сложна и имеет меньший кпд. Для надёжного ограничения мощности во время больших скоростей ветра (бурь), поддержания постоянства частоты вращения и напряжения генератора применяют сложные автоматические системы аэродинамического и электрического регулирования параметров В. с. (см. Ветродвигатель ) ,а также автоматически управляемую бесступенчатую (фрикционную) передачу от ветродвигателя к генератору. Такая бесступенчатая передача установлена на В. с. типа Д-12, построенной в СССР в 1957. При параллельной работе применяют устройства, ограничивающие перегрузки (асинхронные муфты скольжения и др.).

  Работы по созданию более современных и экономичных В. с. ведутся в СССР, Великобритании, Франции, ФРГ, Канаде и др. Разработаны проекты В. с. мощностью до 5 Мвт(Филиппины, 1967). В перспективе применение полностью автоматизированных В. с., а также тропопаузных (высотных) станций, представляющих собой комплекс из ветроколеса, укрепленного на оболочке аэростата, электрического генератора и аппаратуры автоматического управления и регулирования, размещаемых внутри оболочки (в гондоле). Аэростат (дирижабль) поднимают на высоту 8-12 км,в зону постоянно действующих с большой скоростью (до 100 м/сек) воздушных потоков. См. Ветроэнергетика.

  Лит.:Рождественский И. В., Шефтер Я. И., Полуавтоматическая ветроэлектрическая станция с бесступенчатой передачей, «Вестник сельскохозяйственной науки», 1958,.№ 12; Ветроэлектрические станции, М. - Л., 1960.

  Я. И. Шефтер.

Рис. 2. Полуавтоматическая ветроэлектрическая станция Д-20 с тепловым резервом.

Рис. 1. Ветроэлектрическая станция ВЭ-2М.

Ветроэнергетика

Ветроэнерге'тика,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 кмвозникают перемещения больших масс воздуха, то есть рождается ветер. Он несёт колоссальное количество энергии: 96-10 ²¹ дж(26,6-10 ¹⁵ 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 65-10 ¹⁸ дж(18-10 ¹² 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 км ²можно 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-чэлектроэнергии. 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.