Нурбей Гулиа - Удивительная физика
Чемпионом по деланию денег из воздуха являются США. Чуть отстает от них Германия, которая хочет в обозримом времени полностью избавиться от атомных электростанций, заменив их экологически а чистыми ветряками.
Автор является научным консультантом ряда немецких фирм, занимающихся ветроэнергетикой. Нет, создание новых лопастей для ветроколес – воздушных винтов не входит в круг его интересов. Но прежде чем рассказать, каким именно образом автор пытается помочь фирмам делать деньги из воздуха, полезно ознакомиться с тем, что же такое современная ветроэлектростанция.
Ветряки в основном делят на два типа – с горизонтальной осью вращения винта (транспортный аналог – самолет с пропеллером) и с вертикальной, или карусельного типа (аналог – вертолет). Пока наибольшее распространение имеет первый тип ветряков (почему «пока», будет сказано позже).
Ветроколеса (рис. 235) могут иметь разное число лопастей – три, две и даже… одну! Последнее немыслимо, например, для самолетов и вертолетов. Эта одна лопасть уравновешивается противовесом, иначе она может разболтать всю башню.
Рис. 235. Типы «ветряков»:
а – с одной лопастью, мощностью 5 МВт («Говиан – II»); б – с двумя лопастями («Боинг»); в – с тремя лопастями («Ютландия»); (размеры в метрах)
На вершине башни помещается гондола – машинное отделение ветроэлектростанции. Это только снизу гондола кажется такой маленькой. Автору приходилось забираться в гондолу мощных ветряков с башней в виде фермы на высоту 120 м. Никаких лифтов там нет (по крайней мере на тех ветряках, что посещал автор), и нужно карабкаться по узенькой открытой лестнице на высоту 40-этажного здания.
Гондола на этом ветряке размером с приличную квартиру и весом в 100 т (рис. 236). Внутри гондолы помещаются машины для преобразования вращения в электроэнергию. Так как ветроколесо крутится медленно – 30—40 оборотов в минуту, а вал генератора должен иметь не менее 1 500 – 1 800 оборотов в минуту, между ними размещается повышающая передача – мультипликатор весом около 10 т. Да и генератор весит не меньше. Все эти агрегаты во время работы очень горячие – не дотронешься! А рядом проносятся огромные ножи – лопасти в десятки метров длиной. И все это на головокружительной высоте, с которой люди на земле еле видны.
Рис. 236. Типичная ветроэлектростанция мощностью 100 кВт:
а – общий вид; б – лопасть и ее сечения; в – гондола: 1 – генератор; 2 – мультипликатор; 3 – ступица воздушного винта; 4 – сервопривод для установки гондолы «по ветру»
Конечно, ветряк вырабатывает даровую энергию, за нее можно только спасибо сказать. Но ветер дует не всегда, а если и дует, то с разной силой. Как следствие, мощность ветроэлектростанции далеко не постоянная, что нельзя отнести к ее достоинствам. Поэтому, когда позволяют возможности, ветряки объединяют в сети, чаще всего с общей энергосистемой страны или района.
А что же делать, когда энергией от ветряка питается, например, отдельное фермерское хозяйство? Тогда, прежде всего нужна дизель-электрическая установка (движок), которая запускается автоматически при штиле. Но такой штиль, а точнее пауза, длительностью от секунд до минут, может случаться несколько раз в день, если не в час. Что ж, каждый раз запускать движок?
Вот тут мы приближаемся к научным интересам автора. Чтобы не запускать движок так часто, используют различные виды аккумуляторов энергии – электрохимические, как в автомобилях, маховичные, конденсаторные. Электрохимические запасают значительную энергию, но дороги, недолговечны, плохо работают в морозы и имеют малый КПД. Конденсаторы долговечны, но тоже дороги, а энергии запасают в сотни раз меньше (на единицу массы), чем электрохимические.
Маховичные накопители энергоемки, долговечны, имеют высокий КПД… А недостатки? Автор как разработчик не хочет их сам указывать. Пусть о недостатках заявляют конкуренты. Но, безусловно, хороший маховичный накопитель с малыми внутренними потерями, мягко выражаясь, дороговат. О маховичных накопителях энергии подробно написано в разделе «Магия вращательного движения» этой книги. А применять их в ветроэлектростанциях можно следующим образом.
Рис. 237. Маховичный накопитель на ветроэлектростанции:
1 – цепная передача; 2 – генератор; 3 – электропровода; 4 – маховик в корпусе
От ветроколеса длинный вал идет вниз и через повышающую передачу, например цепную, вращает генератор с сидящим на его валу маховиком или даже супермаховиком (рис. 237). Маховик помещен в корпус, из которого выкачан воздух для снижения потерь энергии на вращение. Маховик разгоняется во время порывов ветра и отдает энергию во время пауз. Если башня очень высокая, то генератор в гондоле связывается электропроводами с генератором маховика, образуя так называемый электрический вал. Обычный вал тогда уже не нужен. Расчеты, проведенные специалистами по ветроэнергетике, показали, что в большинстве случаев достаточно запаса энергии в маховике на 5 – 6 минут работы ветроэлектростанции на полной мощности. Тогда движок придется запускать очень редко.
В 30-х гг. прошлого века в городе Курске уже существовала ветроэлектростанция с таким маховичным накопителем, построенная талантливым изобретателем-самоучкой А. Г. Уфимцевым. Энергии маховика хватало для бесперебойного снабжения электроэнергией от ветряка средней мощностью 4 кВт двухэтажного дома изобретателя и даже для освещения части улицы, на которой он жил.
Автор, как специалист по маховичным накопителям, помогает немецким коллегам создавать такие накопители для ветроэлектростанций Германии.
Конечно, хорошо, когда ветряк дает электричество, которым можно и осветить, и обогреть дом. Но для освещения и работы других электроприборов – радио, телевизора – нужна лишь малая часть энергии, необходимой для обогрева помещения, нагрева воды для бытовых целей и т. д. Особенно это касается холодных северных районов, которыми богата Россия. А это уже, по мнению автора, можно сделать без генератора и всей сложной и дорогой электрической части ветряка (рис. 238, а).
Если имеется вертикальный вал, а он почти всегда присутствует на ветряках средней мощности, то с его нижней частью можно без всякого мультипликатора непосредственно соединить мешалку Джоуля, хорошо известную из школьного курса физики (рис. 238, б). Эта мешалка переводит механическую энергию в тепловую. Для нашего случая ее легко приготовить из большой 200-литровой бочки. Ветроколесо здесь карусельного типа, непосредственно посаженное на вертикальный вал; такое колесо удобнее ветроколеса с горизонтальным валом, требующего для передачи вращения на вертикальный вал дополнительной угловой передачи.
Рис. 238. Дом, отапливаемый мешалкой Джоуля, приводимой от ветроколеса (а) и мешалка Джоуля (б)
При вращении ветроколеса вода в мешалке, перемешиваемая лопастями, нагревается, совсем как в опытах Джоуля. Горячая вода по патрубкам может направляться в батареи отопления или для других целей. А уж коли мы заговорили о ветряках карусельного типа, то нельзя не упомянуть о чудо-ветряке, недавно разработанном немецкой фирмой Краус (рис. 239)! Этот чудо-ветряк по своим показателям настолько превосходит обычные ветряки, что в его существование верится с трудом. Но он испытан, и вот что показали испытания.
Рис. 239. Перспективный ветряк
При мощности 300 кВт ему требуется башня всего в 10 м вместо 40 и более для обычных ветряков. Выработка электроэнергии в год – 1,5 млн кВт·ч вместо 0,6 млн кВт·ч. Ветряк не требует установки колеса по ветру, он стационарен и похож на невысокую тумбу. У него настолько высокий КПД (называемый коэффициентом использования ветра) – около 60 %, что в это отказываются верить специалисты.
Если все сказанное про новый ветряк действительно правда, то скоро мы станем свидетелями повсеместного проникновения ветроэнергетики в нашу жизнь, или «сплошной анемофикации мира», о которой мечтал А. Г. Уфимцев – «поэт техники», как назвал его Максим Горький. карусельного типа
Плывем против… здравого смысла?
Парадоксы случаются не только с полетами в воздухе. Даже с плаваньем (правильно – «хождением») парусных судов, известных тысячелетия, связано немало удивительного. Например, мы знаем, что эти суда движет ветер. Значит, куда дует ветер, туда судно и идет. Но идти против ветра? Это вопреки здравому смыслу. Как же могут парусные суда идти против ветра, или, по выражению моряков, идти в бейдевинд?
Рассмотрим, как действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Обычно думают, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он всегда толкает парус перпендикулярно его плоскости. Покажем это.
