«Ветер, ветер, ты могуч!»

Помните, как сказано у Пушкина:

«Ветер, ветер, ты могуч,

Ты гоняешь стаи туч,

Ты волнуешь сине море,

Всюду веешь на просторе…»

И действительно, как мог человек не обратить внимания на такую могучую природную силу, как ветер? Почему же ветер зря тратит свои неиссякаемые силы?

Нельзя ли как-либо использовать их?

И вот появился парус. Быстро стало развиваться мореплавание. Человек избавился от тяжелого труда, который приходилось затрачивать на то, чтобы двигать корабли своей мускульной силой. Суда стали двигаться с помощью паруса, используя энергию ветра. Глядя на парус, человек начал задумываться о том, как бы использовать силу ветра и для других целей.

Об одном интересном применении силы ветра рассказывают древние русские летописи.

В 907 году князь Олег подошел под стены Царьграда. Чтобы устрашить осажденных греков и с меньшими потерями завладеть городом, Олег пошел на военную хитрость. Он приказал поставить свои морские корабли на колеса и поднять паруса, а кроме того, склеить из легких тканей, натянутых на легкие каркасы, воздушные змеи в форме всадников на конях. И вот, когда всё было готово, он выждал появления сильного попутного ветра и дал сигнал. К стенам осажденного города по суше двинулись корабли, а по небу поскакало огромное количество вооруженных всадников. Греки были ошеломлены. Олег же, воспользовавшись первым замешательством врага, блестяще осуществил свой замысел — Царьград был завоеван.

В этом эпизоде, характеризующем замечательную изобретательность русских воинов, ветер двигал даже сухопутные повозки.

Давным-давно человек начал использовать энергию ветра и для привода мельниц и для подъема воды на орошение засушливых земель. В Египте еще и сейчас стоят каменные цилиндрические башни ветряных мельниц, сложенные 3000 лет назад. Такие мельницы приводились в движение ветряным колесом, состоящим из нескольких лопастей, напоминающих паруса.

В VII веке ветряные колеса стали применяться персами для орошения.

Участники крестовых походов перенесли идею и опыт постройки ветряных двигателей с Востока на Запад. В странах Западной Европы ветряные мельницы появились в X–XIII веках, а на территории нынешней России — еще раньше, в III–IV веках.

Позднее крестьянская ветряная мельница стала непременной принадлежностью российского пейзажа.

Жернова мельницы приводились в движение ветряным колесом, состоящим из нескольких лопастей.

Ветряная мельница не нуждалась ни в топливе, ни даже в воде, ее можно было построить на любом холме. Строили ветряные мельницы двух видов: козловые и шатровые.

Козловая мельница имеет огромные лопасти-крылья, которые со всеми передачами и жерновами вместе держатся на центральном столбе. Когда меняется направление ветра, всю мельницу поворачивают вокруг столба — и крылья вновь начинают вращаться.

Шатровую мельницу уже не требуется поворачивать всю, — достаточно повернуть только крылья вместе с верхней частью — шатром.

Шатровые мельницы могут быть более мощными. Если у козловых диаметр крыльев доходит лишь до 10 метров, а мощность не превышает 5 лошадиных сил, то у шатровых крылья бывают до 28 метров в диаметре, а мощность доходит до 50 лошадиных сил.

Шатровая ветряная мельница.

Козловая ветряная мельница.

Но крылья ветряных мельниц еще плохо используют энергию ветра. Даже у современной крестьянской мельницы коэффициент полезного действия крыльев не превышает 20 %.

Современной? Но разве и сейчас строят ветряные мельницы — эти деревянные скрипучие сооружения?

В степных, безводных районах ветряной двигатель и теперь является весьма необходимым. Ведь он не требует никакого топлива, а ветра в поле, как известно, всегда вдоволь.

Еще и сейчас кое-где строят ветряные мельницы, правда, с усовершенствованными крыльями, с металлическими валами и шестернями, передающими вращение на жернова.

Но ведь ветряной двигатель может приводить в движение не только жернова. Теперь, в наше время, гораздо целесообразнее заставить такой двигатель приводить во вращение электрогенератор. Тогда от ветроэлектростанции можно получать энергию и для мельниц, и для сельскохозяйственных машин, и для освещения, и на многие другие нужды. Для таких ветроэлектростанций теперь разработаны и строятся специальные ветряные двигатели, напоминающие ветряную мельницу только разве тем, что обладают также большими крыльями-лопастями. Однако форму и размеры этих крыльев теперь точно рассчитывают. Уже изучены свойства ветра, и инженеры могут строить ветряные двигатели, хорошо использующие его энергию. Современные ветродвигатели могут развивать большие мощности.

Чтобы лучше использовать ветер, ветродвигатель поднимают на большую высоту и ставят на огромные стальные ноги. Помещение, где стоит электрогенератор — машина, вырабатывающая электрический ток, — напоминает дирижабль.

При такой форме потоки воздуха легко обтекают гондолу и не мешают работе ветряка.

Подобный ветродвигатель был построен и установлен у нас еще до войны в Крыму, на берегу Черного моря, где всегда бывают ветры. Смотря по тому, какова была скорость ветра, эта установка развивала мощность от 22 до 177 лошадиных сил, и это был самый мощный ветряной двигатель в мире. Стоял он на башне высотой в 25 метров и имел размах крыльев в 30 метров.

Интересную разновидность современных ветряных двигателей представляет собой двигатель, у которого электрический генератор расположен внизу, возле самой земли. Это очень удобно: и уход, и наблюдение за ним облегчаются. Крылья же подняты высоко — на 30 метров от земли — и имеют размах 13 метров.

Один из типов современных ветродвигателей.

Однако крылья с электрогенератором здесь ничем не связаны: нет никаких длинных валов, никаких цепей или ремней. Вращается генератор от особой воздушной турбины.

Получается это так: ветер вращает крылья, крылья же сделаны внутри полыми, а на концах имеют отверстия. Поэтому, когда крылья вращаются, воздух, находящийся во внутренних полостях, под влиянием центробежной силы выбрасывается через отверстия на концах крыльев.

Таким образом, внутри крыльев и внутри всей башни создается воздушное течение: вместо ушедшего воздуха снизу через окна в стволе башни поступают новые порции. И вот этим воздушным потоком приводится в движение турбина— колесо с лопастями. А от турбины вращается и электрогенератор. Такой ветряной двигатель недавно построили в Англии, и он развивает мощность в 100 киловатт (136 лошадиных сил).

Но разве нельзя от ветра получить больших мощностей, как, скажем, удается получить от воды в гидротурбинах?

Ветер, вообще говоря, может развивать очень большую энергию.

Вот, например, известно, что в 1703 году через Англию и Францию пронесся такой ураган, что было опрокинуто и разрушено 400 ветряных мельниц, 800 домов, 100 церквей и несколько маяков. Этим же ураганом было вырвано с корнем и отнесено на большие расстояния 250 000 деревьев, при этом, как потом подсчитали, в несколько секунд ветер развил мощность свыше 10 миллионов лошадиных сил.

Но такие ураганы редки, и их нельзя использовать для нормальной работы двигателей. Ведь 400 ветряных мельниц оказались просто разрушенными. Рабочая скорость ветра обычно не превышает 10 метров в секунду.

Для таких скоростей ветра нашими научными институтами были спроектированы двигатели и на 1000 киловатт и на 5000 киловатт и даже на 10 000 киловатт, но построить такие двигатели пока еще оказалось трудно, а главное, — и не очень-то выгодно.

Ветродвигатель, в котором электрогенератор приводится во вращение воздушной турбиной.

В чем основные недостатки ветряных двигателей?

Чтобы взять от ветра энергию для мощного двигателя, приходится строить крылья-лопасти огромных размеров; они получаются громоздкими, тяжелыми, дорогими. Кроме того, построив мощный двигатель, трудно ожидать, что каждый день или даже каждый час он будет работать с нужной мощностью. Ведь ветер не подчиняется воле людей, ветер образуется по своим законам: то он сильнее, то он слабее… А может случиться, что несколько дней подряд и вовсе ветра не будет. Значит, тот завод, машины которого будут приводиться от ветряного двигателя, встанет.

Правда, есть разные способы, помогающие выйти из затруднительного положения. Например, когда ветер сильный и двигатель развивает очень большую мощность, заряжают специальные электрические аккумуляторы, а когда ветер окажется слабым или его вовсе не будет, — берут ток от аккумуляторов. Но все эти способы очень удорожают установку, и хотя сам ветер природой отдается нам даром, зато постройка сложной ветросиловой установки оказывается дорогой. Поэтому основное распространение пока получают малые ветряные двигатели, которые недороги и очень удобны в условиях деревни, особенно если нет поблизости рек. Но со временем, возможно, удастся применить мощные ветродвигатели в одной энергетической системе с гидроэлектростанциями. Это было бы очень полезно, потому что как раз тогда, когда гидростанциям не хватает воды (например, зимой), в природе возникают сильные ветры, и некоторое снижение мощности гидростанций может перекрываться повышенной мощностью ветряных станций.

Великий Ленин, составляя «Набросок плана научно-технических работ», в апреле 1918 года обратил внимание Академии наук на «водные силы и ветряные двигатели вообще и в применении к земледелию».

Наши советские ученые и инженеры, помня ленинское указание, всё время работали и продолжают работать над задачами наилучшего использования дешевых видов энергии — воды и ветра — для нужд нашего социалистического народного хозяйства.

Но не всегда и не везде удается обойтись водяными и ветряными двигателями, — есть целый ряд областей техники, где основными типами двигателей являются тепловые. В таких двигателях в механическую энергию превращают тепло. Вот к этим двигателям теперь и перейдем.