"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
Ветряные мельницы Halladay и Jacobs на американских равнинах - первые ветроэлектрические установки
С тех пор, как существует человечество, существует и изобретательство. С давних времен человек задумывался, как облегчить свой труд. Многие машины, приборы, сложные агрегаты сейчас уже стали для нас привычными. Но к этому человечество шло века и тысячелетия.
В XVIII веке огромные равнинные пространства, покрывающие всю центральную часть Северной Америки считались непригодными для возделывания почвы. Этот район получил название «Великая американская пустыня».
За дождливыми периодами шли засухи, а солнце и ветер высушивали поверхностную влагу. На равнинах ранние поселенцы с трудом тащили достаточно воды для личных нужд, не говоря уже о выращивании сельскохозяйственных культур или водопое скота. Большая часть воды текла глубоко под землей.
Издавна люди научились использовать энергию воздушных масс: ветер надувал паруса морских и речных судов, вращал лопасти ветряных мельниц. Но европейские ветряные мельницы того времени были непрактичны на американских равнинах. Они были большими, дорогими и требовали постоянного ухода, так как их тканевые паруса приходилось складывать вручную.
Конверт первого дня (КПД) "100 лет штату Миннесота. Первые поселенцы. Повозка с быком" (США, 1949 год)
В 1854 году американец Дэниел Халладей (Daniel Halladay), владевший механической мастерской в Новой Англии, разработал ветряную мельницу американского типа.
Она была меньше по размеру, дешевле и ее можно было легко доставить до нужного места и быстро построить.
Ее паруса удерживал против ветра груз, который поднимался медленнее, чтобы уменьшить площадь парусов, когда ветер был слишком быстрым. Традиционные паруса, покрытые тканью, вскоре были заменены деревянными лопастями меньшего размера.
Дэниел Халладей изготовил оригинальную саморегулирующуюся ветряную мельницу (ветряной водяной насос) с одной четырьмя прочными лопастями, установленными на главном валу. Жесткий вал удерживал колесо с лопастями, обращенное к ветру, под углом, чтобы производить наибольшую мощность.
По мере того, как скорость ветра увеличивалась и колесо вращалось быстрее, центробежный регулятор изменял поворот лопастей, чтобы уменьшить их поверхность для ветра, таким образом контролируя их скорость.
При сильном ветре или при выключении мельницы лопасти поворачивались в положение, параллельное ветру, и колесо вообще прекращало вращаться. Эта оригинальная особенность защищала мельницу от повреждений в суровых погодных условиях.
Ветродвигатель Дэниела Халладея (1854 год) — типичная конструкция ветряных мельниц (ветряных насосов), распространенных в конце XIX в.
В сентябре 1854 года первая мельница Halladay была испытана и успешно выкачала воду из колодца глубиной 8,5 м, подняв его на высоту 30 м. Большинство насосов Халладея работали при скорости ветра до 5 м/с, хотя лучшие модели работали при скорости ветра 3 м/с.
Эти новые ветряные насосы идеально подходили для поселенцев на равнинах. Они могли качать воду с большой глубины с постоянной скоростью.
Лопасти таких механизмов могли поворачиваться против преобладающих ветров и хорошо работали как при быстром, так и при медленном ветрах. И в довершение всего, они требовали небольшого обслуживания по сравнению с европейскими ветряными мельницами.
Использование энергии ветра в США в XIX веке
Саморегулирующиеся ветряные мельницы с водяными насосами вскоре стали обычным явлением на равнинах. Поселенцы, фермеры и владельцы ранчо больше не зависели от природной воды, поскольку они могли бурить скважины и качать воду. Ветряные мельницы часто были одним из самых ценных владений поселенца.
Вода, перекачиваемая такими ветродвигателями, использовалась для приготовления пищи, купания, питья, полива сельскохозяйственных культур и животных, стирки одежды и многого другого. Эти машины были простыми, хорошо построенными и надежными.
Ветряная мельница на ранчо в окружении коров
На протяжении второй половины девятнадцатого века различные компании экспериментировали с механизмами ветряков, пытаясь улучшить конструкцию Халладея. К 1870-м и 1880-м годам существовали сотни компаний, производящих ветряные мельницы.
К 1872 году проблемы нехватки и хрупкости древесины были решены, поскольку новые ветродвигатели начали изготавливать из стали.
Первая успешная цельнометаллическая ветряная мельница появилась на рынке в 1876 году, но они не были распространены до 1890-х годов. Металлические ветряки имели изогнутые лопасти, что позволяло им улавливать больше ветра, чем плоские деревянные лопасти.
Начиная с ранней ветряной мельницы Халладея, инновации продолжались и в двадцатом веке с появлением моделей Aermotor и Dempster, которые используются до сих пор.
Металлическая ветряная мельница
В начале XX века компания Aermotor Windmill Company стала крупнейшим производителем ветряных мельниц, основывая свою конструкцию на стальных роторах, прошедших научные испытания и продаваемых по очень низким ценам из-за высокой эффективности производства.
Энергетика в стиле ретро
Самомасляные мельницы стали популярными в 20-х годах XX века. Эти ветряные мельницы имели закрытый редуктор с масляной ванной, которая смазывала движущиеся части машины при движении.
Это означало, что обслуживание этих мельниц было минимальным. Им требовалась чистка и новое масло примерно раз в год. До этого приходилось регулярно подниматься на башни, чтобы смазывать смазывать все механические части. Когда компании начали создавать самосмазывающиеся мельницы, они часто прекращали выпуск старых стальных моделей.
Компания Elgin Wind Power and Pump из Элгина (штат Иллинойс), представила первый коммерчески успешный самосмазывающийся ветряной насос в Америке в 1912 году.
Другие производители ветряков быстро поняли, что компания Elgin разработала то, за что клиенты готовы платить и в 1921 году компания Dempster Mill Manufacturing Company произвела свою первую самосмазывающуюся ветряную мельницу, быстро став одним из лидеров по их производству.
Реклама самомасляной мельницы Dempster, 1940-е гг.
Ветряная мельница Aermotor A702 1930-х годов выпуска
Помимо перекачивания воды, ветряные мельницы также широко использовались для выработки небольшого количества электроэнергии. Первые ветроэлектрические установки изобрели братья Джо и Марселлус Джейкобс из Северной Дакоты.
Они разработали новый тип ветряного насоса, которые позволили их ветряному генератору вращаться со скоростью, способной производить достаточное количество электроэнергии. Первые генераторы братьев были рассчитаны на один кВт и использовались для зарядки аккумуляторных батарей, которые затем снабжали электроэнергией фонари, радио, электрические инструменты и бытовые приборы.
Якобсы рекламировали свое изобретение строчкой: «Ветер! Самая дешевая электроэнергия в мире доступна каждому фермерскому дому». Было продано около 30000 ветряных турбин Jacobs, а также сотни тысяч ветряных турбин других производителей.
На данный момент, Jacobs Wind Electric Co. Inc. считается старейшей компанией в США, из занимающихся возобновляемыми источниками энергии. С середины 1920-х годов компания занимается проектированием потребительских и коммерческих систем возобновляемой энергии.
Ветряная турбина Джейкобса (ок. 1977 года) - результат первых опытов по созданию рабочих конструкций в ветроэнергетике
Со временем ветряные мельницы стали визуальными символами Великих равнин в США. На равнинах высокие конструкции с ветродвигателями часто были самым очевидным признаком цивилизации.
Эти машины использовались повсюду от Америки до Канады, Африки, Азии, Европы. К 1930-м годам только на американском Западе насчитывалось около 600000 ветряных мельниц, используемых на фермах для перекачки воды и выработки электроэнергии. Однако они начали исчезать в 1930-х годах.
Когда электричество из сети стало экономической альтернативой, ветряные мельницы были заменены электронасосами.
Старая мельница Aermotor (1880 года постройки, Южная Дакота, США).
Бизнес ветряных мельниц пошатнулся после Первой мировой войны. Электроэнергия и бензин подешевели, а цены на сельскохозяйственные товары упали. Люди не могли покупать новые ветряные мельницы, и у них были более дешевые альтернативы. К 1960-м годам большинство старых ветряных машин были демонтированы, а часть их была продана в развивающиеся страны по всему миру.
Когда в 1970-х годах цены на электроэнергию резко выросли, люди снова заинтересовались ветряными мельницами. В то время оставалось всего три производителя таких машин: Aermotor, Baker и Dempster. Каждая из этих компаний перешла от производства пары сотен ветряных мельниц в год до нескольких тысяч.
Работающий ветродвигатель в Нидерландах
В 1970-х годах были проведены значительные исследования по превращению ветровой энергии в коммерческий источник электроэнергии.
В то время крупнейшим в мире являлся ветрогенератор мощностью 100 кВт в Плам Брук (штат Огайо), запущенный в работу в сентябре 1975 г.
За один 1975 год в США на исследования в области ветровой энергии затрачено 7 млн. долл. Были созданы в первую очередь две установки по 200 кВт, затем несколько установок по 500 кВт.
Первый промышленный ветрогенератор предназначался для энергоснабжения о. Каттиханк у Нью-Бедфорда, Массачусетс. Он обеспечивал 40—50% энергии, необходимой для 81 дома жителей этого острова. Остальную энергию обеспечивала существующая дизель-электрическая электростанция.
Этот ветрогенератор имел мощность 200 кВт при скорости ветра 45 км/ч. Ротор с тремя неповоротными лопастями длиной по 12 м работал45при постоянном числе оборотов (30 об/мин) и был снабжен пневмотормозом. Генератор — двухфазный на 120/220 В, 60 Гц. Себестоимость энергии этой ветроэлектростанции была ниже, чем у дизельной электростанции.
Наряду с ветрогенераторами с горизонтальной осью исследуются ветрогенераторы с вертикальной осью. Цель исследований: повышение отношения мощности ветрогенератора к его стоимости.
Также в те годы активно совершенствуется методика измерений скорости ветра. Так, был разработан лазерный интерферометр, который по отражению лазерного луча от микроскопических частиц соли или пыли, содержащихся в воздухе, позволяет с высокой точностью измерять скорость ветра без строительства метеорологических башен.
Интерес к промышленной ветроэнергетике рос во всем мире. Так, в сентябре 1976 г. в Кембридже состоялся Международный симпозиум по ветровым электростанциям с участием 200 специалистов из 21 страны.
В наше время современные ветровые турбины стали новым лицом ветроэнергетики, оставив водяные ветряные мельницы нишевым рынком. Сегодня такие механизмы с ветродвигателями продолжают использоваться на сельских ранчо и небольших фермах.
Как современные технологии меняют сельское хозяйство? Наша статья "Инновации для сельского хозяйства: умное будущее" подробно рассматривает этот вопрос и приводит интересные примеры успешной реализации инноваций.
