Вітроенергетика на теренах України в XIX - першій половині XX ст.: історична ретроспектива

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІТРОЕНЕРГЕТИКА НА ТЕРЕНАХ УКРАЇНИ В XIX - ПЕРШІЙ ПОЛОВИНІ XX СТ.: ІСТОРИЧНА РЕТРОСПЕКТИВА

Ігор Гайдаєнко

Стрімкий розвиток суспільства, науки і техніки, що спостерігається упродовж останніх десятиліть, зумовив небачений до цього часу попит на енергоресурси. Забезпеченість країни енергоносіями є запорукою розвитку не пише її економіки, а й усіх суспільних сфер її життєдіяльності. На цьому етапі розвитку енергетики все більш значуще місце посідає відновлювана енергетика, яка в подальшому взагалі може витіснити традиційну енергетику.

Про важливість і актуальність цієї галузі енергетики в нашій країні свідчить створення Державного агентства з енергоефективності та енергозбереження України 22 лютого 2012 р. [1, с. 1]. У тім, розвиток вітроенергетики як галузі господарства країни розпочався в XIX столітті. Початок XX століття ознаменував теоретичні та практичні дослідження даної галузі. Ґрунтовний аналіз розвитку технологій та ідей у вітроенергетиці дозволяє зробити рекомендації для подальшого розвитку даної галузі в економіці України.

Провідними світовими та вітчизняними науковцями, які досліджували та висвітлювали питання вітроенергетики є: І. Плачков, І. Сігал, С. Кудря, П. Атаманчук, Г. Варламов, В. Березуцький, Т. Бондаренко, Г. Валенко, О. Запорожець, П. Атаманчук, В. Лапін, В. Цапко, О. Мягченко, В.Жидецький, Я. Шефтер., В. Секторов, В. Харитонов, Г. Проскура, Г. Сабинин, М. Жуковский, А. Бетц, У. Хюттер, Ю. Кондратюк.

Відомо, що вітроенергетика - відноситься до галузі науки і техніки, в рамках якої розробляються теоретичні основи, методи і засоби використання енергії вітру для отримання механічної, електричної та теплової енергії, визначаються напрями і масштаби доцільного використання вітрової енергії в народному господарстві [2, с. 55].

Вітрова енергія належить до постійно відновлюваних джерел енергії, зобов'язаних своїм походженням енергії Сонця. Внаслідок нерівномірного нагріву сонячними променями земної поверхні і нижніх шарів земної атмосфери, в приземному шарі, а також на висоті від 7 до 12 км виникають переміщення великих мас повітря, тобто утворюється вітер, який несе колосальну кількість енергії. Сила вітру залежить від його швидкості і змінюється в дуже широких межах. Використовуючи навіть декілька відсотків енергії вітру, можна задовольнити значну частину енергетичних потреб країни [2, с. 55].

Енергія вітру доступна людині з давніх часів, наприклад парус в Стародавньому Єгипті та вітровий млин у Середньовіччі. Найбільш розповсюдженим прикладом використання вітрової енергії є вітровий двигун, який набув широкого розповсюдження в країнах Європи: у Голландії, Данії та Англії, для підйому води, подрібнення зерна і приведення в рух різних верстатів на початку XVIII от. У 30-х роках XVIII от. у Голландії працювало близько 1200 вітроустановок, які використовувалися для осушення заболочених територій. До кінця XIX от. їх нараховувалося більше 10 тисяч, а у невеликій Данії - ЗО тисяч для побутових потреб та 3 тисячі вітродвигунів для потреб промисловості [2, с. 56].

Україна також має багатовікові традиції використання енергії вітру, яка широко використовувалась в XVI11--XIX от. в якості сили для приведення в дію механізму млинів та в судноплавстві. Пізніше масового поширення на усій території України набули вітрові двигуни для виготовлення борошна та перекачування води. До 1917 р. їх загальна потужність становила близько 1400 МВт. Для порівняння - потужність Хмельницької атомної станції становить 2000 МВт, а сумарна потужність сучасних вітроелектричних станцій у країнах Європейського Союзу у 1994 р. складала 1510 МВт [2, с. 56].

Будівництво вітряних млинів на першому етапі ґрунтувалося лише на багаторічному досвіді. Теоретичних розрахунків чи технічних проектів не існувало. Однак, відпрацьовуючи форми і методи випробувань своїх млинів, майстри вкладали в загальну справу свій внесок і сприяли поступовому нагромадженню досвіду.

Перехід від дослідів до перших теоретичних висновків відносять до початку XVIII століття. Оскільки властивості земної атмосфери впливають на рух тіл у повітрі, важливим кроком у вирішенні проблеми вітровикористання стали дослідження в галузі фізики атмосфери і метеорології, які проводив у середині цього століття М. Ломоносов. До кінця XIX століття в Росії вже функціонувала мережа метеорологічних спостережень, організатором якої був ініціатор застосування математичних і експериментальних методів у метеорології член-кореспондент Петербурзької академії наук О. Клосовський. До цього ж періоду відноситься і поява в більш систематизованому вигляді теорії вітродвигуна.

Вирішальне значення для всього наступного розвитку науки і техніки мали роботи М. Жуковського (1847-1921 рр.), С. Чаплигіна (1869-1942 рр.), Л. Прандтля (1875-1953 рр.) і багатьох інших учених-механіків з теорії крила, повітряного гвинта, пограничного шару, що датуються відповідно 1904, 1905, та 1910 роком.

У 1905 р. М. Жуковський розкрив механізм виникнення підйомної сили і вивів теорему, що визначає її кількісно, у своїй праці “Про приєднані вихори”. Цими дослідженнями були закладені основи аеродинаміки як науки [3, с. 79].

Уведення в механіку в широких масштабах дослідного (експериментального) методу - одна з великих заслуг М. Жуковського. Він і К. Ціолковський (1857-1935 рр.) одними з перших почали в Росії створювати аеродинамічні труби. Свою трубу, побудовану в 1897 р., К. Ціолковський назвав “повітродувкою”. У 1902 р. М. Жуковським була побудована в Московському університеті одна з перших у Європі аеродинамічних труб всмоктуючого типу. До 1910 р. у світі працювали три перші аеродинамічні інститути - Римський, А. Цама в Америці та Кучинський у Росії. Після появи в 1910 р. праць М. Жуковського і Є. Чаплигіна починається епоха бурхливого розвитку теорії крила. Праці М. Жуковського “Про приєднані вихори” і “Про контури підтримуючих поверхонь аеропланів”, Є. Чаплигіна “Про тиск плоско-паралельного потоку на тіла” і “До загальної теорії крила моноплану” по суті містять всі основні відомості про роботу профілю крила в нестисненому газі. У 1912 р. було видано “Теоретичні основи повітроплавання” М. Жуковського. У них зроблено підсумок численним результатам експериментальних досліджень, накопичених на той час, викладені роботи, що проводилися в російських аеродинамічних лабораторіях під керівництвом М. Жуковського і у закордонних лабораторіях під керівництвом Л. Прандтля (Німеччина), Г. Ейфеля (Франція), А. Цама (США) та ін. Влітку цього ж року М. Жуковський надіслав екземпляри цього видання Л. Прандтлю, Г.Ейфелю (1832-1923), Є. Джевецькому (1843-1938) та іншим вченим. Книга була високо оцінена іноземними вченими і у 1916 р. надрукована в Парижі французькою мовою в перекладі Є. Джевецького [3, с. 80].

Упродовж 1914-1918 рр. М. Жуковський і його учні - В. Ветчинкін, Г. Сабінін, М. Красовський, Г. Проскура та інші вперше створюють теорію вітродвигунів, а у 1914 р. В. Ветчинкін (1888-1950 рр.) вперше розробив теорію ідеального вітроколеса на основі теорії ідеального гребного гвинта. У цій роботі він встановив поняття коефіцієнту використання енергії вітру ідеальним вітроколесом. У 1920 р. М. Жуковський виклав теорію “вітряного млину типу МЄЖ”, де виведено коефіцієнт використання енергії вітру ідеальним вітроколесом. Теорія ідеального вітроколеса М. Жуковського одержала назву “класичної теорії”. Вона встановлює, що максимальний коефіцієнт використання енергії вітру ідеальним вітроколесом дорівнює 0, 593 [4, с. 405].

Над аналогічною теорією також працював російський професор Г. Сабінін, який також зробив вагомий внесок у теоретичне освоєння вітрової енергії. Відповідно до його теорії максимальний коефіцієнт використання енергії вітру вітроколесом дорівнює 0, 687. Г. Сабініним розроблена також теорія реального вітроколеса [5, с. 3].

В Україні цим питанням займався харківський учений, академік АН УРСР Г. Проскура (18761958 рр.), який розробив цю теорію у 1929 році [6, с. 4].

У світі у цей час серед учених, що займалися аеродинамікою вітроколеса були: у Німеччині - керівник Геттінгенської аеродинамічної й випробувальної лабораторії доктор Альберт Бетц, а також професор Штутгартського університету Ульріх Хюттер, у США - відомий аеродинамік Теодор фон Карман (1881-1963) [3, с. 81].

У. Хюттер запатентував декілька десятків винаходів в області вітроенергетики, опублікував кілька десятків наукових статей і доповідей. Він розробив техніку експериментів з установкою димової шашки або трасера на лопаті й перший застосував їх у дослідженнях. На кінцівку однієї з лопатей вітроколеса встановлювалася димова шашка, яка при запуску підпаювалася електричним струмом. Спіральний димовий спід, що йшов за площину обертання, збоку фіксувався на фото, або відеоплівку. Дешифрування знімків дозволяло робити висновки про ефективність роботи вітроколеса в конкретні моменти часу, при фіксованій швидкості вітру, яка вимірювалась на метеовишці [7, с. 7].

На початку 1930-х років у СРСР вперше розроблявся ВЕС потужністю 2-25 тисяч кВт. До цього потужність таких станцій у світі не перевищувала 100 кВт. Робота мала величезне державне значення. У конкурсі по проектуванню надпотужної вітрової енергетичної станції (далі - ВЕС) узяв участь відомий радянський учений Ю. Кондратюк (1897-1941 рр.). Який до участі в конкурсі 31 липня 1930 р. був заарештований і засуджений на 3 роки ув'язнення. Згодом вирок змінено на заслання до Сибіру, де він працював у проектному бюро № 14 ПБКОДПУ СРСР при Кузбасбуді інженером-конструктором залізобетонних конструкцій. 1932 на прохання наркома С. Орджонікідзе його достроково звільнили з заслання, і він, на виконання розпорядження Головенерго Наркомтехпрому СРСР, почав працювати над проектом вітроелектростанції (ВЕС) у Криму, який завершив у квітні 1934 року, а його тогочасні розробки з питань будівництва залізобетонних веж згодом були використані також при будівництві телевежі в Останкіно (Москва). Від 1934 до 1938 Ю. Кондратюк працював у Харківському інституті промислової енергетики над розробкою робочого

проекту “Крим. ВЕС”. Після загибелі С. Орджонікідзе будівництво “Крим. ВЕС” зупинено, а Ю. Кондратюка переведено на посаду начальника технічного відділу вітросектору при Теплоелекгропроекті Наркомтехпрому СРСР з розробки малопотужних ВЕС [8, с. 21].

Іншим радянським ученим, що займався питанням вітроенергетики був професор В. Андріанов, під керівництвом якого були теоретично розроблені і експериментально перевірені основні питання паралельної роботи ВЕС з невітровими електростанціями та енергосистемою. Під керівництвом професора Є. Фатєєва досліджувалися основи агрегатування і методи раціональної експлуатації ВЕС. Під керівництвом професора М. Красовського і доктора технічних наук Г. Гриневича вивчалися енергоресурси вітру [3, с. 82].

Під керівництвом М. Красовського у відділі вітродвигунів Центрального аерогідродинамічного інституту (далі - ЦАГІ) був розроблений швидкохідний двигун потужністю до 50 кінських сил з новою системою регулювання частоти обертання колеса, запропонованою Г. Сабініним. Вона одержала назву стабілізаторної. З метою розширення робіт зі створення вітродвигунів і використання енергії вітру в 1930 р. на базі відділу вітродвигунів ЦАГІ був організований Центральний вітроенергетичний інститут (далі - ЦВЕІ), єдина у світі в той час науково-дослідна організація такого профілю].

У 1931 р. побудована Балаклавська ВЕС Д-30, потужністю 100 кВт, яка не мала аналогів ні в СРСР ні в інших країнах світу. Вона працювала на електричну мережу Севастопольенерго напругою 6300 кВт. Своїми розмірами, ні за кордоном, ні в СРСР не мала собі рівних. У 1942 р. під час війни станцію зруйнували [10, с. 9].

Конструкцію башти для ВЕС розробив відомий інженер В. Шухов, а авторами проекту були відомі учені М. Красовський, В. Уткін-Єгоров, Р. Секторов, Г. Сабінін [7, с. 8].

Вітроелектричний агрегат мав вітроколесо діаметром ЗО м (висота вежі 25 м частота обертання вітроколеса ЗО об/хв) зі стабілізаторним типом регулятора частоти і генератором асинхронного типу [10, с. 15].

Наприкінці 1935 р. ЦВЕІ в Москві закінчив проект ВЕС з діаметром вітроколеса 50 м і синхронним генератором для паралельної роботи на загальну мережу. Передача обертання від валу вітроколеса до генератора здійснюється через двоступінчастий редуктор з передатним відношенням 1:25. Вітроколесо робить 24 об/хв., генератор - 600 об/хв. У кабіні вітродвигуна знаходяться генератор, гідравлічна муфта, апаратура захисту, електродвигуни пуску і зупинки. Частина електроустаткування розташована внизу під вежею на підстанції.

Потужність ВЕС складала 1000 кВт при швидкості вітру 14 м/с. Вітродвигун електростанції трилопатевий, швидкохідного типу, зі стабілізаторним регулюванням, але на відміну від попередньої ВЕС поверталися тільки частини лопатей [3 с. 85].

Висота вежі 50 м, розміри основи 25-25 м. Для підйому на верхній балкон вежі є ліфт і запасні сходи. В основі вежі розташовано будинок, де міститься основний розподільний пристрій електричної частини. 1936 року на Ай-Петринській яйлі в Криму почалося будівництво ВЕС потужністю 12000 кВт. Однак, після смерті куратора вітроенергетики Г. Орджонікідзе по вказівці керівництва будівництво ВЕС при готовому її фундаменті було законсервоване.

В області сільської вітроенергетики в цей час працювали вчені: Е. Фатєєв, В. Андріанов, Я. Шефтер, К. Вашкевич, М. Франкфурт, І. Різдвяний та інші. У 1948 р. зусиллями низки організацій створено вітродвигун ВІМЕ Д-18 ГУСМП з вітроколесом, що мало три лапасті та стабілізаторним регулюванням. Пізніше були розроблені кілька варіантів агрегату: з синхронним генератором - потужністю 25 кВт; з генератором постійного струму - потужністю 40 кВт; з вертикальною трансмісією для передачі обертання генератору, встановленому на рівні землі. Ученим Я. Шефтером виконані теоретичні та експериментальні роботи над вітроагрегатами Д-18, оснащеному інерційним акумулятором енергії, що випрямляв пульсації енергії, що виробляється. І. Різдвяним була запропонована і досліджена схема автономного використання Д-18 з синхронним генератором для роботи на кілька електронасосів, що підключаються по черзі в залежності від потужності вітродвигуна [11, с.8-9].

У цей період у ЦАГІ виконані теоретичні та експериментальні дослідження паралельної роботи ВЕС з дизель-електричною станцією (ДЕС) рівної потужності. У 1955 р. були проведені державні випробування декількох екземплярів ВЕС Д-18 з ДЕС рівної потужності з позитивним результатом. ВЕС з дизельним резервом була рекомендована до серійного виробництва [12, с. 4].

У зв'язку з істотним збільшенням робіт, присвячених вітроелектричним станціям, Постановою Ради міністрів СРСР в 1954 р. в м. Істра Московської області була створена Центральна науково- дослідна лабораторія вітродвигунів і вітроелектричних станцій (ЦНДЛВ) з конструкторським бюро і дослідним виробництвом [13, с. 1].

У наступні роки наукові дослідження, розробки та впровадження у господарство країни вітрових енергетичних установок мало масовий характер та було обумовлено високою зацікавленістю керівництва СРСР у енергоносіях з низькою вартістю.

Отже, у XIX - середині XX століття в вітроенергетиці проведено низку як експериментальних, так і теоретичних досліджень. Схильне ставлення керівництва країни до енергоносіїв з низькою вартістю зумовила вкладення коштів та матеріальних ресурсів у розвиток даної галузі. У визначенні місць будівництва вітроелектростанцій керувалися, насамперед, важко доступністю та постійною потребою в електриці, йдеться про переважно гірські та степові регіони.

Наукові напрацювання, зроблені на початковому етапі дослідження вітрових електричних станцій, дали потужний поштовх для розвитку інших суміжних галузей науки і техніки, таких як аеродинаміка, гідродинаміка, теорія гвинтів, аеронавтика та ін. Вітроенергетика і надалі мала високу актуальність у господарстві країни через свою доступність та невичерпність, а розвиток машинобудування, прогрес у розробках синхронних та асинхронних генераторів дали потужний поштовх для нових розробок і впроваджень.

Перший етап розвитку вітроенергетики можна пошуковим, який призвів у подальшому до вирішення багатьох питань оптимального використання енергії вітру, раціональної експлуатації установок, підвищення техніко-економічних показників, а також узагальнення набутого досвіду використання вітрової енергії.

раціоналізація суспільний економічний вітроенергетика

Список використаних джерел

1. Указ Президента України № 134/2012 від 22.02.2012. - Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/465/2011.

2. Кудря С.О. Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії: Підручник / С.О. Кудря. - К.: НТУУ “КГП”, 2012. - 492 с.

3. Энергетика: история, настоящее и будущее. - Т. 1. От огня и воды к электричеству: Монография / [Бондаренко В.И., Варламов Г.Б., Вольчин И.А. и др]. - К., 2005. - 304 с.

4. Жуковский Н.Е. Ветряная мельница типа БЕЖ: Статья третья (1920 г.) / А.П. Котельникова, В.П. Ветчинкина. - Полное собрание починений. Т. VI. М.: ОНТИ, 1937. - 431 с.

5. Сабинин Г.Х. Теория и аэродинамический расчет ветряных двигателей / Г. X. Сабинин / Тр. ЦАГИ 1931. - Вып. 104. - 70 с.

6. Проскура Г. Ф. Экспериментальная гидроаэродинамика. Ч. 1 / Г. Ф. Проскура. - М.; Л.: Госавиаавтоиздат, 1933. - 364 с.

7. Безруких П.П. Ветроэнергетика / Справочное и методическое пособие / П. П. Безруких. - М.: - ИД “ЭНЕРГИЯ”, 2010. - 320 с.

8. Енциклопедія історії України: Т. 5: Кон- Кю. / [Редкол.: В. А. Смолій та ін ]. - К.: В-во “Наукова думка”, 2008. - 568 с.

9. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра / Я. И. Шефтер. - М: Энергоатомиздат, 1983 - 201 с.

10. Секторов В.Р. Балаклавская опытная ветроэлектрическая станция / В. Р. Секторов // Электричество. - 1933. - № 19. - С. 9, 15.

11. Харитонов В.П. Автономне ветроэлектрические установки / В.П. Харитонов. - М: ГНУ ВИЭСХ, 2006 - 280 с.

12. Секторов В.Р. Ветроэлектрические станции мощностью 25 кВт с дизельным резервом / В. Р. Секторов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1957. - № 2 - С. 4.

13. Постановление Совета Министров СССР № 1794 от 24 августа 1954 г. “О производстве и внедрении в сельское хозяйство ветродвигателей и ветроэлектростанций”. - Режим доступу: http://law7.ru/ussr/act8u/dl57/page4.htm.

Размещено на Allbest.ru