Огромная нужда в энергии, которая ощущалась в Германии и во всей Европе и будет ощущаться и в дальнейшем, заставила начать поиски новых источников энергии, и в частности там, откуда человечество получало ее уже с первобытных времен, а именно в атмосфере, использование которой в настоящее время сплошь и рядом носит еще совершенно примитивный характер. Речь идет здесь в первую очередь о ветре, который человек уже с незапамятных времен знает как брата воды и солнца.
Ветер, как известно, является процессом, возникающим при движении воздуха. Причиною ветров является также и теплота. В связи с вращением земли воздух приходит в движение. Если бы земля была неподвижна, то атмосфера также неподвижно покоилась бы над поверхностью земли. Но и помимо этого, движения ветра неравномерны: зимою изменения ветра слабее, нежели летом. Сила ветра также меняется в зависимости от времени дня. На материке обычно различают восемь направлений ветра, при анемометрических наблюдениях — 16 направлений, а на море — даже 32 направления. Быстрота ветра поддается измерению и равняется от 0 до 50 мв секунду, причем ветры со скоростью около 50 м называются ураганами. Далее наблюдениями, установлено, что быстрота ветра в более высоких слоях атмосферы больше, чем в низших, так например, быстрота ветра при измерениях, произведенных на Эйфелевой башне в Париже на высоте 305 м, достигала 8,7 м в секунду, тогда как на высоте 21 м над землею измерения показали скорость всего в 2,1 м. Колебания по временам года и по часам дня также различны. Ночью сила ветра больше, нежели днем.
Использование ветров для получения энергии было известно человечеству уже тысячи лет тому назад в форме ветряных мельниц или ветряных двигателей.
Невозможно с точностью установить, когда впервые вошли в употребление ветряные мельницы. Сообщают, что впервые ветряные мельницы были занесены в Германию крестоносцами. Но это указание основано на заблуждении. Ни в Египте, ни в Малой Азии — нигде не встречаются ветряные мельницы. Родиной ветряных мельниц скорее всего была Персия, на что между прочим указывают и арабские историки.
В Европе первые ветряные мельницы появились уже в начале 2-го тысячелетия нашей эры. В 1105 г. одному монастырю во Франции было разрешено устроить ветряную мельницу.
Образцом для европейских ветряных мельниц послужили голландские и немецкие мельницы, несколько различные однако по своей конструкции.
Главное затруднение как в немецких, так и в голландских мельницах представляло решение вопроса о регулировании работы мельниц. В целях сообразования хода ветряного колеса с силой ветра и поддержания таким путем по возможности постоянной скорости вращения колеса, стали применять тормоз, что, конечно, вызывало большой износ материала вращающихся частей. Часто прибегали к изменению быстроты вращения путем изменения площади крыльев.
Впоследствии удалось сконструировать автоматическое приспособление для регулирования подверженной действию ветров площади крыльев при помощи поворачивания всего колеса по направлению ветра. Разнообразные усовершенствования в этом направлении отошли однако на задний план с распространением применения пара и электричества. В пятидесятых годах прошлого столетия в Америке появились новые конструкции ветряных колес, которые нашли применение при работе насосов. Новые ветряные колеса отличались главным образом тем, что их движение автоматически регулировалось в зависимости от направления и силы ветра. Известное распространение получили системы эклипса, халлада и ультра, детальное рассмотрение которых выходит из рамок нашей работы.
Многообразнейшее применение нашли ветряные моторы: ими приводят в движение насосы для выкачивания воды, орошения полей и осушения почвы. Инженер Гамель в своей небольшой интересной работе «Использование сил ветра» дает точные вычисления по вопросу применения ветряных моторов для коммунального водоснабжения, для орошения и осушения полей, для искусственного питания водой рыбных садков и приходит к выводу, что применение ветра отличается большей дешевизной по сравнению с другими источниками энергии.
Электротехника также уже несколько лет работает над подчинением ветра своим целям. Первая успешная попытка использовать силу ветра для получения электричества была предпринята Лякуром. Он создал схему ветроэлектрической станции, в которой даже большие колебания числа оборотов ветряного двигателя, приводившего в движение динамомашину, совершенно уравнивались с помощью аккумуляторной батареи. Конечно, электрическая установка вырабатывала постоянный ток (в виду необходимости пользования аккумулятором). Лякур стремился главным образом к тому, чтобы при сильном ветре накоплять энергию, переводя ее в форму электрической и собирая в аккумуляторе, а при слабом ветре избегать потери накопленной энергии. С этой целью Лякур сконструировал автоматические замыкатель и прерыватель тока. В результате электротехнические фирмы, которые до сих пор мало интересовались силой ветра, занялись постройкой динамомашин, нечувствительных к нерегулярной работе, каковая имеет место при пользовании ветряными двигателями. Понятно, что динамомашины для ветряных моторов должны быть так построены, чтобы их легко было пустить в ход и получить от них ток при сравнительно небольшом ветре. Упомянутый инженер Гамель в своей книге дает подробное объяснение по этому пункту, весьма важному в связи с увеличивающимся значением ветросиловых установок.
Поскольку наша промышленность располагает еще запасами угля и энергией воды, энергия ветра имеет для нее лишь второстепенное значение. Использование силы ветра в промышленных целях в настоящее время зависит еще в значительной мере от индивидуальных желаний, особенно в тех случаях, когда данной отрасли промышленности не приходится считаться с работой других отраслей промышленности. Иначе обстоит дело в мелкой промышленности, в сельском хозяйстве в особенности, в сельскохозяйственных промыслах, в отдаленных от города фермах и таких человеческих поселениях, которые очень далеки от угля и воды. Преимущества ветряного мотора при таких условиях огромны, в особенности в связи с беспрестанным усовершенствованием ветряных моторов и соответствующих динамо-машин.
Давно уже выяснилось, что для устройства ветряных двигателей и ветросиловых станций отнюдь не требуются непременно определенный рельеф местности или морские берега, но что подобные установки могут быть устроены повсюду. Разумеется, при установке подобных силовых станций необходимо тщательно ознакомиться с метеорологическими условиями данной местности. В Германии обычно приходится иметь дело с ветрами силой в 4–5 м. Эта средняя величина однако еще не может служить базой для систематической эксплуатации силы ветра. Сила ветра одна — на равнине, другая — в горах, третья — на морском берегу.
До войны в Германии было уже 13 392 предприятия, главным образом мукомольных мельниц, на которых применялась сила ветра; их можно распределить следующим образом:
Мельницы, работающие исключительно ветром — 11 366.
Мельницы, работающие ветром и в случае необходимости водой — 49.
Мельницы, работающие паром — 852.
Мельницы, работающие электричеством — 61.
Мельницы, работающие мотором — 954.
Мельницы, работающие ветряной силой в качестве вспомогательной — 110.
Итого — 13 392.
Общее число мукомольных мельниц достигало 45 376, так что круглым счетом 25 % всех мельниц приводилось в движение ветром.
В различных других странах Европы значение ветра для хозяйства давно уже осознано. Франция много лет уже проектирует использование силы ветра в большем масштабе, чем это проводилось до сих пор. И уже давно организованы тщательные опыты на Эйфелевой башне в Париже, и в соответствии с этим создаются новые типы ветряных мельниц, которые по вычислениям Ляпреля должны обладать гораздо большей производительностью, чем применяемые в настоящее время. Последние имеют в поперечнике 3–6 м с 18 или более лопастями, французские же будут иметь 30–40 м в поперечнике и всего лишь две лопасти. Руководитель Общества инженеров для изучения использования силы ветра, Константен, недавно предложил выстроить на Мон-Венту, на высоте 16 м над уровнем моря, ряд 40-метровых ветряных мельниц. Он высчитал, что каждая мельница в среднем за год работала бы с мощностью в 700 л. с. Ветряное колесо соединено с динамомашиной, которая сконструирована в форме рыбы, чтобы представлять минимальное сопротивление ветру. Колесо и динамо поворачиваются вокруг общей оси, как только ветер меняет направление. Токи от 12 или более таких ветряных мельниц сходятся в одной центральной электрической станции.
На ряду с использованием ветра на суше большое значение принадлежит попыткам найти возможность использования его на кораблях несколько иначе, нежели до сих пор. Тысячелетний опыт дал поразительные достижения в области использования ветра на парусных судах. Но пытливый ум человека не довольствуется старым, как доказало в последние годы изобретенное Флетнером роторное судно.
Рис. 11. Гигантское роторное судно Флетнера.
Уже сто лет тому назад было замечено, что снаряд, вращающийся вокруг оси, которая не совпадает с касательными к траектории полета, иначе говоря, испытывает боковой ветер, отклоняется от своей траектории. Этот факт послужил основой для опытов проф. Густава Магнуса, произведенных им в середине прошлого века. Опыты Магнуса, в сущности, имели задачей произвести измерения силы поступательного движения вращающихся цилиндров, которые перпендикулярно к оси обдуваются потоком воздуха. На опыты Магнуса обратили очень мало внимания, пока в 1912 г. французский физик Ляфе не повторил опытов, которые однако по своим результатам уступали опытам Магнуса. Как бы то ни было все эти опыты до 1923 г. не выходили из начальной стадии и не получили практического значения.
Флетнер воспользовался не только этими и позднейшими достижениями, но пошел еще дальше. Ему удалось установить следующие положения:
1. Направление давления ветра на цилиндр отклоняется, как только цилиндр приходит во вращение. (Вращающийся цилиндр получил название ротора.)
2. С изменением быстроты вращения и направления вращения цилиндра изменяется величина силы поступательного движения, а также его направление.
3. Путем опытов подтвердилась важность установки на концах цилиндров дисков, что уже применялось Гетингенским Опытным институтом.
4. По сравнению со старыми парусами достигается не только повышение действия в 50 раз, но и чрезвычайное сокращение обслуживающей команды, так что одна экономия на персонале говорит уже в пользу применения роторов вместо парусов.
Вначале результаты опытов Флетнера возбудили надежды на большой успех. Широко поставленные Роторным обществом опыты Флетнера с первым роторным судном сулили великое будущее новому изобретению. С течением времени однако при более продолжительных плаваниях возникли крупные затруднения, так что нельзя было и думать об океанских путешествиях, тем более, что не находилось фирмы, которая предоставила бы для этой цели грузы. Сопротивление, оказываемое роторами при бурном ветре, еще не испытано. Флетнер проектировал изготовление роторных цилиндров из алюминиевых листов, чтобы таким образом уменьшить их вес, затем придать роторам конструкцию подзорной трубы с тем, чтобы при наступлении бури отдельные колена роторных цилиндров могли вдвигаться в одно, наиболее широкое.
В 1923 г. был учрежден консорциум в составе германской машинной фабрики Маннесмана в Дуйсбурге, «Бергише Штальиндустри Ремшейд» и «Дейче Банк» для осуществления опытов над созданием практической роторной силовой станции. Через два года из этого консорциума образовалось о-во «Ветряная турбина Флетнера». В своей книге «Мой путь к ротору» Флетнер пишет: «До проектирования построенного в настоящее время колеса был проделан ряд опытов в нашей лаборатории и в нашем специально отведенном для опытов канале и, кроме того, на открытом воздухе. Испытывалось влияние ветра на небольшие роторные ветряные колеса, построенные для измерительных целей. При этих опытах выяснилось, что ротор превосходно заменяет крылья ветряных мельниц. Благодаря соответствующим приспособлениям, роторное крыло в момент пуска в ход дает в 30–50 раз больше, чем обыкновенное крыло, а когда ветер достигает силы урагана, давление ветра на ротор чрезвычайно падает. Сильные шквалы и порывы бурь налетают в роторном колесе не на крыло, но на сравнительно небольшие круглые валы. В виду того, что вращение ротора очень легко может быть регулируемо электрическим приспособлением, роторное ветряное колесо берет от ветра не больше силы, чем предназначено его конструктором, даже в том случае, если ветер усиливается до размеров урагана. Дальнейшим обстоятельством, весьма благоприятствующим возможности постройки рентабельных крупных роторных ветросиловых станций, является возможность применения легких металлов». Флетнер приходит к тому выводу, что вполне возможно полностью использовать силу ветра в качестве дополнительного источника необходимой нам энергии.
Чтобы судно, приводимое в движение ветром, в состоянии было идти прямо против ветра, у которого оно получает двигательную силу, кажется чем-то противоречащим повседневному опыту. И однако, как сообщает «Гамбургское техническое обозрение» (номер 39–40, 1925 г.), французской Академии наук недавно был представлен доклад о подобном любопытном судне и почти одновременно стало известно об аналогичном более раннем проекте, принадлежащем проф. Ирвингу П. Черчу, теоретически вполне обоснованном и пока осуществленном в форме хорошо функционирующей модели. Четырехлопастная турбина вращается вокруг оси, расположенной горизонтально вдоль модели, и принимает на себя ветер непосредственно, как обычная ветряная мельница. При этих условиях, в связи с тем, что остов модели имеет скелетообразную форму, сопротивление воздуха сильно уменьшается. Приблизительно три четверти всего помещения отведено под груз. Турбина установлена спереди, и непосредственно под ней помещается ведущее колесо. Опуская технические детали проекта Черча, отметим, что, как доказали опыты, его модель всегда идет против ветра. Уже многие изобретатели занимались указанной проблемой, но не смогли поставить лабораторного опыта. Проф. Черчу, по-видимому, удалось создать парадоксальный транспортный аппарат, к практической применимости которого, в качестве судна или повозки, приходится однако отнестись скептически.
Из всего вышеизложенного ясно, что вопрос использования ветра в энергетическом хозяйстве занял видное место в современной технике.