4.3. Ветряные мельницы США

В США ветряные мельницы больше известны своим вкладом в освоение и развитие американского Запада в конце 1800-х годов. Ветряные мельницы были жизненно необходимы ранним поселенцам на Великих равнинах. Они снабжали водой железную дорогу (рис. 4.8) и скот в местах, удалённых от источников воды. Их использовали фермеры также для ирригации.

Ветряные мельницы европейской и голландской конструкций, которые кое-где применялись на восточном побережье США, в условиях Великих равнин оказались малоэффективными. Вода в этом районе залегает глубоко под поверхностью земли и необходимы были более быстроходные мельницы.

Тихоходные мельницы голландской конструкции хороши для источников, расположенных близко к поверхности земли. Сыграло немаловажную роль также различие экономических условий этих двух регионов. На Великих равнинах фермерские хозяйства нуждались в относительно небольших объёмах воды на многих разбросанных по большой площади участках. В условиях же голландских низменностей большие объёмы воды перекачивались на многочисленных участках в пределах малой площади. Отсюда и различие в экономических расчётах: монтаж больших голландских ветряных мельниц оказался невыгодным. Надёжный способ подкачки воды из глубоких колодцев удалось реализовать с помощью водонасосной ветряной мельницы американской конструкции (рис. 4.9), которая впоследствии изменила окружающий ландшафт. За прошедшие 100 лет американские производители построили более 8 млн. водонасосных ветряных мельниц, в основном для обеспечения водой скота.

В первых конструкциях ветряных мельниц лопасти изготавливались из дерева, при этом КПД составлял 7%. В результате исследовательской работы таких пионеров ветроэнергетики, как Томас Перри, который в конце 1800-х годов выполнил около 5000 экспериментов с различными конструкциями ротора, деревянные лопасти были заменены изогнутыми металлическими лопастями, что дало возможность увеличить КПД до 15% (рис. 4.10).

Рис. 4.8. Американская ветроустановка для водоснабжения железной дороги

Рис. 4.9. Водонасосная ветряная мельница американской конструкции

Широкая кривизна лопастей из листового металла позволяла захватывать больше воздуха и направлять его на заднюю часть следующей лопасти. Этот каскадный эффект способствовал увеличению перепада давления от одной стороны лопасти на другую, улучшая характеристики ветродвигателя. Конструкция Перри оказалась настолько успешной, что была заимствована многими странами мира. Сегодня используются около 1 млн. таких ветродвигателей, в основном в Аргентине, США, Австралии и Южной Африке.

Рис. 4.10. Ветродвигатель конструкции Т. Перри

Типичный ветродвигатель с диаметром 8 футов (26,2 м), используемый в фермерском хозяйстве, имеет производительность 1–2 галлона в минуту (0,2–0,5 м 3 /ч) в условиях Великих равнин. Ветродвигатель, традиционно применяемый в фермерских хозяйствах, гораздо менее экономичен по сравнению с современными ветротурбинами из-за того, что его лопасти не имеют истинно аэродинамического профиля.

Один из основателей американской электрической индустрии Чарльз Ф. Браш (1849–1929) свою компанию «Браш электрик» в 1892 году слил с «Эдисон дженерал электрик компани». Новая компания получила ныне широко известное название «Дженерал электрик компани» (GE).

Сам Чарльз Ф. Браш прославился внедрением генератора постоянного тока в общественных электрических сетях, коммерческой дуговой лампочки и способа производства свинцово-кислотных аккумуляторов.

В течение зимы 1887–1888 годов Браш построил то, что сегодня называется первой автоматически управляемой ветровой турбиной для производства электроэнергии. Она была воистину гигантской – самой большой в мире. Диаметр ротора равнялся 17 метрам. Ротор имел изготовленные из кедра 144 лопасти. Турбина проработала 20 лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под ней. Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт. Применявшийся Брашем принцип – использование соленоидов – не претерпевал изменений с 1890 года до той поры, когда контроллер турбины начал управляться компьютером.