Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Одним з перших стабільних джерел енергії, освоєних людиною, був вітер.

Завдяки вітру відбулися великі географічні відкриття, людство одержало можливість подорожувати, зрошувати поля, молоти зерно і, нарешті, воно навчилося перетворювати вітер у чисту енергію у вигляді електрики.

Якщо існував Ноєв ковчег, то він, очевидно, плив під вітрилами.

Енергія «від вуст Еолу» (мал. 4.1) вперше була використана на вітрильних судах, що служили головним транспортним засобом для перевезення товарів по Нілу в Стародавньому Єгипті.

Давні греки відносили винахід вітрила до тих далеких часів, коли було освоєно вогонь і приручені дикі тварини. У довгому ряду благодіянь, якими Прометей ощасливив рід людський, Есхіл згадує і вітрило: «льняними крилами судна спорядив, і сміливо по морях погнав».

Зі старих документів достеменно відомо, що вже чотири тисячі років тому відважні фінікійці, які жили на східному березі Середземного моря, інтенсивно користувалися вітрилом. Воно було примітивним і недосконалим, але з його допомогою фінікійці допливли до гирла Нілу, де організували жваву торгівлю з єгиптянами, а дві з половиною тисячі років тому навіть зробили перше описане в історії плавання навколо Африки. Перед людьми, що опанували енергію вітру, відкрилися океани. З вітрилом пов'язаний початок освоєння нових земель, нових ринків. Енергія вітру сприяла розвиткові цивілізації.

Мал. 4.1. Зображення міфологічного володаря вітрів – Еолу

Силу вітру цінували і вміли використовувати з давніх часів у багатьох країнах. І хоч на суші енергію вітру ніколи не використовували так широко, як на морі, проте напевне відомо про існування вітряних коліс за тисячі років до нашої ери. Наприклад, у районі Олександрії збереглися залишки вітряних млинів, яким не менше трьох тисяч років. Вавилонці використовували їх для осушення боліт, у Єгипті, на Близькому Сході, у Персії будували вітряні водопідйомники і млини.

За 200 років до нашої ери в Персії для розмелу зерна застосовувалися прості вітряні млини з вертикальною віссю обертання, а ще раніше їх використовували в Китаї.

Такі млини оберталися навколо вертикальної осі подібно обертовій дзизі або іграшковому гіроскопу. Стародавні перські вітромлини виготовлялися кріпленням пучків очерету до дерев'яної рами, що оберталася, коли дув вітер. Стіна, яка оточувала млин, спрямовувала вітер на раму (мал. 4.2).

Зафіксовано згадування про вітряний млин в Ірані в 644 році, коли в обвинувальному акті проти якогось Абу Лулуа, що убив халіфа Умара ібн ал-Каттаба, він названий «будівельником вітряних млинів». Трохи більше ніж через 200 років вітряні млини з'являються в містечку Сієтек на кордоні між Іраном і Афганістаном.

Використання млинів з вертикальною віссю обертання одержало згодом повсюдне поширення в країнах Близького Сходу. Пізніше був розроблений млин з горизонтальною віссю обертання, що складається з десяти дерев'яних стояків, оснащених поперечними вітрилами. Подібний примітивний тип вітряного млина застосовують дотепер у багатьох країнах басейну Середземного моря.

У XI столітті вітряні млини широко використовувалися на Близькому Сході й при поверненні хрестоносців потрапили в Європу. Перше згадування про вітряний млин у Європі, спочатку у Франції, належить до 1105 року: в архівах зберігся дозвіл, виданий якомусь монастиреві на будівлю млина. Французькі хроніки 1180 року й англійські 1190 року вже прямо говорять про працюючі вітряні млини, але ще зовсім не про ті, з якими згодом боровся хитромудрий ідальго Дон Кіхот Ламанчський! Це були незграбні споруди з лопатями, укріпленими на дерев'яному корпусі, що оберталися в горизонтальній площині. За принципом дії англійські та французькі млини були однотипними. У Німеччині перший млин був побудований у 1393 р. З Німеччини вони поширилися в інші країни.

Вітряний млин працею багатьох поколінь удосконалювався і набув більш знайомий нам вигляд. Він виявився істотно простішим водяного, значно дешевшим. Основний його недолік полягав у мінливості енергоносія – вітру.

Вітер – помічник примхливий, тому що швидко і постійно змінює свій напрямок. Ця проблема довгий час заважала використовувати силу вітру. Нарешті, у ХIII столітті було знайдене рішення – вітряне колесо, що за допомогою примітивного важеля поверталося і у такий спосіб крила завжди були підставлені вітру. У рукописі 1270 року, іменованому «Водно-млиновий Псалтир», є зображення одного з перших вітряних млинів.

Представником удосконаленої конструкції цього напрямку є вітряний млин типу «Bock» (мал. 4.3). На дерев'яній нижній рамі, так і званій «Bock», розташовувався корпус млина, який обертався на вертикальній цапфі. За допомогою нахиленої назовні балки корпус млина повертався, і крила встановлювалися в напрямку вітру. На цих млинах протягом сотень років мололи зерно. Вони були надійні, прості та довговічні. У разі потреби мірошники могли вручну власними силами відремонтувати їх. З економічної точки зору використовувати вітряний млин типу «Bock» було настільки вигідно, що влада не могла залишитися осторонь і почала висувати свої вимоги. У середині століття мірошникам доводилося платити своєму феодалові десяту частину виторгу, який давав млин. Єпископ Утрехтський навіть привселюдно оголосив про те, що усі вітри і вітерці провінції є його особистою власністю. Правда, до наших днів не дійшло, чи дув вітер також і тоді, коли його власник йому наказував. Але млини типу «Bock» використовували повсюди.

У XIV столітті ведучими в удосконаленні конструкцій вітряних млинів стали голландці, тому що в Голландії (Нідерландах) ці млини стали основою енергетичної бази. Можна сказати, що ця країна самим своїм існуванням зобов'язана млинам: адже більша частина території Нідерландів («низинної країни» у буквальному перекладі) лежить нижче рівня моря. Саме вітряні двигуни дали можливість провести грандіозні роботи з осушення боліт і відкачки води. Сила вітру була протиставлена силі іншої стихії – морської, що постійно загрожувала затопити землю маленької країни.

Мал. 4.2. Старовинний персидський млин з направляючою вітер стіною

 а б

Мал. 4.3. Загальний вигляд (а) і розріз (б) вітряного млина типу «Bock»

Голландці внесли багато удосконалень в конструкцію вітряних млинів. Останні мали, як правило, чотири дерев'яних крила ґратчастої конструкції з натягнутою на них грубою парусиною. Згортаючи або розгортаючи ці «вітрила», люди відповідно зменшували або збільшували площу крил і в такий спосіб перетворювали мінливу силу вітру у відносно рівномірний хід вітродвигуна. У деяких млинів було до восьми крил (мал. 4.4, 4.5).

Мал. 4.4. Вітряні млини датської фірми «Poul la cour», 1897 р.

Крила деяких вітряних млинів були зроблені цілком з дерева й мали вигляд жалюзі. У них для регулювання напору вітру замість парусини використовували рухливі пластини. У XVI столітті примітивні поперечні вітрила на дерев'яних полицях поступилися місцем вітрилам, закріпленим на дерев'яних брусках із двох сторін маху (мал. 4.6).

Пізніше для поліпшення аеродинамічної форми крил бруски були приєднані до заднього краю. У більш сучасних конструкціях вітрила замінили тонким листовим металом, використовувалися сталеві махи і різні типи жалюзі та щитків для регулювання частоти обертання вітроколеса при великих швидкостях вітру.

Вітряні колеса працювали за тим же принципом, що й водяні, і тому мали дуже великі розміри: розмах крил до 28 м, ширину крил 2 м, а висота всієї баштової конструкції млина досягла 30 м. Великі  вітряні млини при великих швидкостях вітру могли розвивати потужність до 66 кВт.

Мал. 4.5. Український вітряний млин. Фото А. Кремко

Мал. 4.6. Типи парусних крил:
а – найбільш старовинний тип з двостороннім розташуванням крила (біля 1600 р.): 1 – клини; 2 – зрізаний кінець; 3 – мах; б – традиційна форма старовинного датського типу (одна опорна полиця винесена вперед):
1 – полотно вітрила, яке забирається; 2 – опорна полиця; 3 – передня кромка; 4 – кінцева планка;
5 – продольні зв'язки; 6 – рейка; в – крило з жалюзі та повітряним тормозом: 1– жалюзі; 2 – тормозні жалюзі;
г – крило з жалюзі та щитком: 1 – жалюзі; 2 – щиток

Вітряні млини, так само як і водяні, недовго залишалися просто пристосуваннями для перемелювання зерна. У 1582 році в Голландії була побудована перша маслобойня, яка використовувала енергію вітру, у 1586 році – перша паперова фабрика, що задовольняла підвищені вимоги до паперу, зумовлені винаходом друкарського верстату, а в 1592 році з'явилися лісопильні заводи для виробництва лісоматеріалів з використанням енергії вітру. Млини також мололи нюхальний тютюн і пряності, ткали полотно.

Економічний розквіт Голландії, куди Петро I (1672–1725) їздив учитися уму-розуму, у XVI столітті був викликаний саме розвитком вітроенергетики в цій країні. Голландці успішно перейшли від первісного використання вітряків для осушення низьких приморських земель до пристосування млинів як приводу різних виробництв. У результаті Голландія стала найенергоозброєнішою країною в тодішній Європі.

Найбільш вдалу конструкцію вітряного млина ще в XVII столітті запропонував голландець Ян Андріаанезоон (згодом у всьому світі її стали називати «голландською»). За допомогою цього млина він осушив 27 озер, заслуживши у співвітчизників почесне прізвисько «Леегватер» – «спустошувач вод».

Максимальне поширення вітряних млинів у доіндустріальній Європі спостерігалося в 1700-ті роки, коли на рівнинах Німеччини, Італії, Росії, України, Іспанії і, звичайно ж, Голландії – класичної країни вітряних млинів – розмірено обертали свої крила дерев'яні велетні.

У 30-х роках XVIII століття в Голландії працювали 1200 вітроустановок, що охороняли 2/3 країни від зворотного перетворення в болота. А до кінця XIX століття в Голландії їх нараховувалося понад 10 000 (у 1923 р. – тільки 2500, а в наш час – ледь тисяча), а в маленькій Данії – 30 тисяч для побутових цілей і 3 тисячі вітродвигунів, що використовувалися в промисловості.

Вітряний млин у Голландії