Бог проявив щедрість,
коли подарував світу таку людину...

Світлані Плачковій присвячується

Видання присвячується дружині, другу й соратнику,
автору ідеї, ініціатору й організатору написання цих книг
Світлані Григорівні Плачковій, що стало її останнім
внеском у свою улюблену галузь – енергетику.

Книга 1. Від вогню та води до електрики

4.5. Внесок науки у вирішення проблеми вітрокористування

Будівництво вітряних млинів на першому етапі ґрунтувалося лише на багаторічному досвіді. Майстри вчили наступні покоління не по книгах, а в ході практичної роботи. Відпрацьовуючи форми і методи випробувань своїх млинів, вони вкладали в загальну справу свій внесок, кожен успіх або невдача були прикладом для інших, сприяли поступовому нагромадженню досвіду.

У XVIII столітті в Європі зароджується машинно-фабричне виробництво. Це послужило імпульсом для розвитку науки і винахідництва, сприяло появі наукового підходу до вирішення проблеми вітровикористання.

Перехід від дослідів до 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 великий російський учений М.В. 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.В. Клосовський (1846–1917). До цього ж періоду відноситься і поява в більш систематизованому вигляді теорії вітродвигуна.

Микола Єгорович Жуковський (1847–1921)Микола Єгорович Жуковський (1847–1921)Вирішальне значення для всього наступного розвитку науки і техніки мали роботи М.Є. Жуковського (1847–1921), С.О. Чаплигіна (1869–1942), Л. Прандтля (1875– 1953) і багатьох інших учених-механіків з теорії крила, повітряного гвинта, пограничного шару (1904, 1905, 1910).

У 1905 р. М.Є. Жуковський розкрив механізм виникнення підйомної сили і вивів теорему, що визначає її кількісно, у своїй знаменитій праці «Про приєднані вихори». Цими дослідженнями були закладені основи аеродинаміки як науки.

Введення в механіку в широких масштабах дослідного (експериментального) методу – одна з великих заслуг М.Є. Жуковського. Він і К.Е. Ціолковський (1857–1935) одними з перших почали в Росії створювати аеродинамічні труби. Свою трубу, побудовану в 1897 р., К.Е. Ціолковський назвав «повітродувкою». У 1902 р. М.Є. 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.Є. Жуковського і С.О. Чаплигіна починається епоха бурхливого розвитку теорії крила. Праці  М.Є. Жуковського «Про приєднані вихори» і «Про контури підтримуючих поверхонь аеропланів», С.О. Чаплигіна «Про тиск плоскопаралельного потоку на тіла, що на перешкоді» і «До загальної теорії крила моноплану» по суті містять всі основні відомості про роботу профілю крила в нестисненому газі.

Сергій Олексійович Чаплигін (1869–1942) Сергій Олексійович Чаплигін (1869–1942) Мало було досліджень, які привели б до такого бурхливого розвитку науки і знайшли б стільки послідовників, як ці роботи Жуковського і Чаплигіна, що були довгі роки в центрі аеродинаміки. Усі дослідження з теорії крила і гвинта так чи інакше пов'язані з цими роботами.

Юрій Васильович Кондратюк (1897–1942), він же Олександр Ігнатович Шаргей – наш співвітчизник, один із засновників теоретичної космонавтики, видатний механік та вітроенергетик, винахідник.
Народився в Полтаві в сім'ї студента Київського університету Ігнатія Шаргея і вчительки Людмили Шаргей, закінчив у 1916 р. з медаллю Другу полтавську чоловічу гімназію і в тому ж році став студентом механічного відділення Петербурзького політехнічного інституту. У тому ж році був призваний на військову службу (на курси прапорщиків одного з петербурзьких юнкерських училищ). У роки громадянської війни як офіцер царської армії був двічі силоміць мобілізований в білу армію і обидва рази дезертирує з неї. При останній втечі Шаргей втрачає всі документи, що залишилися в штабі однієї з частин денікінської армії (чим і була спричинена повна зміна імені, по батькові та прізвища).

 У 1912 р. видаються «Теоретичні основи повітроплавання» М.Є. Жуковського. У них підведено підсумок численним результатам експериментальних досліджень, накопичених на той час, викладені роботи, що проводилися в російських аеродинамічних лабораторіях під керівництвом М.Є. Жуковського і у закордонних лабораторіях під керівництвом Л. Прандтля (Німеччина), Г. Ейфеля (Франція), А. Цама (США) та ін. Влітку цього ж року М.Є. Жуковський надіслав екземпляри цього видання Л. Прандтлю, Г.Ейфелю (1832–1923), С.К. Джевецькому (1843–1938) та іншим вченим. Книга була високо оцінена іноземними вченими і у 1916 р. надрукована в Парижі французькою мовою в перекладі С.К. Джевецького.

Розвиток авіації, величезний успіх якої зобов'язаний творцеві аеродинаміки, видатному російському вченому М.Є. Жуковському, забезпечив умови для вирішення по-новому теоретичних питань використання енергії вітру.

У 1914–1918 рр. М.Є. Жуковський і його учні В.П. Ветчинкін, Г.Х. Сабінін, М.В. Красовський, Г.Ф. Проскура та інші вперше створюють теорію вітродвигунів.

Теорія й випробування крила і гвинта літака застосовуються і для вивчення явищ, що відбуваються при проходженні повітряного потоку через вітрове колесо.

Теорію ідеального вітроколеса вперше розробив у 1914 р. В.П. Ветчинкін (1888–1950) на основі теорії ідеального гребного гвинта. У цій роботі він встановив поняття коефіцієнту використання енергії вітру ідеальним вітроколесом.

У 1920 р. М.Є. Жуковський виклав теорію «вітряного млину типу МЄЖ», де виведено коефіцієнт використання енергії вітру ідеальним вітроколесом. Аналогічні теорії були розроблені пізніше в Росії професором Г.Х. Сабініним і в Україні харківським вченим академіком АН УРСР Г.Ф. Проскурою (1876–1958).

Володимир Петрович  ВетчинкінВолодимир Петрович Ветчинкін  Микола Валентинович КрасовськийМикола Валентинович Красовський  Григорій Харлампійович СабінінГригорій Харлампійович Сабінін  Георгій Федорович ПроскураГеоргій Федорович Проскура

Вчені, що зробили значний внесок у створення теорії і проектування вітродвигунів

Теорія ідеального вітроколеса М.Є. Жуковського одержала назву класичної теорії. Вона встановлює, що максимальний коефіцієнт використання енергії вітру ідеальним вітроколесом дорівнює 0,593.

Найбільш повно з погляду практичного застосування теорія ідеального вітроколеса викладена професором Г.Х. Сабініним. Відповідно до його теорії максимальний коефіцієнт використання енергії вітру вітроколесом дорівнює 0,687. Г.Х. Сабініним розроблена також теорія реального вітроколеса.

У світі було небагато вчених, що займалися аеродинамікою вітроколеса: 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).

У.Хюттер запатентував кілька 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 в дослідженнях. На кінцівку однієї з лопатей вітроколеса встановлювалася димова шашка, яка при запуску підпалювалася електричним струмом. Спіральний димовий слід, що йшов за площину обертання, збоку фіксувався на фото-, кіноабо відеоплівку (мал. 4.24). Дешифрування знімків дозволяло судити про ефективність роботи вітроколеса в конкретні моменти часу, коли записувалась швидкість вітру, яка вимірювалась на метеовишці.

Створення теоретичних основ використання енергії вітру активізувало роботу винахідників і конструкторів. Ще до революції російський винахідник О.Г. Уфімцев, названий О.М. Горьким «поетом технічної думки», розробив проект вітрової електричної станції (ВЕС), в якої 56 вітрових електричних установок (ВЕУ) з діаметром вітроколіс по 40 м на висоті 350 м над рівнем землі при швидкості вітру 9 м/с мали виробляти енергію потужністю 100 МВт. Цей проект і в наші дні не втратив актуальності, до того ж будівельники давно вже споруджують об'єкти такої і навіть більшої висоти.

У Франції в 1925 р. і в США в 1926 р. запатентований вітродвигун Дар'є. У 1926 р. фінський інженер Савоніус сконструював роторний, або карусельний, вітродвигун. У Моравії ця конструкція була багато в чому поліпшена Антоніном Кунцем.

На початку 30-х років у СРСР вперше розроблялася ВЕС потужністю 2–25 тисяч кВт. До цього потужність таких станцій у світі не перевищувала 100 кВт. Робота мала величезне державне значення. У 1932 р. у конкурсі  по проектуванню надпотужної ВЕС бере участь Ю.В. Кондратюк (1897–1941).

Мал. 4.24. Слід димової шашки, встановленої на кінці однієї з лопатей вітроколесаМал. 4.24. Слід димової шашки, встановленої на кінці однієї з лопатей вітроколеса

У квітні 1933 р. експертиза проектів ВЕС закінчилася перемогою ескізних проектів Ю.В. Кондратюка й Українського інституту промислової енергетики (УІПЕ, м. Харків). Одержавши напуття наркома Г.К. Орджонікідзе, Юрій Васильович приїжджає в Харків, де зі своїм колективом працює над технічним проектом ВЕС паралельно з групою УІПЕ.

Влітку 1934 р. академічна експертиза рекомендує проект Кондратюка до будівництва. Г.К. Орджонікідзе створює в Москві контору з будівництва КримВЕС, яка під науковим керівництвом Юрія Васильовича розробляє робочий проект небувалої станції. У 1936 р. почалося її будівництво на Ай-Петрі. Ю.В. Кондратюк спроектував ВЕС на 12 тис. кВт, рівної якій за потужністю немає в світі і понині. Після смерті Орджонікідзе ця робота була згорнута.

У Радянському Союзі під керівництвом професора В.М. Андріанова були теоретично розроблені і експериментально перевірені основні питання паралельної роботи ВЕС з невітровими електростанціями та енергосистемою. Під керівництвом професора Є.М. Фатєєва досліджувалися основи агрегатування і методи раціональної експлуатації ВЕУ. Під керівництвом професора М.В. Красовського і доктора технічних наук Г.А. Гриневича вивчалися енергоресурси вітру.

До середини 30-х років XX століття світове співтовариство вже мало у своєму розпорядженні аеродинамічні профілі високої якості для лопатей вітроколіс, установки, в яких можна було продувати різні моделі ВЕУ, ряд наукових закладів, в яких розроблялися й удосконалювалися методи розрахунку і проектування ВЕС, що було гарною основою для розвитку світової вітротехніки.

  • Попередня:
    4.4. Типи вітряних млинів
  • Читати далі:
    4.6. Створення перших вітроелектростанцій
  •