Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

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)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) 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 Ветчинкін  Микола Валентинович Красовський  Григорій Харлампійович Сабінін  Георгій 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 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.