Мощность ветра

История обуздания ветра с помощью стационарных источников мощности (в противоположность более долгой истории его превращения в движение с помощью парусов) и эволюция ветряных мельниц до сложных и мощных машин начала индустриальной эры хорошо описана и в общих, и в специализированных национальных обзорах. Значимый вклад в первую категорию внесли Freese (1957), Needham (1965), Reynolds (1970), Minchinton (1980) и Denny (2007). Интересные исследования по отдельным странам написали: Skilton (1947) и Wails (1975) по британским мельницам, Boonenburg (1952), Stockhuyzen (1963) и Husslage (1965) по наиболее часто упоминаемым голландским, и Wolff (1900), Torrey (1976), Baker (2006) и Righter (2008) по американским, которые сыграли ключевую, но до сих пор недооцененную роль в освоении Запада. Ветряные мельницы стали наиболее мощными первичными движителями доиндустриальной эпохи на равнинах, где почти полное отсутствие потоков с перепадом высот исключало возможность создания маленьких водяных мельниц (в Нидерландах, Дании и части Англии) и в пустынных регионах Азии и Европы, где сильны сезонные ветра.

Вклад ветряных мельниц в интенсификацию мировой экономики был не таким значительным, как в случае с водяными, большей частью потому, что в конечном итоге их широко использовали лишь в некоторых частях атлантической Европы. Первые записи о европейских ветряных мельницах относятся к последним десятилетиям XII века. Согласно исследованиям (Lewis 1993), ветряные мельницы распространились поначалу из Персии на территорию Византии, где они превратились в вертикальные машины, с которыми и столкнулись крестоносцы из Европы. В отличие от восточных машин, чьи лопасти вращались в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, эти мельницы монтировались вертикально на горизонтальной оси, и ведущий вал можно было поворачивать под ветер. За исключением иберийских восьмиугольных парусных мельниц, где использовались треугольные отрезы ткани (заимствованные из восточного Средиземноморья), все остальные машины в Европе тогда относились к классу столбовых мельниц. Их деревянный корпус, передачи и жернова вращались на массивном центральном столбе, который поддерживали четыре мощные диагональные балки (рис. 4.12).

Рисунок 4.12. Столбовая ветряная мельница. Главный деревянный, почти всегда дубовый столб, на котором держится вся структура, зафиксирован четырьмя балками, прикрепленными к массивному фундаменту. Вращение мельницы передается на жернов передачей типа «фонарь-и-корона», и доступ внутрь возможен только по лестнице. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Поскольку они не могли самостоятельно поворачиваться, когда менялось направление ветра, их приходилось разворачивать вручную. Подобные мельницы были нестабильны при сильных ветрах и уязвимы перед лицом штормов, а сравнительно малая высота ограничивала их эффективность (примечание 4.8).

Примечание 4.8. Энергия и мощность ветра

Средняя скорость ветра увеличивается с высотой, а значит, его мощность тоже растет. Например, на высоте в 20 метров над землей мощность будет примерно на 22 % выше, чем на высоте в 5 м. Кинетическая энергия 1 м³ воздуха (в джоулях) равняется 0,5pv², где р – плотность воздуха (около 0,12 кг/м³ у поверхности), a v – средняя скорость ветра (в м/с). Мощность ветра (в ваттах) является продуктом энергии ветра, площади лопастей, расположенной перпендикулярно направлению ветра (А, в м²), и скорости ветра в кубе: 0,5pAV³. Поскольку мощность ветра увеличивается в кубе средней скорости, удвоение скорости повышает доступную мощность в восемь раз. Первые (сравнительно тяжелые и неудачно устроенные) ветряные мельницы нуждались в ветрах, дующих со скоростью минимум 25 км/ч (7 м/с), чтобы начать работать. При более низких скоростях они просто медленно поворачивались, но уже при скорости ветра более 10 м/с площадь лопастей нужно было сокращать (и полностью сворачивать ткань при скорости выше 12 м/с), что обеспечивало только узкий ветровой коридор и малое количество часов (5–7 в день) ежедневной полезной работы (Denny 2007).

Все эти факторы обусловили превосходство местностей с постоянными сильными ветрами. Поздние мельницы, более эффективные, с мягкими передачами и хорошей смазкой функционировали при ветрах быстрее чем 4 м/с, обеспечивая 10–12 часов полезной работы в день. Доиндустриальные общества могли пользоваться только потоками, дующими рядом с землей, и размах лопастей большинства мельниц был менее 10 метров. Ветряные потоки имеют большую вариативность во времени и пространстве, и даже в благоприятных районах средняя годовая скорость ветра варьируется на 30 %, а перемещение машины всего на 30–50 метров может уменьшить или увеличить среднюю скорость вдвое. Ограниченные возможности транспорта доиндустриальной эпохи затрудняли освоение самых ветреных местностей, и мельницы часто оставались неподвижными. Никакая машина не может извлечь всю мощность из ветра: это потребовало бы полностью остановить его поток. Максимальная извлекаемая мощность равняется 16/27 или около 60 % кинетической энергии потока (Betz 1926). Реальная эффективность для мельниц доиндустриальной эпохи была 20–30 %. Башенная мельница XVIII века с диаметром лопастей в 20 м, таким образом, имела теоретическую мощность около 189 кВт при скорости 10 м/с, но поставляла менее 50 кВт.

Столбовые мельницы продолжали работать в отдельных местностях восточной Европы до XX столетия, а в западной их постепенно заменили привычные для нас башенные мельницы. В них только верхушка поворачивалась под ветер, с земли или с галерей, если башня была высокой. Восьмиугольные мельницы-коптильни с деревянной рамой обычно покрывали гонтом или дранкой. Другие, настоящие башенные мельницы, были круглыми, сложенными из камня. Только после 1745 года, когда в Англии начали использовать хвостовик, появилась возможность обеспечить автоматический поворот механизма в ту сторону, откуда дует ветер. Любопытно, но голландцы, обладатели самого большого количества ветряных мельниц в Европе, приняли это нововведение только в начале XIX века.

Но голландцы первыми освоили более эффективную форму лопастей. Они начали добавлять перпендикулярные боковые планки на плоские лопасти около 1600 года. Получившийся в результате изгиб дал лопастям больше подъемной силы, уменьшив сопротивление. Более поздние инновации включали в себя улучшения в креплении лопастей, чугунные зубчатые передачи и центробежный регулятор оборотов. Такое устройство решило сложную и часто опасную задачу управления парусиной при разной скорости ветра. К концу XIX века англичане начали использовать настоящие аэродинамические профили с четко рассчитанной формой. Помол зерна и откачка воды (в том числе на кораблях, где использовались маленькие переносные машины) были главными областями приложения. Ветряные мельницы также использовали и в Европе, и в исламском мире для измельчения и прессования (мела, сахарного тростника, зерен горчицы и какао), для изготовления бумаги, распила дерева и операций с металлом (Hill 1984).

В Нидерландах мельницы выполняли все эти задачи, но наиболее важный вклад они внесли в осушение низменностей и в превращение польдеров в поля. Первые мельницы, предназначенные для этой цели, появились в Голландии в начале XV века, но широко распространились только в шестнадцатом. Пустостолбовые (не нашла такого термина) wipmolen вращали большие деревянные колеса с черпаками, а мобильные (передвижные?) tjasker меньшего размера приводили в движение архимедовы винты, но только эффективные башенные мельницы смогли обеспечить мощность, необходимую для крупномасштабного осушения польдеров. В музее Зансе-Сханс в Северной Голландии представлены 600 ветряных мельниц, несколько были построены после 1574 года (Zaanse Schans 2015). Самые высокие голландские мельницы (33 м) находились в Схидаме (пять из оригинальных тридцати все еще стоят), где они мололи зерно, необходимое для производства голландского джина.

Старые американские мельницы наподобие тех, что на побережье Массачусетса, часто использовались для добычи соли, но их количество оставалось небольшим. Новые американские мельницы появились сразу после середины XIX века, когда началась экспансия на запад через Великие Равнины. Здесь нельзя было использовать маленькие водяные мельницы из-за нехватки небольших водных потоков и скудости осадков, а воду приходилось качать из колодцев. По сравнению с мощными тяжелыми и дорогими голландскими мельницами (они имели несколько больших и широких лопастей) американские были меньше, проще, удобнее, но при этом оставались эффективными машинами, которые могли обслуживать железнодорожные станции и фермы.

Рисунок 4.13. Ветряная мельница Халладэя. В последнее десятилетие XIX века ветряные мельницы такого типа были самыми популярными в США. Они широко использовались на железнодорожных станциях, где качали необходимую для паровозов воду. Воспроизведено из Wolff (1900)

Американские мельницы обычно состояли из большого числа узких лопастей, прикрепленных к цельным или составным колесам, и оснащались центробежным либо боковым регулятором оборотов и независимыми рулями. Помещенные на вершину решетчатой башни в 6-25 метров высотой, они использовались для перекачки воды – для домашних хозяйств, крупного рогатого скота, паровых локомотивов (рис. 4.13). Подобные мельницы, колючая проволока и железные дороги стали образцовыми инструментами, которые помогли освоить Великие Равнины (Wilson 1999). Оценки (Daugherty 1927) показывают, что мощность всех ветряных мельниц в США с 1849 по 1899 год выросла с около 320 МВт до почти 500 МВт и достигла пика в 625 Мвт в 1919 году

У нас нет информации о мощности самых первых мельниц, экспериментальные данные имеются только с конца 1750-х годов, когда Джон Смитон приравнял мощность средней голландской мельницы с лопастями в 9 м к мощности десяти человек или двух лошадей (Smeaton 1759). Этот расчет, базировавшийся на измерениях с помощью маленькой модели, был подтвержден реальной эффективностью при выдавливании растительного масла. Мельница давала верхнему камню жернова семь оборотов в минуту, а две лошади едва могли обеспечить 3,5 оборота за то же самое время. Типичная большая голландская мельница XVIII века с размахом крыльев в 30 м могла дать около 7,5 кВт (Forbes 1958). Современные измерения на хорошо сохранившейся голландской осушительной мельнице 1648 года показали, что она способна поднять 35 кубометров воды при скорости ветра 8–9 м/с, что дает мощность на главном валу порядка 30 кВт, но большие потери при передаче снижают полезную выработку до менее 12 кВт.

Все эти результаты подтверждают сравнение традиционных первичных движителей (Rankine 1866). Автор оценил столбовые мельницы как способные выдать 1,5–6 кВт полезной мощности, башенные – 4,5-10,5 кВт. Измерения на американских мельницах определили их полезную мощность от едва 30 Вт для мельницы в 2,5 м до 1000 Вт для больших машин в 7,6 м (Wolff 1900). Типичные цифры (в терминах полезной энергии) составляли 0,1–1 кВт для мельниц в США XIX века, 1–2 кВт для маленьких и 2–5 кВт для больших столбовых мельниц, 4–8 кВт для башенных и 8-12 кВт для крупнейших машин того же XIX века. Все это означает, что типичные средневековые ветряные мельницы были сравнимы по мощности с современными им водяными, но к началу XIX века многие водяные мельницы могли выдавать в пять раз больше мощности, чем крупнейшие башенные ветряные, и разница только выросла с появлением водяных турбин.

Как и в случае с водяными мельницами, вклад ветряных, используемых в качестве источников стационарной мощности, достиг пика в XIX веке. В Великобритании их количество составляло 10 тысяч в 1800 году, в конце XIX века 12 тысяч работали в Нидерландах и 18 тысяч в Германии, и к 1900 году около 30 тысяч мельниц (с общей мощность в 100 МВт) имелось в странах побережья Северного моря (De Zeeuw 1978). В США несколько миллионов мельниц было построено между 1860 и 1900 годами, во время расширения страны на запад; их число начало уменьшаться только в 1920-х годах. В 1889 году было 77 производителей, самые успешные из них Халладэй, Адамс и Бухэнан (Baker 2006). Большое число водооткачивающих мельниц американского типа использовалось в XX веке в Австралии, Южной Африке и Аргентине.