Под «ветроэнергетикой» в широком смысле слова понимают совокупность знаний и технологий, относящихся к преобразованию неуправляемой кинетической энергии ветра в полезную людям энергию.

Первые шаги в этом направлении человечество сделало с изобретением древними египтянами 5500 лет назад паруса, который превращал бесполезную и даже вредную для человека неуправляемую кинетическую энергию ветра в кинетическую же энергию целенаправленного движения парусного судна.

Следующим судьбоносным событием в освоении энергии ветра стало изобретение ветряной мельницы (Персия, Х в. н.э.). Об этих важных для человечества и интересных для читателя этапах развития ветроэнергетики (рассматриваемой именно в широком смысле) речь шла в статье «Люди и ветер. «Механическая эра» истории», опубликованной в №6 нашего журнала за 2020 г.

Далее, вплоть до ХІХ века, в ветроэнергетике знаковые события не происходили. Но в 1831 году великий английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Результаты его исследований начали эру электрификации в истории человечества.

Стало понятно, что у природы существует неизвестный ранее вид энергии, который получил название «электроэнергия», является универсальным и имеет немалые преимущества (в плане практического использования) перед известными на то время другими видами энергии. Фарадею и его последователям – физикам и инженерам – удалось разработать устройства для генерации электрического тока, которые превращают в электроэнергию механическую энергию вращения.

Естественно, что вскоре специалисты задумались над созданием установки, которая, подобно ветряной мельнице, превращает прямолинейное движение ветрового потока во вращательное движение лопастей (по закону Бернулли) и вала, и, далее, по закону Фарадея, генерирует электроэнергию.

Первая такая ветровая электроустановка (ВЭУ) была построена в Шотландии в июле 1887 года профессором Джеймсом Блисом. Она имела высоту 10 м, была установлена в саду его дачи в Марикирке и использовалась для зарядки аккумуляторов для питания освещения в коттедже.

Блис предложил избыточное электричество жителям Мерикирка для освещения главной улицы, однако они отклонили предложение, поскольку думали, что электричество было «работой дьявола». Хотя позже он приспособил ВЭУ для обеспечения аварийного питания в местной больнице, изобретение так и не завоевало популярности, поскольку эта технология не была экономически жизнеспособной.

Итак, следуя изложенной хронологии событий, 1887 год вполне обоснованно считать годом начала «электрической эры» в истории ветроэнергетики.

Дальнейшее развитие ветроэнергетики переносится в Северную Америку.

В течение зимы 1887–88 гг. Чарльз Браш, один из основателей американской электрической индустрии, построил то, что сегодня называется первой автоматически управляемой ветровой установкой для производства электроэнергии. Диаметр ротора составлял 17 м, ротор имел 144 лопасти, изготовленные из кедра. Турбина проработала 20 лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под турбиной.

Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт.

В 1891 году датчанин Поль ля Кур разработал электропривод с генератором, который позволял подключаться к наиболее эффективным в то время по своей конструкции ветряным мельницам и производить электроэнергию. К концу Первой мировой войны подобные установки, мощностью до 25 кВт, получили широкое распространение в Дании.

В 1897 году он построил модифицированный вариант ветряка, который проработал 30 лет. Ля Кура по праву считают основателем ветроэнергетической науки. Наиболее весомые результаты его научных исследований:

- аэродинамическая труба для продувки моделей ветряных мельниц, чтобы добиться оптимальной формы лопастей ветряной турбины;

- первые результаты по проблемам неравномерности производства энергии от ветряной электростанции и её потребления;

- впервые использует электроэнергию от ВЭУ для производства водорода электролизом. Согласно идеям ля Кура водород используется для освещения, сварки, производства удобрений, а также для аккумулирования электроэнергии;

- Поль ля Кур является автором первых специальных курсов по ветроэнергетике, основателем первой в мире научной школы по ветроэнергетике.

На территории Советского Союза (СССР) самой старшей является ВЭУ мощностью 0.0035 МВт, разработанная русским изобретателем Анатолием Георгиевичем Уфимцевим и реализованная под его руководством в 1931 г. в российском городе Курске.

ВЭУ имела три лопасти длиной по 10 м, расположенные на высоте 42 м над землей. ВЭУ проработала до 1936 г. Электроэнергии, что она производила, хватало для стабильного освещения мастерской и квартиры изобретателя.

Интересна характерная для советского времени история Крымской ВЭС. Инициатором её создания был нарком (министр) тяжёлой промышленности СССР Серго Орджоникидзе. Он отдыхал в начале 1930-х годов у Чёрного моря и страдал от перебоев с электричеством. Наркому пришла в голову мысль построить в Крыму мощную ветровую электростанцию (ВЭС).

Для выполнения проекта ВЭС был объявлен всесоюзный конкурс. В это время в Новосибирске жил полтавчанин Юрий Васильевич Кондратюк, куда он был безосновательно сослан. Сегодня этот человек известен во всём мире как создатель теории межпланетного полёта, которая в чистом виде, без дополнений, спустя целых сорок лет была использована американцами в полёте на Луну. Ю.В. Кондратюк начал выполнять проект ВЭС. Эскизное проектирование было завершено в ноябре 1932 г. На конкурсе ВЭС проект Ю.В. Кондратюка был признан лучшим.

Окончательно технический проект был доработан к середине февраля 1934 г. В 1937 г. на горе Ай-Петри в Крыму по подготовленным рабочим чертежам началось строительство фундамента ВЭС.

На этот проект Кондратюк потратил почти шесть лет работы. Проектная мощность ВЭС составляла 12 МВт, что почти в два раза превышало мощность первой советской исследовательской атомной электростанции.

ВЭУ Кондратюка состояла из железобетонного трубчатого ствола, который конической основой опирался на подпятник. Ствол имел высоту 150 м. На вершине ствола установлено машинное отделение с генератором и ветроколесом с четырьмя лопастями диаметром 80 м.

Существовал и другой вариант проекта – на 165-метровой башне на двух ярусах размещались два ветроколеса диаметром 80 м каждое.

В феврале 1937 года погиб инициатор создания ВЭС – Серго Орджоникидзе. И уже в 1938 г. Главэнерго СССР приняло решение о прекращении проектирования и строительства мощных ветроэлектростанций.

В 1941 г. на холме Грандпас-Ноб, (шт. Вермонт, США), был построен генератор фирмы «Smith-Putnam», рассчитанный на мощность 1250 кВт при скорости ветра 60 км/ч. Высота башни была 33 м, каждая из двух лопастей весила 8 тонн при их общей длине 54 м.

Этот генератор поставлял в сеть энергетической системы электроэнергию в течение 3.5 лет. Энергетическая компания, в составе которой работал ветрогенератор, использовала его в комбинации с гидрогенератором, который отключался в периоды наличии хорошего ветра. Однако в 1945 г. внезапный сильный ветер сломал одну из лопастей, отбросив её на 280 м. Недостаток материала во время войны помешал восстановлению ветродвигателя, но его работа всё же доказала возможность использования ветра для получения промышленной энергии.

После Первой мировой войны энергетики почти полностью потеряли интерес к ветроэнергетике. Дело в том, что в то время геологи уже открыли значительное количество месторождений органического топлива – газа, нефти, угля – расположенных во многих странах мира. Цены на энергоносители не включали в себя ни политической, ни экологической составляющих, что обесценивало преимущества ветроэнергетики.

Интерес к ней вернулся в 70-х годах ХХ в. после того, как большинство стран-поставщиков нефти, объединившись, начали торговать нефтью по нерыночным принципам. В ответ государства некоторых развитых стран мира (Дании, США, Германии) «сделали ставку» на развитие ветроэнергетики. Государственную поддержку получили научно-технические инновации в ветроэнергетике.

Законы физики утверждают, что объём электроэнергии, произведенной ВЭУ в течение единицы времени, прямо пропорционален площади ометаемой поверхности ветроколеса (или квадрату диаметра ветроколеса) и кубу скорости ветра. Поэтому, значительные усилия разработчики ВЭУ прилагают к увеличению длины лопастей ВЭУ и к увеличению высоты оси ротора. Следствием последнего и является увеличение скорости ветрового потока из-за уменьшения его трения о землю.

Характерная современная ВЭУ представляет собой грандиозное сооружение с тремя лопастями на горизонтальной оси, расположенной на высоте не менее 100 м. Ветроколесо имеет диаметр 150 м. (Таким образом, площадь ометаемой поверхности ветроколеса более чем в два раза превышает площадь футбольного поля!). Мощность такой ВЭУ составляет 5 МВт (5000 кВт).

Уже в начале XXI века ветроэнергетика стала наиболее инвестиционно-привлекательной отраслью мировой электроэнергетики. Её мощные ВЭУ производят электроэнергию экологически чистую, экономически выгодную и политически независимую.

С.А. Кудря, член-корреспондент НАН Украины, д.т.н., директор Института возобновляемой энергетики НАН Украины, заведующий отделом ветроэнергетики;
Б.Г. Тучинский, к.э.н., старший исследователь, с.н.с. отдела ветроэнергетики Института возобновляемой энергетики НАН Украины