Приручение энергии

Греческое слово "энергеа" означает "деятельность". Физики называли сначала энергией способность различных предметов совершать работу. Говорили, например, о потенциальной энергии поднятого вверх молота: падая на наковальню, молот плющит металл - энергия превращается в работу. Чем выше поднят молот, чем он тяжелее, тем больше его потенциальная энергия и тем больше будет работа.

Но после того как было непреложно доказано, что движение материи превращается из одного вида в другой (движение падающего молота превращается, например, в тепло: нагреваются и расплющенный кусок металла, и сам молот), энергией стали называть общую меру различных форм движения материи: и крупных тел, и атомов, и электромагнитных волн, и всякого рода физических полей. Стало возможно измерять различные по внешним признакам движения одним общим "масштабом".-Ученые нашли точные соотношения, по которым одни виды движения (виды энергии, как говорят для удобства) переходят в другие. Так был сформулирован закон сохранения и превращения энергии (см. т. 3 ДЭ, ст. "Механика").

Соответственно многообразию форм движения материи существуют различные виды энергии: механическая (энергия механического движения), тепловая (энергия хаотического движения больших количеств частиц - молекул, атомов и ионов), электромагнитная (энергия электромагнитного поля), ядерная, или атомная (энергия, связанная с взаимодействием ядерных частиц), гравитационная (энергия гравитационного поля - поля тяготения) и др. И подобно тому как из 7 нот образуется все многообразие музыки, так из различных форм энергии образуется все великое разнообразие процессов, бушующих во Вселенной.

Однако, чтобы существующая во Вселенной энергия стала полезной человеку, стала его помощником в работе, он должен был научиться "приручать" ее: преобразовывать один вид энергии в другой, передавать на далекие расстояния и использовать. Эта область человеческой деятельности называется энергетикой. Овладеть энергией можно только с помощью каких-либо устройств и машин. Поэтому вся история технического прогресса - это история изобретения и создания этих устройств и машину

Постепенно человек сумел овладеть энергией ветра, водяного потока, органического топлива: дров, угля, нефти, природного газа. Он начинает осваивать ядерную энергию, энергию Солнца и внутреннего тепла Земли. Он научился пользоваться энергией гравитационного поля Земли, а в последнее время начинает использовать для полета космических станций поля тяготения Луны, планет Солнечной системы и самого Солнца.

Но, пожалуй, самое главное достижение человека - и важнейшая часть энергетики - освоение электрического тока. Этот вид энергии обладает чрезвычайно важным свойством: его относительно легко получать из других видов энергии, передавать на далекие расстояния, дробить на более мелкие "порции", эти "порции" складывать или превращать в иные разновидности энергии: механическую, тепловую, световую и др. Электроэнергия помогла человеку овладеть другими видами энергии, например ядерной. Вот почему, рассказывая об источниках энергии и их использовании, мы неизбежно будем приходить к рассказу о том, как с их-помощью добывать электричество.

Однако прежде всего придется вспомнить еще об одном, самом древнем источнике энергии: о мускулах самого человека и мускулах животных, которых он приручил и заставил работать на себя.

Живые двигатели

Тысячелетиями мускулы человека были тем единственным "двигателем", на который он мог рассчитывать. Лишь в бронзовом веке, т. е. приблизительно с конца IV тысячелетия до н. э., человек начал приручать животных и использовать их в домашнем хозяйстве. До XVII в. мускульная сила людей и животных оставалась основным двигателем.

Животные работали на пахоте, молотьбе, их запрягали в повозки, заставляли носить вьюки с грузом, они приводили в движение водоподъемные колеса и мельничные жернова. Лошади весьма широко использовались в сельском хозяйстве даже в первой половине нашего века! Да и сейчас лошадь порой бывает незаменима: ведь она способна пройти там, где не пройдет никакой автомобиль, никакой трактор...

Мускульная сила человека особенно широко использовалась в гребном флоте. Легкие челноки были известны людям еще в каменном веке, а в эпоху первых рабовладельческих государств существовали уже многовесельные корабли.

На суше рабов заставляли крутить громадные колеса - топчаки. Рабы входили в них и шли там по ступенькам, вращая своей тяжестью топчак, совсем так, как белка колесо. В Древнем Египте топчаки соединялись с водоподъемными колесами, доставлявшими воду из Нила на поля. Топчаки продержались вплоть до конца XIX в. И сейчас еще существуют и гребные шлюпки, и ручные лебедки. Они все еще нужны, без них иногда не обойтись. А в качестве аварийных источников энергии используют электрогенераторы, которые вращают ногами.

Ветер в упряжке

Паруса.
Ветряные мельницы.
Ветряные двигатели

Парусные суда были известны уже в III тысячелетии до н. э. в Древнем Египте, Китае, Финикии. Крупные парусники (кроме учебных судов) исчезли только в начале XX в., когда движущей силой кораблей стали гребной винт и паровая машина. Теперь под парусами ходят лишь небольшие суда: спортивные, учебные. Однако в последние годы начинают выдвигать проекты парусников большого тоннажа с новыми типами парусов. Эти паруса будут ставить с помощью автоматов, не затрачивая никаких усилий. Новые парусники могут оказаться довольно выгодными судами на линиях, соединяющих континенты и проходящих в зоне пассатов, т. е. ветров постоянного направления (они дуют в полосе, отстоящей на 25-30° от экватора).

Ветряные мельницы использовали с незапамятных времен в Древнем Египте и Китае. В низовье Нила до сих пор сохранились остатки каменных мельниц II-I вв. до н. э. Это были так называемые .барабанные мельницы. Колесо с широкими лопастями, параллельными оси, устанавливалось в ящике - барабане так, что половина колеса была в нем, а половина выступала наружу. Ветер давил на лопасти и вращал колесо, а от него жернов.

В VIII-IX вв. крыльчатые мельницы появились в Европе и на Руси. Мельницы мололи зерно, качали воду, а также приводили в движение станки.

Примерно за 3000 лет до н. э. на Средиземном море появились паруса. На рисунке корабль XVI-XVII вв.

Современный ветряной двигатель унаследовал от мельниц ветряное колесо.

В VII в. н. э. персы изобрели мельницу с крыльями. В VIII-IX вв. крыльчатые мельницы появились в Европе и на Руси, а начиная с XIII в. чрезвычайно распространились в Голландии, Дании и Англии. Мельницы не только мололи зерно, но и качали воду (голландцы отвоевали у моря большую часть территории своей страны именно благодаря мельницам!) и приводили в движение станки. В России перед Великой Октябрьской революцией было почти 250 тыс. ветряных мельниц. Их общая мощность достигала примерно 370 МВт, а мощность всех электростанций царской России была чуть больше 1000 МВт.

От мельниц ведут свою родословную и современные ветряные двигатели.

Даровая и неиссякаемая энергия ветра, дующего над территорией нашей страны, оценивается в 10 ТВт - это мощность 1300 таких гигантских электростанций, как крупнейшая в мире Красноярская ГЭС!

Однако распределена эта энергия весьма неравномерно. Кроме того, она очень непостоянна даже там, где ее много: внезапный штиль сменяется свирепой бурей, да и обычный ветер все время меняет скорость. Но несмотря на это, от ветродвигателей никто не собирается отказываться.

Основная часть ветродвигателя - это пропеллер, который называют ветроколесом. У быстроходных двигателей в колесе меньше 4 лопастей, у двигателей средней быстроходности - от 4 до 8, а ветродвигатели с числом лопастей более 8 - тихоходные.

Колеса ветродвигателей устанавливают на высоких башнях. Позади колеса на длинной штанге прикрепляют хвостовую пластину - флюгер, устанавливающий колесо против ветра. Этой же цели служит также и небольшой ветрячок - виндроза. Как только ветер меняет направление, виндроза начинает вращаться и через шестеренчатую передачу поворачивает ветроколесо до тех пор, пока оно не станет перпендикулярно к ветру. Тогда виндроза сама собой останавливается.

Частота вращения ветроколеса зависит не от диаметра колеса, а от числа лопастей и от скорости ветра; когда скорость ветра возрастает всего в 2 раза, частота вращения увеличивается в 8 раз.

Мощность ветродвигателя зависит от размеров колеса. Например, советский двигатель Д-18 с колесом диаметром 18 м при скорости ветра 8 м/с развивает мощность 27 кВт, а мощность двигателя Д-30 (с колесом диаметром 30 м) при той же скорости ветра составляет 77 кВт.

Ветроэлектрические станции

Чаще всего ветродвигатель соединяют с электрогенератором - создают ветроэлектрическую станцию. Первую такую электростанцию в СССР соорудили в 1930 г. в городе Курске по проекту изобретателя А. Г. Уфимцева и профессора В. П. Ветчинкина. Ее мощность была всего 8 кВт. В 1931 г. близ Севастополя построили станцию мощностью 100 кВт, а в 50-х годах в Казахстане - станцию мощностью 400 кВт (12 ветроагрегатов, по 34 кВт каждый). Ветроэлектростанции сооружены и в других странах.

Электрогенератор обычно ставят сразу же за колесом ветродвигателя, а иногда на земле и в этом случае делают к нему механическую передачу с помощью длинного вала. В последнее время созданы ветродвигатели с пневматической передачей. Лопасти ветродвигателя полые и соединены трубопроводом с воздушной турбиной, установленной на земле. Когда ветроколесо вращается, воздух из лопастей с большой скоростью выбрасывается наружу, в трубопроводе создается мощный поток воздуха, вращающий турбину, и она вращает электрогенератор.

Чтобы вырабатывать электроэнергию в штиль или тогда, когда ветер слаб, рядом с ветроэлектроетанцией устанавливают дизельный энергоагрегат, а маломощные станции снабжают батареями электрических аккумуляторов.

Существуют ветродвигатели, предназначенные не для выработки электроэнергии, а, например, для подъема воды из колодцев. Такие ветродвигатели установлены в Поволжье, а также Казахстане, Узбекистане и других республиках, где они работают 250-300 дней в году.

В мире сейчас действует более 600 тыс. различных ветроустановок. Больше всего (около 250 тыс.) их в Австралии, на овечьих пастбищах, где с их помощью качают воду из колодцев.

В энергетике нашей страны роль ветряков незначительна: это лишь вспомогательные двигатели.

перейти к началу страницы