Ветроэнергетические установки



В. К. ВЛАСОВ 
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ  
УСТАНОВКИ 
Монография 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 551.55 
ББК 31.62+26.233 
В58 
Р  е  ц е н з  е н т ы  :  
заведующий объединенной лабораторией института гидроэнергетики  
и возобновляемых источников энергии  
(НИУ «Московский энергетический институт») В. Я. Шеин; 
кандидат технических наук, доцент кафедры техники и электрофизики высоких 
напряжений (НИУ «Московский энергетический институт») С. С. Жуликов 
Власов, В. К.  
В58  
Ветроэнергетические установки : монография / В. К. Власов. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 316 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0843-1 
Рассмотрены ресурсы ветроэнергетики. Приведены закономерности поведения ветра при взаимодействии с препятствиями, энергетические характеристики ветра. Подробно описаны первые опыты получения электроэнергии из 
ветра. Показана динамика развития ветроэнергетики как в масштабах мира, так 
и в отдельных лидирующих в этой отрасли странах. Освещены вопросы конструкций ветрогенераторов морского базирования. Дан обзор развития ветрогенераторов альтернативного типа: роторные, спиральные, вибрационные, летающие, а также приведены реализованные проекты, объединяющие ветроэнергетику с архитектурой. 
Для широкого круга читателей, исследователей, любителей техники и разработчиков объектов альтернативной энергетики, изобретателей. 
УДК 551.55 
ББК 31.62+26.233 
ISBN 978-5-9729-0843-1  ” Власов В. К., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
ОТ АВТОРА 
........................................................................................................... 6 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.................................................................................................. 7 
 
ЧАСТЬ 1. РЕСУРСЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ 
Глава 1. Ветер ........................................................................................................ 10 
Глава 2. Скорость и сила ветра ............................................................................ 18 
Глава 3. Характер ветра ........................................................................................ 24 
 
3.1. Профиль ................................................................................................ 24 
 
3.2. Ускорение и турбулентность .............................................................. 27 
 
3.3. Устойчивость ........................................................................................ 28 
 
3.4. Мощность 
.............................................................................................. 30 
Глава 4. Отбор мощности ветра 
........................................................................... 31 
 
4.1. Аэродинамический КПД ..................................................................... 31 
 
4.2. Лобовой удар ........................................................................................ 32 
 
4.3. Атака под углом ................................................................................... 35 
 
4.4. Сила Магнуса 
........................................................................................ 40 
Глава 5. Ресурсы ветроэнергетики ...................................................................... 43 
Глава 6. Ветроэнергетические установки ........................................................... 48 
 
6.1. Виды и область применения ............................................................... 48 
 
6.2. Ветроагрегат ......................................................................................... 52 
Глава 7. Ветродвигатель ....................................................................................... 54 
 
7.1. Аэродинамическая поверхность 
......................................................... 54 
 
7.2. Классификация ..................................................................................... 57 
 
7.3. Ротационные ......................................................................................... 59 
7.3.1. Ветроколёсные ............................................................................ 59 
7.3.2. Ветророторные ............................................................................ 62 
 
7.4. Поступательные 
.................................................................................... 66 
 
7.5. Колебательные 
...................................................................................... 67 
Глава 8. Измерение скорости ветра ..................................................................... 68 
 
ЧАСТЬ 2. ВЕТРЯНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ 
Глава 9. Аналоги и прототипы 
............................................................................. 73 
 
9.1. Мифы на ветер 
...................................................................................... 73 
 
9.2. Музыкальное недоразумение 
.............................................................. 75 
 
9.3. Колесо с парусами 
................................................................................ 80 
 
3 
 

Глава 10. Самые первые 
........................................................................................ 82 
 
10.1. Персидские фабрики 
.......................................................................... 82 
 
10.2. Китайские циновки ............................................................................ 87 
Глава 11. Европейское изобретение .................................................................... 90 
 
11.1. Парусная история ............................................................................... 90 
 
11.2. Столбовая мельница .......................................................................... 97 
 
11.3. Башенная мельница 
.......................................................................... 102 
 
11.4. Первые ветроинженеры 
................................................................... 107 
 
11.5. Голландский Палтрок ...................................................................... 116 
 
11.6. Профильные страдания ................................................................... 118 
 
11.7. Горизонтальные мельницы ............................................................. 123 
Глава 12. Русский ветряк .................................................................................... 127 
 
12.1. Столбовка 
.......................................................................................... 127 
12.2. Шатровка 
........................................................................................... 130 
 
12.3. ВИМЭ+ 
.............................................................................................. 132 
Глава 13. Молинология 
....................................................................................... 136 
 
ЧАСТЬ 3. ВЕТРОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ 
Глава 14. Английское начало ............................................................................. 138 
Глава 15. Американская история ....................................................................... 140 
 
15.1. Перистое колесо Халладэя .............................................................. 142 
 
15.2. Эклипс Уилера 
.................................................................................. 146 
 
15.3. Железный Перри .............................................................................. 149 
 
15.4. Хоммэйд ............................................................................................ 153 
Глава 16. Советский призыв 
............................................................................... 156 
 
ЧАСТЬ 4. ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ 
Глава 17. Пионеры 
............................................................................................... 161 
 
17.1. Джеймс Блайт ................................................................................... 161 
 
17.2. Чарльз Браш ...................................................................................... 163 
 
17.3. Поль ла Кур 
....................................................................................... 164 
Глава 18. Последователи .................................................................................... 167 
Глава 19. Крылатые исполины 
........................................................................... 176 
 
19.1. Крымский вызов 
............................................................................... 176 
 
19.2. Мегаваттная попытка 
....................................................................... 178 
 
19.3. Германский размер 
........................................................................... 185 
 
19.4. Цемент на ветер 
................................................................................ 188 
 
19.5. Мирный ветер ................................................................................... 188 
19.5.1. Второй заход ......................................................................... 189 
19.5.2. Ветер в трубе 
......................................................................... 190 
19.5.3. Маслобойня ........................................................................... 191 
19.5.4. Имени себя ............................................................................ 194 
19.5.5. Стык Хюттера ....................................................................... 196 
19.5.6. Атомный ветер ...................................................................... 203 
4 
 

 
19.6. Новый старт ...................................................................................... 205 
19.6.1. NASA рулит ........................................................................... 205 
19.6.2. Европа строит ........................................................................ 218 
 
19.7. В полный рост 
................................................................................... 235 
 
19.8. Электростанция ................................................................................ 239 
 
19.9. Дальше в море .................................................................................. 246 
 
19.10. Коэффициент мощности 
................................................................ 255 
 
19.11. Самые и самые 
................................................................................ 257 
 
19.12. Парусные крылья ........................................................................... 259 
 
19.13. Роторы Флеттнера .......................................................................... 260 
Глава 20. Роторный ветер ................................................................................... 264 
 
20.1. Простой ротор 
................................................................................... 264 
 
20.2. Ротор Савониуса 
............................................................................... 266 
 
20.3. Ротор Дарье 
....................................................................................... 268 
 
20.4. По спирали ........................................................................................ 281 
 
20.5. Ураганный ротор .............................................................................. 284 
Глава 21. Мозаика ветра ..................................................................................... 285 
 
21.1. Ветер на конвейере .......................................................................... 285 
 
21.2. Махать и вибрировать ..................................................................... 287 
 
21.3. Летающие 
.......................................................................................... 292 
 
21.4. Архитектура 
...................................................................................... 302 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................. 305 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

 
 
 
ОТ АВТОРА 
 
 
 
В процессе работы над книгой много времени пришлось провести в читальных залах и фондах Российской государственной библиотеки (Ленинка), Государственной публичной научно-технической библиотеки России, Всероссийской 
патентно-технической библиотеки. Выражаю глубокую признательность сотрудникам этих учреждений, сделавшим время моей работы там таким продуктивным. 
Выражаю благодарность Майку Хавкриджу, партнёру Королевского фотографического общества Великобритании, и Джону Мюлльнеру, известному путешественнику и фотографу из США за предоставленные для книги фотографии 
труднодоступных для меня исторических объектов. Саетору Асгейрссону 
(IceWind, Исландия), Лейле Ютсиниеми (Oy Windside Production Ltd., Финляндия), Харике Кавамото (Challenergy Inc., Япония) за материалы по корпоративным разработкам ветроэнергетических установок. Дарио Нуньесу Амени 
(Atelier DNA, США) за пояснения и предоставленные материалы по проекту самой необычной ветряной электростанции Windstalk. Анне Стаак (SkySails 
GmbH, Германия) за иллюстративные материалы и уточнения по использованию 
технологии SkySails. Доктору физико-математических наук, профессору Иосифу 
Иосифовичу Смульскому за пояснение теории и особенностей работы шнекового ветрогенератора. Научному сотруднику Института востоковедения РАН 
Сергею Леонидовичу Рабею за совместный анализ древних текстов и их переводов. Галине Симоновой, переводчику Посольства Дании за уточнение правописания некоторых сложных имён. Илье Филиппову, члену Архангельской команды по сохранению и восстановлению ветряных мельниц русского Севера за 
пояснение конструктивных особенностей традиционной русской ветряной мельницы. 
Особо хочу отметить, что настоящая книга была бы невозможна без поддержки моих близких и родных. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 

 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
 
В энергетическом балансе Земли на долю ветра относят всего 2% мощности приходящего солнечного излучения. Несмотря на кажущуюся скромность 
этой цифры, в абсолютном выражении это составляет мощность порядка 
3Â106 ГВт. Оставить без внимания такой объём бесхозной энергии было беспечно, и в конце 70-х годов прошлого века ветроэнергетика становится глобальной отраслью, в которой участвуют энергетические гиганты с ежегодными инвестициями в сотни миллиардов долларов. По данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики к концу 2019 года установленная мощность подключённых  
к сети ветрогенераторов на Земле превысила 650 ГВт. 
Однако не весь ветер может стать полезным, то есть таким, энергия которого может быть направлена на выполнение полезной для человека работы. 
Энергия ветра рассеяна в огромном пространстве атмосферы, и попытка эффективно собрать её одним устройством наталкивается на технические трудности. 
Регионы с высоким потенциалом энергии ветра распределены по карте Земли 
неравномерно и в большинстве своём удалены от мест массового потребления 
энергии. Сам ветер отличается стихийностью, он неустойчив и неоднороден. 
Концентрация энергии ветра колеблется в широких пределах от 2 Вт/м2 при лёгком ветре 2 м/с и до 40 000 Вт/м2 при скорости ветра 40 м/с во время урагана. 
Преобразование стихийной энергии ветра в форму, удобную для полезного 
применения, осуществляют ветродвигатели, которые подразделяются на первичные и вторичные. К первичным ветродвигателям относят устройства, преобразующие энергию ветра непосредственно, без трансмиссий и передаточных механизмов. К представителям этой группы относится Парус, преобразующий энергию 
ветра в поступательное движение транспортного средства, Воздушный змей со 
всеми его разновидностями (змейковый поезд, крыло Рогалло, кайт, парафойл), 
роторы Флеттнера, преобразующие энергию ветра в силу Магнуса. Первичные 
ветродвигатели подробно исследованы в книге автора [10]. 
Вторичные ветродвигатели преобразуют энергию ветра опосредовано, через промежуточные механизмы или устройства для её накопления. К этой группе 
относятся устройства, преобразующие энергию ветра в энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в другие виды механической энергии 
(ветряные мельницы, ветронасосные установки), в электрическую энергию (ветроэлектрические установки). Вращательное движение вала вторичного ветродвигателя открывает широкий простор для конструкторской мысли. Дробить 
зерно и молоть муку, поднять воду для орошения полей, обустроить лесопилку 
или маслобойку. Всё это, являясь атрибутом хорошо всем известной с детства 
ветряной мельницы, нарушает стереотипное представление о ней как об уст- 
ройстве исключительно для помола зерна. А если подобрать трансмиссию  
7 
 

и поставить ветряную мельницу на колёса или водрузить на палубу судна,  
то можно ехать по земле или плыть по морю. А если вращающийся вал совместить с валом электрического генератора, то такая ветряная мельница, теперь 
уже ветрогенератор, будет вырабатывать электроэнергию. Именно в многогранности назначения лежит всеобщий интерес к вторичным ветродвигателям, которые всё больше и больше становятся объектом пристального внимания ветроэнергетики. 
Сегодня Россия не относится к лидерам ветроэнергетики. Однако нелишне 
напомнить, что такое время в нашей истории было. 4 февраля 1931 года в Курске 
дала ток первая в мире ветроэлектрическая станция мощностью 8 кВт с инерционным аккумулятором уникальной конструкции. Станция, которую построил 
курский изобретатель-самоучка Анатолий Георгиевич Уфимцев во дворе 
усадьбы своего дома, в настоящее время является объектом культурного наследия федерального значения. В том же 1931 году в городе Балаклава в Крыму на 
Караньских высотах заработала первая в мире промышленная ветроэлектростанция ЦАГИ Д-30 мощностью 100 кВт. Эта станция, не имевшая на то время себе 
равных в мире, была разрушена немецкими войсками в 1942 году. 
В наши дни один из крупнейших и старейших в мире производителей ветрогенераторов датская компания Vestas Wind System A/S совместно с консорциумом российских компаний строит в Ульяновской области завод по производству лопастей для ветрогенераторов. После выхода предприятия на полную  
мощность на нём будет работать 200 человек. Завод будет выпускать порядка  
300 лопастей в год. Помимо лопастей, совместная с Vestas программа для повышения уровня локализации производства предусматривает выпуск в России башен для ветроустановок. 
Книга состоит из четырёх частей. В первой части рассмотрены ресурсы 
ветроэнергетики. Даётся картина ветров во всём их разнообразии, закономерности поведения ветра при взаимодействии с препятствиями, энергетические характеристики ветра. Вводится понятие аэродинамического коэффициента полезного действия. Рассматриваются варианты отбора энергии ветра и экономические оценки ресурса ветроэнергетики. Впервые предлагается классификация ветродвигателей по виду движения аэродинамической поверхности. В историческом аспекте показано развитие методов определения скорости ветра. 
Вторая и третья части книги посвящены ветросиловым установкам, соответственно ветряным мельницам и ветряным насосам. На основе анализа первичных источников показано зарождение и путь развития ветряных мельниц до 
наших дней. Предлагается авторская гипотеза рождения европейской мельницы, 
освещаются особенности обустройства мельницы на Руси. Прослеживается путь 
развития конструкции ветряных насосов от самодельных установок первых переселенцев на североамериканском континенте, до научно обоснованных разработок в лабораториях советских институтов. 
Четвёртая часть книги посвящена ветроэлектрическим установкам – ветрогенераторам. Подробно описаны первые опыты получения электроэнергии из 
ветра, роль личности в становлении новой отрасли энергетики и государствен8 
 

ные программы США и Европы, заложившие основы развития современной ветроэнергетики. Показана динамика развития ветроэнергетики, как в масштабах 
мира, так и в отдельных лидирующих в этой отрасли странах. Освещаются  
вопросы конструкций ветрогенераторов морского базирования: прибрежные 
(оффшорные) и плавающие. Рассматривается процесс становления ветряных 
ферм на суше и на море. Даётся обзор развития ветрогенераторов альтернативного типа: роторные, спиральные, вибрационные, летающие, а также освещаются реализованные проекты, объединяющие ветроэнергетику с архитектурой. 
В книге анализируются исторические аспекты развития устройств ветроэнергетики, анализируются исследования и конструкторский опыт ведущих мировых разработчиков и производителей. Книга адресована широкому кругу читателей, исследователям, любителям техники и разработчикам объектов альтернативной энергетики, изобретателям. Обширная библиография отечественных  
и зарубежных работ поможет специалистам глубже изучить рассматриваемые 
вопросы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 
 

 
 
 
ЧАСТЬ 1. РЕСУРСЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ 
 
 
 
Глава 1. Ветер 
 
Ветер смело можно отнести к самым романтическим явлениям природы.  
С ним неразрывна эпоха великих географических открытий и похождения 
джентльменов удачи. На ветру развеваются флаги, но ветры стирают с лица 
Земли и целые города. Да и полетел человек, опираясь не только на силу своего 
разума. 
Ветер является возобновляемым источником энергии. Образуется он, 
прежде всего, в результате неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. А учитывая тот факт, что Солнце, если не в физическом, то в биологическом 
смысле, является для человечества источником вечным, то и ветер можно отнести к вечным источникам энергии. 
Ветром называют горизонтальную составляющую скорости воздуха над 
поверхностью Земли. Ветер всегда дует из области высокого давления в область 
низкого, и чем больше разность давления между соседними участками земной 
поверхности, тем ветер сильней. Если разность давления постоянна, ветер также 
постоянен, как например Пассат (исп. viento de pasada – ветер, благоприятствующий переезду, передвижению), сила и направление которого неизменны в течение года. Благодаря своему постоянству в эпоху парусного флота Пассаты 
были основным фактором для построения маршрутов движения судов в сообщении между Европой и Новым Светом. 
Некоторым областям тропиков и приморским территориям умеренного пояса свойственно господство Муссонов (от араб. mĈvsim – время года). Это устойчивые ветра, периодически меняющие своё направление в соответствии  
с сезонными колебаниями температуры. В тропиках муссоны вызываются смещением зоны пониженного давления в то полушарие, где в данном полугодии 
лето. Лето приносит с собой в эти регионы преобладание западных ветров  
с обильными осадками. В зимний для данного полушария период зона пониженного давления уходит в другое полушарие, и на смену летнему муссону приходит 
зимний с преобладанием сухих восточных ветров. В умеренных широтах муссоны вызваны преобладанием над материками антициклонов в зимнее время и 
депрессий – в летнее. В этих районах зимний муссон обычно дует с континента, 
а летний – с океана. 
При движении воздуха над сушей неровности рельефа тормозят его, и потому наиболее сильные ветра обычно наблюдаются над морем или вблизи морского побережья. Шторм – это длительный и сильный ветер, сопровождающийся 
сильным волнением на море. Такой же ветер на суше в народе называют «буря». 
10