История применения энергии ветра человеком идет из глубокой древности. Самые первые упоминания об этом возникли около 1000 лет до нашей эры. Считается, что история ветряных мельниц западных стран ведется с первого документального возникновения датской или европейской ветряной мельницы в 1180 году в Нормандии. Скорее всего, что ветряные мельницы попали в Европу из Персии через средиземноморские страны.

Самым известным ранним типом данного устройства является персидская мельница, которая представляла собой элементарное устройство с вертикальным ротором. В Западной Европе при этом персидская мельница была усовершенствована быстро до более эффективного типа ветряной мельницы, имеющей горизонтальную ось вращения, ветряной турбины. Исследователи истории ветряной энергетики отмечают, что за небольшой промежуток времени ветряные мельницы, имеющие горизонтальную ось вращения, почти полностью вытеснили из Европы мельницы с вертикальной осью.

Усложнение конструкции ветряной мельницы с горизонтальным расположением оси объяснялось большей эффективностью работы. Мачтовая ветряная мельница Британии является триумфом инженерной мысли и самым сложным механизмом на начало Индустриальной революции.

Ветряные мельницы, развиваясь интенсивно с XII по XIX век, достигли определенного совершенства. Мощность данных мельниц приравнивалась к 25-35 кВт.

Индустриальная революция в виде создания паровых машин, снижения стоимости угля привела к вытеснению агрегатов, применяющих энергию ветра. Одним из самых интересных феноменов в истории ветряной энергетики, о котором часто пишут авторы, является американская насосная установка. Такие установки отличаются многолопастным ротором, простой системой ориентирования на ветер и возможностью автоматической автономной работы.

Установка Halladay Standard самая первая получила настоящий коммерческий успех. Следующим наиболее известным типом ветронасосных установок стали агрегаты с жестким ротором Eclipse. Третий шаг на пути американских ветронасосных установок был совершен в 1888 году компанией The Aermotor. Данные ветряные установки были сделаны из металла, а широкомасштабное производство их значительно сократило их стоимость.

Революционным новшеством явилась идея штампования лопасти из жести. Штампованные лопасти характеризовались определенной геометрией и устанавливались под нужным углом. При больших скоростях потоков ветра ротор, находящийся за стойкой, «всплывал» за счет соединения на шарнирах. Нужно отметить, что эти установки были сделаны полностью из металла, с точки зрения конструкции, экономики и эффективности производства они были выполнены оптимально.

Несмотря на значительную электрификацию сельской местности, эти ветряные мельницы во многих странах остаются достаточно распространенными.

Общее количество этих установок составляет более миллиона штук (это в основном установки с несколькими лопастями с диаметром колеса 2,5 м), а общая мощность составляет 250 МВт.

За последние 50 лет технология ветроэнергетики совершила мощный технологический рывок, повысивший эффективность ветряных мельниц почти в десять раз.

От ветряной мельницы к ВЭУ

В конце XIX века возникла идея применения энергии ветра для получения постоянного электрического тока. Потребность в подобных установках была большой, поэтому в разных странах проводился ряд экспериментов. В литературе можно встретить описания двух весьма разных ветроустановок, которые стали одними из самых первых в генерировании электроэнергии. Первая из них – ветряная установка Браша, ее мощность 12 кВт, она генерировала постоянный ток для подзарядки аккумуляторных батарей. В целом система действовала автоматически в течение 20 лет и практически не требовала ухода.

Ветряная мельница Браша занимает важное место в истории развития ветряной энергетики. Она, во-первых, была крупной. Во-вторых, в ней применялась двухступенчатая повышающая ременная трансмиссия, передаточное число которой 50:1, генератор при этом имел скорость вращения 500 об/мин. Это была первая попытка объединить прекрасно развитую систему ветряной мельницы с электрической технологией. Установка в то же время показала, что многолопастные ветряные турбины очень медленные и низкоэффективные для получения энергии.

Следующий шаг в переходе от ветряных мельниц к энергетическим ветряным установкам совершил Пол Лакур в Дании в начале предыдущего века. Он первым создал аэродинамическую трубу и использовал аэродинамический профиль в ветряных установках.

К 1910 году примерно сто таких ветроустановок мощностью 5-25 кВт функционировали в Дании в сельской местности. В 20-30-е годы в США возникли коммерческие экземпляры небольших ВЭУ, используемые для подзарядки аккумуляторных батарей, они получили большое распространение.

Трехлопастная ветротурбина Jacobs Wind Electric, обладающая лопастями с аэродинамическим профилем, вращала генератор, мощность которого 3 кВт, при напряжении 110 В. Именно на стадии развития ветряных установок небольших размеров для заряда аккумуляторов образовалась проблема оптимального числа лопастей для турбины. Двухлопастные ветряные турбины испытывали существенные вибрации в случае изменения направления потока ветра, в то время как ветротурбины с тремя лопастями этого недостатка не имели. Этот вид ВЭУ перешел и к современным конструкциям почти без изменений.

В 1925 году был разработан ротор нового вида – ротор Савониуса, который был назван в честь его создателя инженера из Финляндии С. Савониуса. Преимущества данного типа роторов – высокий стартовый момент и способность принимать ветер со всех сторон, недостатки – низкий коэффициент обработки энергии ветра и небольшая быстроходность, большая масса конструкции.

В 30-х годах предыдущего столетия образовался новый тип ветротурбин – вертикальная ветряная турбина, предложенная Ф. Дарье. Ротор Дарье обладал двумя или тремя изогнутыми лопастями, зафиксированными снизу и сверху центральной колонны, он может перерабатывать ветер со всех сторон. Ветротурбина данного вида почти не использовалась до начала 1970-х годов, когда в Канаде, а затем и в некоторых других странах стали исследовать ветряные агрегаты с ротором Дарье.

Эволюция ветряных мельниц

В некоторых странах научно-исследовательские работы в сфере развития ветряной энергетики усиленно развивались с 1940-х до 1960-х годов. Но потом цены на ископаемое топливо значительно сократились и с точки зрения себестоимости электрической энергии ветроэлектрические установки уже не конкурировали с тепловыми электростанциями. В это время коммерческая ветряная энергетика почти не развивалась. Были разработаны экспериментальные образцы, например, ВЭС в Курске.

В начале 1970-х годов начался следующий подъем ветряной энергетики, который, прежде всего, был обусловлен известным энергетическим кризисом. В это время правительства большинства стран развернули масштабные программы по разработке ветряных мельниц. Разработка технологий согласно данным программам, конструкторские работы и эксперименты должны были проводиться, находясь в постоянном взаимодействии.

Планы предусматривали формирование трех поколений экспериментальных агрегатов. Самое первое поколение давало возможность получить базовые данные и наработки для создания четкой концепции ветроэнергетики. Второе поколение было нужно для наработки практического опыта получения ветряных мельниц. И третье поколение могло довести уровень эффективности и надежности ветряных установок до коммерческого применения. Эти серии ВЭУ должны были усовершенствовать ветряные технологии до отметки, когда коммерческий риск был бы настолько маленьким, что мог привлечь существенные коммерческие капиталы.

Исследования подразделялись по двум направлениям: ВЭУ с вертикальной осью и ВЭУ с горизонтальной осью вращения. В 1974 году в США была создана Федеральная Программа по развитию ветряной энергетики, согласно которой были разработаны экспериментальные прототипы с кодами MOD-1, MOD-2, MOD-3, MOD-O, MOD-OA. В Европе самыми крупными и интересными проектами является Growian, мощностью 3МВт (Германия,1983), LS-1 3 МВт (Великобритания, 1987) и некоторые другие. Немецкий проект Growian считается наиболее крупным из всех построенных когда-либо ВЭУ: турбина в диаметре 100 м, башня высотой 100 м. Данная ВЭУ была первой, работающей с переменной скоростью вращения, ветряной турбиной и обладала асинхронизированным синхронным генератором.

Слишком большой объем новинок вызвал множество проблем в деятельности ветряной мельницы, но данная ВЭУ внесла существенный вклад в осознание проблем других агрегатов.