Энергия и цивилизация

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 м

²), 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.