Кто успел, тот и запатентовал: история создания первых ветрогенераторов

#Технологии
АП
Ася Петухова

На вопрос: «Кто изобрел ветроэлектрогенератор?» — однозначно ответить затруднительно. Это тот самый нередкий в истории науки и техники случай, когда идея (в данном случае динамо-машины, которую крутит ветряная мельница) в какой-то момент стала очевидна всем. Так что вопрос имеет смысл только в более узкой формулировке: «Кто первый запатентовал электрогенерирующую мельницу?» Считается, что это был профессор Джеймс Блайт из Технического колледжа Глазго и Западной Шотландии, его патентом GB19401 с приоритетом от ноября 1891 года сейчас может полюбоваться любой желающий, он доступен в интернете.

Патент Джеймса Блайта

Беда только в том, что никто не знает, сколько в архивах пылится неоцифрованных заявок на изобретение электромельниц, поданных в разных странах в 1880-е годы, когда идея ветроэлектрогенерации в прямом и переносном смысле витала в воздухе. Когда на улицах городов уже горели дуговые электрические лампочки, ходили первые трамваи, а промышленной мощности динамо-машину можно было купить в магазине, если угодно, то в комплекте с вполне современными свинцово-кислотными аккумуляторами Гастона Плантэ, чтобы запасать ветровое электричество впрок. Обычная мельница, крутящая вместо жерновов ротор динамо-машины многим тогда казалась априори выгоднее паровой машины или двигателя внутреннего сгорания.

Однако профессор физики университета Глазго Уильям Томсон, сэр, член Лондонского Королевского общества (английской академии наук), иностранный член Парижской и Петербургской академий наук, и прочая, и прочая (а в недалеком будущем еще и пэр, барон Кельвин, президент Лондонского Королевского общества), в 1881 году на одном из заседаний «Философического общества Глазго», где городские ученые обменивались идеями и планами, прочел лекцию о потенциале ветра как средства выработки электроэнергии. Он считал, что зарядка аккумулятора от ветряка может быть «произведена без вреда для здоровья и с хорошей динамической экономией», но при этом посетовал, что «ветряные мельницы до сих пор являются довольно дорогостоящими машинами», и озадачил коллег вопросом: «А возможно ли вообще без изобретений, которые еще не сделаны, экономично использовать ветер для получения света?».

Фото первого ветряка

Не исключено, что Джеймса Блайта, который присутствовал на этой лекции, задели сомнения старшего титулованного коллеги по их научному цеху насчет своевременности ветроэлектрогенерации. Во всяком случае, здоровое честолюбие всегда было мощным движителем научного прогресса. И Блайт начал строить «дешевый» ветроэлектрогенекратор в своем родовом имении в деревне Мэрикирк примерно в ста милях к северо-востоку от Глазго. Дом, в котором он родился, был к тому времени для профессора Блайта его летней дачей, работал он в нем только во время летних вакаций. 

И вот летом 1887 года жители деревни увидели торчащую над забором дома Блайтов странного вида конструкцию из мачты высотой 10 метров с парусами. Электрическая мельница Блайта была с вертикальной осью вращения, «карусельного» типа, на ней крест-накрест висели четыре 13-футовых прямых крыла-паруса. Они ловили ветер и крутили мачту, а та через ременный привод вращала ротор динамо-машины системы Буржена, заряжавшую 12 аккумуляторов, которые питали в доме Блайта 10 ламп по 8 свечей каждая, заменяя по подсчетам тогдашних домохозяек 80 стеариновых свечей. 

В январе 1892 года на заседании Эдинбургского Королевского общества Блайт сделал доклад «О применении энергии ветра для производства электрического тока», припомнив на нем слова Томсона насчет «не сделанных еще изобретений», и был награжден высшей научной наградой Шотландии — медалью Макдугалла Брисбена. В Англии в таких случаях Лондонское Королевское общество награждало медалью Копли, но, как известно, у шотландцев собственная гордость, в том числе научная. 

Как уже сказано, в 1891 году Блайт запатентовал свою электрическую мельницу, а в 1895 году лицензию на нее купила инженерная компания Mavor and Coulson из Глазго, специализировавшаяся на городском освещении, и соорудило электрогенерирующую мельницу в приюте для сумасшедших в шотландском рыбацком городке Монтроз. Судя по описанию изобретения в патенте Блайта 1891 года, в нем описана не его дачная электромельница в Мэрикирке, а более продвинутый ее вариант, который был построен в Монтрозе. Там уже не было парусиновых крыльев, вместо них были 8 деревянных, армированных железом, ловушек для ветра в виде полуцилиндров. Она была мощностью 10 л. с. (7,4 кВт), вырабатывала постоянный ток напряжением 25 вольт и освещала лечебницу в Монтрозе до 1914 года, то есть почти 20 лет.

В 1888 году, спустя год после того, как в деревенском доме профессора Блайта загорелись первые электрические лампочки от его ветроэлектрогенератора, от того же источника тока загорелся электрический свет в окнах особняка мистера Браша на Эвклид-авеню в Кливленде, штат Огайо. Эта центральная улица Кливленда с нетипичным для американского Среднего Запада научным названием была в те годы тем, что сейчас мы называем «золотой милей». По обеим сторонам проспекта Эвклида театры, банки, церкви, дорогие рестораны перемежались с домами местных нуворишей, один богаче и вычурнее другого. В «Путеводителях Бедекера» того времени Эвклид-авеню именовалась «Улицей миллионеров», «Выставкой Америки», и она считалась обязательной для посещения туристами из Европы.

Но самым заметным был на ней дом мистера Чарлза Браша, талантливого изобретателя и удачливого бизнесмена, сделавшего состояние на усовершенствованных электрогенераторах своей конструкции, которые в отличие от динамо-машин Зеноба Грамма были легче при сборке, надежнее при эксплуатации и, главное, их можно было сравнительно просто починить (патент США №189997 с приоритетом от 4 апреля 1877 года). Рядом с домом Браша возвышалась самая большая в мире на то время электромельница. В отличие от мельницы-карусели Блайта компоновка мельницы Браша была классической, горизонтальной, то есть более привычной глазу — с подобными мельницами воевал Дон Кихот. Отличалась она от них только множеством лопастей и огромным хвостовиком с большой парусностью, который разворачивал мельничный ротор по ветру. 

Восторженное описание электрической мельницы поместил журнал The Scientific American в своем декабрьском номере за 1890 год, когда Чарлз Браш уже выкрутил у себя дома дуговые лампы собственной конструкции (патенты США №203411 с приоритетом от 7 мая 1878 года и №312184 — от 10 февраля 1885 года), которые в свое время заменили в Европе и Америке «свечи Яблочкова» (французский патент № 112024), и вкрутил на их место новейшие, только что появившиеся в продаже лампы накаливания Эдисона. Отчего было их не вкрутить, они тратили меньше энергии и дольше не перегорали, да и весь свой бизнес мистер Браш вот уже два года как продал Эдисону.

«Проезжая по Эвклид-авеню в прекрасном городе Кливленд, можно заметить великолепную резиденцию мистера Браша, за которой на некотором расстоянии в парке можно увидеть огромное колесо, установленное на высокой башне и приводящее в движение электростанцию, — писал журнал. —  Колесо диаметром 56 футов закреплено на валу и снабжено 144 лопастями, закрученными наподобие лопастей гребных винтов. Общая парусность колеса составляет около 1800 квадратных футов, а хвоста, который поворачивает колесо навстречу ветру, 1200 квадратных футов. Средняя скорость вращения динамо-машины составляет 330 оборотов в минуту, а мощность при полной нагрузке — 12 000 Вт». 

Гигант был мощностью всего 12 кВт. Лишь 20 лет спустя датский инженер Поль ла Кур эмпирическим путем пришел к выводу, что средний КПД у быстро вращающихся ветряных турбин с небольшим числом лопастей выше. Точнее, из его экспериментов и расчетов выхолило, что для получения максимальной энергии с заданной площади крыльев их число должно быть небольшим, их скос — небольшим, а скорость вращения — высокой. 

Интересно то, что Чарлз Браш свою домашнюю электромельницу не запатентовал, во всяком случае в Smithsonian Libraries в оцифрованном полном собрании «Патентов, относящиеся к электрическим машинам и устройствам, выданных Чарлзу Ф. Брашу» такого патента нет. Возможно, что отсутствие желания мистера Браша патентовать свою чудо-мельницу объяснил как раз автор статьи о ней в The Scientific American: «Читатель не должен думать, что электрическое освещение с помощью энергии, получаемой таким образом, дешево, потому что ветер ничего не стоит. Напротив, стоимость установки настолько велика, что с лихвой превышает дешевизну движущей силы. Тем не менее, есть большое удовлетворение в использовании одного из самых неуправляемых движущих сил природы». 

Возможно, что уже миллионеру на тот момент мистеру Брашу тоже хватило морального удовлетворения, а возможность заработать на ней он со своим богатым опытом автора 41 патента оценил как бесперспективную. Турбина в парке его дома работала и заряжала аккумуляторы в подвале его особняка в течение 20 лет, и только в 1910-х годах его дом полностью подключился к центральному электроснабжению Кливленда.

По мере строительства линий централизованного электроснабжения актуальность ветроэлектрогенераторов в городах и промышленных агломерациях довольно быстро сошла на нет. Они оставались актуальными для сельскохозяйственных районов и отдаленных мест вплоть до Антарктиды, но фокус инженерной мысли в области электроэнергетики в начале ХХ века уже явно сместился на решение проблемы снижения потерь электроэнергии при передаче ее на большие расстояния. Впрочем, были исключения. 

В Нидерландах, Дании и на северо-востоке Германии, где в силу их погодных ландшафтных особенностей — подтапливаемой грунтовыми водами низменности, продуваемой постоянными ветрами с Атлантики, — ветроэнергетика давно и традиционно играла ведущую роль. Здесь ветряные мельницы — непременный атрибут пейзажей кисти старых голландских мастеров — помимо своей классической мукомольной функции и даже в основном помимо нее служили источниками механической энергии для ирригационных работ. И так уж получилось, что центром разработки инновационной по тем временам ветроэлектроэнергетики стала Дания, а если точнее — Danish Wind Electricity Company (DVES), основанная в 1903 году уже упоминавшимся выше инженером и изобретателем Полем Ла Куром. 

В 1908 году в Дании работало 72 ветровые турбины, в 1918 году их было уже две с половиной сотни, причем половина из них работала не в автономном режиме, а подавало ток в линии электропередач. По данным датских историков науки и техники, все они вырабатывали 3% электричества в стране. Возможно, так и было, Дания в Первой мировой войне, как известно, не участвовала, да и сейчас она мировой лидер в области ветроэлектроэнергетики, а ее доля в общем производстве электроэнергии в стране приближается к 50%. Частные инвестиции в ветроэнергетику весьма популярны среди рядовых датчан, настолько они верят в будущее ветроэнергетики.

Но вот что интересно: линейка ветряных электрогенераторов датских инженеров из DVES в первые два десятилетия ХХ века была мощностью от 5 до 25 кВт. Самые большие мастодонты стояли на 24-метровых башнях с четырехлопастными роторами диаметром 23 метра, то есть были заметно крупнее электромельницы мистера Браша из Кливленда сорокалетней давности, но по мощности превышали ее лишь вдвое. В итоге что-то, о чем не пишут датские историки техники, случилось в Датском королевстве на исходе второго десятилетия прошлого века, к 1920 году здесь в рабочем состоянии осталось только 75 ветряных  электростанций, а к началу Второй мировой войны число их сократилось до 25.

Случилось же там, наверное, как раз то, о чем за полвека до этого писал автор журнала The Scientific American. Упертость на электроветроэнергетике — дело благородное и экологически полезное, но низкая, а возможно, даже отрицательная рентабельность ветроэнергетики того времени стала очевидна даже датчанам, тем более что про экологию они не думали, тогда про нее вообще никто не думал. Говоря проще, время ветроэнергетики еще не пришло, это случилось гораздо позже, а в первой половине ХХ века она занимала свою скромную нишу обеспечения людей электричеством в тех местах, где другого более дешевого способа для этого не было.

Читайте в нашем журнале:

История Sharp: как механический карандаш повлиял на становление гиганта электроники

Какую роль сыграли патенты в японском экономическом чуде

Генеалогия принтера

Заглавное фото: Flickr

Ася Петухова
Онлайн Патент
#Технологии
Спасибо! Мы перезвоним вам в ближайшее время!