Вопрос о первооткрывателе ветроэлектрогенератора не имеет однозначного ответа. Подобные случаи в истории науки и техники нередки — идея становится очевидной для многих почти одновременно. В данном случае речь идёт о соединении ветряной мельницы с динамо-машиной. Поэтому корректнее будет поставить вопрос иначе: «Кто первым оформил патент на электрогенерирующую ветряную установку?» Ответ известен: профессор Джеймс Блайт из Технического колледжа Глазго и Западной Шотландии. Он запатентовал свою конструкцию в ноябре 1891 года (патент GB19401), с которым можно ознакомиться в интернете.
Однако существует вероятность, что в архивах до сих пор хранятся неопубликованные или неоцифрованные заявки на подобные изобретения, поданные в разных странах ещё в 1880-х годах. Тогда идея использования энергии ветра для выработки электричества буквально витала в воздухе. Электрические дуговые лампы уже освещали улицы, начали курсировать трамваи, а динамо-машины продавались как готовая промышленная продукция. Более того, они могли комплектоваться свинцово-кислотными аккумуляторами конструкции Гастона Плантэ, позволяя запасать полученное электричество. На фоне дороговизны паровых машин и ранних ДВС, идея ветрогенератора казалась многим более перспективной.
В 1881 году сэр Уильям Томсон, выдающийся физик, позже получивший титул барона Кельвина, выступил на заседании Философского общества Глазго с лекцией о потенциале ветра как источника энергии. Он полагал, что ветряные установки могли бы заряжать аккумуляторы без вреда для здоровья и с высокой экономической эффективностью. Однако он также отметил, что сами мельницы на тот момент оставались дорогостоящими механизмами, и задал коллегам вопрос: возможно ли использовать ветер для выработки света без «ещё не сделанных изобретений»?
Возможно, именно эти слова побудили Джеймса Блайта продемонстрировать, что нужные изобретения вполне достижимы. Он начал работу над своим ветроэлектрогенератором в родовом доме в деревне Мэрикирк, что примерно в 160 километрах от Глазго. В 1887 году над его домом появилась 10-метровая мачта с парусами. Это была вертикальная «карусельная» установка с четырьмя большими прямыми парусами, приводившими во вращение динамо-машину. Электроэнергия аккумулировалась в 12 батареях и питала освещение в доме — 10 ламп мощностью по 8 свечей, что заменяло десятки стеариновых свечей.
В 1892 году, выступая перед Эдинбургским Королевским обществом, Блайт представил доклад о возможностях ветроэнергии. Его заслуги были отмечены медалью Макдугалла Брисбена — высшей научной наградой Шотландии, аналогичной английской медали Копли.
Патент Блайта 1891 года описывает уже усовершенствованную модель установки, построенную в 1895 году компанией Mavor and Coulson в городе Монтроз. Эта версия ветряка имела восемь деревянных полуцилиндрических лопастей с железными вставками, мощностью 10 л.с. (около 7,4 кВт), генерировала постоянный ток напряжением 25 вольт и обеспечивала электричеством лечебницу до 1914 года.
Интересно, что уже в 1888 году, всего через год после запуска мельницы Блайта, электрический свет от ветрового генератора появился в США — в доме мистера Чарльза Браша в Кливленде, штат Огайо. Его особняк на Эвклид-авеню, одной из самых престижных улиц страны, был символом прогресса. Изобретатель и предприниматель Браш прославился модернизацией динамо-машин, сделав их легче, надёжнее и более ремонтопригодными, что и обеспечило ему состояние. Его патент № US189997 от 4 апреля 1877 года стал важной вехой в истории электротехники.
При проезде по Эвклид-авеню в живописном городе Кливленде невозможно не заметить величественный особняк мистера Чарльза Браша. В некотором отдалении за домом, в парковой зоне, возвышалась уникальная конструкция — гигантское колесо, установленное на высокой башне. Оно приводило в движение экспериментальную электростанцию, которая питала дом инженера. Как сообщал журнал The Scientific American, диаметр этого колеса составлял 56 футов (около 17 метров), и оно включало 144 лопасти, изогнутые наподобие винтов гребного типа. Площадь поверхности лопастей достигала 1800 квадратных футов, а хвостовая часть, предназначенная для ориентации установки по ветру, имела площадь около 1200 квадратных футов. Средняя скорость вращения динамо-машины составляла 330 оборотов в минуту, а установленная мощность — 12 000 Вт.
Несмотря на внушительные габариты, турбина вырабатывала всего 12 киловатт. Лишь спустя два десятилетия датский инженер и изобретатель Поль ла Кур, опираясь на практические эксперименты, установил, что для получения максимальной энергии от ветра оптимальны быстро вращающиеся турбины с малым числом лопастей и небольшим их наклоном. Таким образом, на смену массивным многолопастным системам пришли более эффективные, компактные и легкие конструкции.
Интересным фактом является то, что Чарльз Браш не стал патентовать свою домашнюю ветроэлектростанцию. В официальных каталогах патентов, выданных Брашу и хранящихся в Smithsonian Libraries, соответствующей заявки не обнаружено. Вероятно, сам изобретатель не рассматривал свою установку как коммерчески перспективную. Автор той самой статьи в The Scientific American тогда справедливо заметил: «Не стоит думать, что освещение на ветровой энергии обходится дешево только потому, что ветер бесплатен. Наоборот, капитальные затраты настолько высоки, что полностью нивелируют дешевизну самого источника энергии. Тем не менее, удовлетворение от использования одного из самых непредсказуемых движущих сил природы трудно переоценить».
Для состоятельного человека, каким к тому времени был мистер Браш, морального удовлетворения оказалось достаточно. Обладая внушительным портфелем из 41 патента, он трезво оценил экономическую нецелесообразность масштабного внедрения своего проекта. Его турбина проработала около двадцати лет, бесперебойно заряжая аккумуляторные батареи, размещённые в подвале особняка. Лишь в 1910-х годах дом Браша был полностью подключен к городской электросети Кливленда.
С развитием централизованной системы электроснабжения актуальность индивидуальных ветрогенераторов в городах и промышленных зонах постепенно снижалась. Тем не менее, ветряные установки оставались востребованными в отдалённых регионах, включая сельские местности и даже Антарктиду. Основное внимание инженеров в первой половине XX века сместилось в сторону повышения эффективности передачи электроэнергии на большие расстояния. Однако были и исключения.
В странах с характерными природными и климатическими условиями — таких как Нидерланды, Дания и северо-восточная Германия — ветряная энергия издавна играла важную роль. Там ветряные мельницы использовались не только для помола зерна, но и как источники механической энергии для осушения заболоченных территорий. Именно в Дании, в 1903 году, инженер Поль ла Кур основал компанию Danish Wind Electricity Company (DVES), которая стала пионером в области ветроэлектрогенерации.
Уже в 1908 году в Дании функционировали 72 ветряные турбины, а к 1918 году их количество увеличилось до 250. Причём около половины из них были интегрированы в локальные электросети, а не использовались автономно. По оценкам датских историков науки, эти установки обеспечивали до 3% электроэнергии страны. Это значительная цифра, особенно учитывая, что Дания не участвовала в Первой мировой войне. И по сей день королевство остаётся лидером ветроэнергетики, производя около 50% своей электроэнергии из ветра. Частное инвестирование в эту отрасль получило широкую поддержку среди населения.
Примечательно, что мощности ветрогенераторов, разработанных DVES в начале XX века, колебались от 5 до 25 кВт. Самые крупные установки монтировались на 24-метровых башнях и оснащались четырёхлопастными роторами диаметром 23 метра — они значительно превосходили по размеру установку Браша, хотя по мощности лишь немного опережали её. Однако к 1920 году в рабочем состоянии в Дании оставалось только 75 таких ветряных электростанций, а к началу Второй мировой войны их число сократилось до 25.
Причины спада лежат, скорее всего, на поверхности. Экономическая неэффективность ветроустановок той эпохи становилась всё более очевидной. То, о чём писал автор The Scientific American ещё в конце XIX века, стало фактом и для Дании: несмотря на экологические преимущества, высокие капитальные затраты, низкий КПД и технологические ограничения сводили на нет рентабельность подобных проектов. Кроме того, в ту эпоху концепция экологической устойчивости ещё не была предметом общественного внимания. Таким образом, ветроэнергетика первой половины XX века оставалась нишевым решением для удалённых регионов, где иные способы получения электричества были либо невозможны, либо чрезмерно затратны.