Льюис Дартнелл - Цивилизация с нуля. Что нужно знать и уметь, чтобы выжить после всемирной катастрофы

Неудобство такой конструкции в том, что система множественных шестерен, необходимая для придания валу нужной скорости вращения, отнимает слишком много энергии. Для ветрогенераторов проблема снимается кардинальным изменением системы. Вместо широких лопастей-парусов, захватывающих много ветра, но создающих мощную турбулентность и торможение, а значит, неспособных к скоростному вращению, современные ветряки используют три длинных и узких лопасти-лезвия. Система построена на знаниях аэродинамики, полученных при разработке пропеллеров для самолетов и вертолетов, и хотя небольшая площадь поверхности означает, что при слабом ветре колесо вращается с трудом, зато, лишь подует посильнее, оно крутится с головокружительной скоростью и конвертирует в электричество гораздо большую часть механической энергии.

У водяного колеса выходная мощность тоже ограниченна. Количество энергии, содержащееся в потоке воды, зависит от его мощности и высоты падения. Мощность потока — это объем жидкости, протекающий за единицу времени, а высота падения в случае с верхнебойным водяным колесом — расстояние между желобом и лотком. Энергетические возможности водяного колеса не особенно велики, оттого что максимальная высота падения струи ограничена диаметром колеса, а при диаметре больше 20 м колеса становятся слишком тяжелыми и потому неэффективными.

А вот водяные турбины, с другой стороны, таких ограничений не знают. Самая мощная в мире гидроэлектростанция «Три ущелья» на реке Янцзы создает перепад в 80 м между водным зеркалом водохранилища и турбинами в основании плотины, за счет чего и получает колоссальную энергию.

Лучшая турбина, которую вы можете построить для применения с большой высотой и небольшой мощностью потока (то есть под узкой трубой, выбрасывающей струю под высоким давлением), — это турбина Пелтона, состоящая из ковшей, расположенных на ободе колеса (немного похоже на уложенные кругом ложки). Принцип в том, чтобы струя воды не останавливалась в каждом ковше, но хитро разворачивалась и снова выплескивалась вперед. Каждый ковш выполняется в виде слегка искривленного ведра, как бы разделенного на две половины проходящим вдоль стенки гребнем, рассекающим падающую прямо в ковш струю так, чтобы она, разделившись строго надвое, завихрялась в обоих углублениях и выплескивалась через передний край ковша. Именно это изменение направления прикладывает к ковшу значительное усилие и вращает турбину, а струя бьет по очереди в каждый ковш, и колесо не останавливается.

Для обратной ситуации, когда высота потока у вас невелика, но велика его мощность, лучше подойдет турбина поперечного тока. Здесь вода направляется на вершину колеса с короткими изогнутыми лопастями, расположенными радиально, и толкает их сначала на входе в колесо, а затем, вторично, выходя из колеса в нижней точке. С первого взгляда эта конструкция напоминает традиционную водяную мельницу, но ее существенное отличие в том, что турбину вращает не вес падающей воды, улавливаемой лопастями, а струя, толкающая лопасти сзади.

Как пелтоновскую, так и поперечноточную турбину несложно изготовить, имея простые металлообрабатывающие станки, и сегодня обе они рекомендуются для развивающихся стран как технологии, для которых все можно произвести на месте. Они отлично подойдут для восстановления цивилизации в постапокалиптическом мире.

При всей эффективности ветрогенераторов и водяных турбин, использующих, к тому же, возобновляемые источники энергии, сегодня бóльшая часть электроэнергии генерируется иными способами. Век пара, строго говоря, на самом деле не закончился. Мы ушли от широкого применения паровых машин в двигателях станков или транспортных средств, но с помощью пара сегодня вырабатывается более 80 % всего потребляемого в мире электричества: котлы кипятит тепло, высвобождаемое при сжигании угля или газа либо при распаде нестабильных тяжелых атомов в ядерном реакторе.

Как мы уже видели, произвести тепло просто, а вот преобразовать тепловую энергию в механическую — это задача посложнее. Решить ее может паровая машина, но медленный ход поршня невозможно без энергопотерь превратить в быстрое вращение, пригодное для электрогенератора.

Решением стала турбина, основанная на удачной конструкции водяной турбины, но приспособленная под пар высокого давления. Работу совершает струя пара, либо бьющая по лопастям сзади, чтобы импульс вращал колесо (как в пелтоновской или поперечноточной турбине), либо отражающаяся от поверхности изогнутой лопасти, которую, как самолетное крыло, толкает сила противодействия. Существенная разница между водой и паром в том, что пар расширяется и движется быстрее, но теряет давление, поэтому большинство паровых турбин сочетают реактивное колесо для пара высокого давления пара с импульсным колесом ниже на валу, работающим от разреженного пара. Такая многоступенчатая паровая турбина позволяет весьма производительно генерировать огромные объемы электроэнергии, и ее применение открыло новый электрический век.