Аккумуляторы для ветра


Категория Парусная система

Маловетрие, безветрие, штиль — опасность номер один для парусных судов. До середины XX в. максимальная скорость больших парусников была в полтора раза выше, чем пароходов, но зависимость от ветра, более низкая средняя рейсовая скорость и нерегулярность рейсов погубили парусники.

Чтобы это не повторилось, парусник должен быть застрахован от капризов ветра и случайностей погоды. Самой лучшей гарантией хорошего среднего рейсового хода будет применение вспомогательной энергетической установки, включающей дизель и гребной винт. Дизель мощностью около 735 кВт способен дать судну, имеющему водоизмещение 17 тыс. т, скорость 8—9 уз, а этого достаточно для транспортного парусного судна, чтобы •преодолеть зону мертвых штилей и слабых ветров.

Однако при ходе судна сильными ветрами может оказаться избыток энергии ветра, который целесообразно запасти впрок.

Накопление энергии ветра — наиболее сложная проблема. Для этого нужно решить, по крайней мере, четыре трудные задачи:
1) в какой удобный вид энергии переработать энергию ветра;
2) как переработать скоростной напор ветра в желаемый вид энергии;
3) каким образом хранить эту энергию;
4) как ее использовать впоследствии.

На судне можно запасать энергию в форме: электрической, химической и механической. Одним из наиболее разработанных является способ переработки и хранения силы ветра в виде электрической энергии. Для этого надо осуществить следующую технологическую цепочку:
— превратить механическую энергию поступательного движения ветра в промежуточную механическую энергию вращательного Движения;
— преобразовать вращательную энергию в электрическую; накопить электрическую энергию в аккумуляторах; использовать затем при необходимости накопленную электрическую энергию для судовых нужд или для движения судна.

Указанная цепочка может быть развернута по ряду конкретных направлений. Рассмотрим некоторые из них.

Для превращения энергии динамического напора ветра в энергию вращения может использоваться ветродвигатель любого типа, приводящий в движение электрогенератор постоянного тока, который, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию. В настоящее время предложен ряд таких систем. В частности, один или несколько ветродвигателей могут располагаться на верхней палубе в корме и работать на один или несколько генераторов. По другой схеме ветродвигатели устанавливают на топах всех мачт, и каждый приводит во вращение свой генератор, ток от которого передается по проводам, проложенным в полых мачтах, на электрическую станцию.

Системы с ветродвигателями имеют существенное достоинство— они вырабатывают энергию как на ходу, так и на стоянке. Однако осуществимые на судне размеры ветродвигателей, в особенности на мачтах, не позволяют получить значительную мощность, поэтому с помощью ветродвигателей можно реально вырабатывать и накапливать энергию только для вспомогательных целей или для движения судна малым ходом.

Вместо ветродвигателей может использоваться гидротурбина, приводимая в движение ходом судна. В качестве такой турбины вполне пригоден гребной винт регулируемого шага. Винт через гребной вал приводит во вращение мотор-генератор постоянного тока. Этот способ имеет то преимущество, что позволяет освободить палубу судна от громоздких ветродвигателей, мешающих работе парусов и занимающих полезное пространство. Поскольку плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, гребной винт небольшого размера вырабатывает за счет хода судна значительную мощность, которую потом полностью можно использовать для движения тем же винтом. Однако у этой системы есть и существенный недостаток — она может работать только на ходу судна; На стоянке винт не вращается и энергия не вырабатывается.

Во всех случаях вырабатываемая генератором энергия используется сразу же или поступает в аккумуляторные батареи, где происходит ее накопление. В качестве электрических аккумуляторов возможно использование тяжелых кислотно-свинцовых элементов, изготовление и применение которых хорошо отработано промышленностью и подводным судостроением. Тяжелые свинцовые батареи служат идеальным твердым балластом (весьма компактным). Безусловно, возможно использование и любых более эффективных по энергоемкости аккумуляторов, созданных в последние годы (если это экономически целесообразно), например, работающих на морской воде в качестве электролита.

Рис. 1. Схема комбинированной энергетической установки с ветродвигателем и накоплением энергии (ЛИСЭД НКИ, Ю. С. Крючков): а — в электроаккумляторах; б — в маховике.
1 — винт; 2 — гребной вал; 3 — муфты; 4 — редуктор; 5 — мотор-генератор; б — ветродвигатель; 7 — вспомогательный дизель; 8 — электроаккумуляторы; 9 — маховичный аккумулятор.

На рис. 44, а показана принципиальная схема комбинированной энергетической установки, предназначенной для обеспечения хода в штилевую погоду, в условиях близости навигационных опасностей, при входах в порты и т. д., т. е. во всех случаях, когда необходимо движение со средней и малой скоростью. Установка включает гребной винт регулируемого шага, гребной вал, соединяющий винт со вспомогательным дизелем. На гребном валу находится конический редуктор, с которым соединяется вертикальный мотор-генератор, приводимый в движение одним или несколькими ветродвигателями. Все механизмы установки могут соединяться с помощью разобщительных муфт.

Установка работает в следующих режимах: дизель на гребной винт; ветродвигатели на гребной винт; мотор-генератор на гребной винт; дизель на мотор-генератор; ветродвигатели на мотор-генератор; гребной винт на мотор-генератор.

Таким образом, установка в режиме движения позволяет осуществлять ход судна с помощью дизеля, ветродвигателя или мотор-генератора (от аккумуляторных батарей), используя соответственно энергию топлива, ветра и электричества.

В режиме зарядки батарей или выработки электроэнергии для судовых нужд производится вращение мотор-генератора дизелем, ветродвигателем или гребным винтом.

Химический способ переработки и хранения энергии ветра включает вместо аккумуляторных батарей электролизное устройство, разлагающее морскую воду на химические элементы — кислород и водород, которые затем поступают для хранения в баллоны. При необходимости оба газа из баллонов используют для работы судового вспомогательного дизеля по циклу Эррена. Установка оказывается экологически чистой, так как вместо выхлопных газов образуются пары воды. Баллоны могут служить в качестве твердого балласта.

Вариантом установки для переработки и хранения энергии ветра в виде химических элементов может служить батарея топливных элементов, конструкция и использование которых в настоящее время отрабатываются за рубежом для подводных лодок.

Принципиально наиболее простым является механический (инерционный) способ переработки и хранения энергии ветра. В этом случае исключаются промежуточные этапы переработки механической энергии в электрическую и химическую, что повышает КПД установки. Роль накопителя энергии играет здесь тяжелый маховик, непосредственно раскручиваемый ветродвигателем или гребным винтом до высокой скорости . Раскрученный маховик долго сохраняет энергию и может отдавать ее при необходимости. Теория механических аккумуляторов энергии у нас в стране развита докт. техн. наук, проф. М. Гулиа; в плане создания крупных маховиков нет принципиальных трудностей. В США проф. Р. Постом предложены так называемые «супермаховики», которые можно раскручивать до огромных скоростей, не боясь их разрыва. Супермаховик состоит из концентрических колеи, навитых из кварцевого волокна и насаженных друг на друга с небольшими зазорами, заполненными эластичным веществом типа резины для предохранения ротора от расслоения.

Рис. 2. Механические аккумуляторы энергии: а — по схеме Н. Гулиа; б — по схеме Р. Поста.
1 — вал движителя; 2 — муфта; 3 — радиальный шариковый подшипник; 4 — сферический подшипник; 5 — промежуточный вращающийся кожух; 6 — маховики; 7 — неподвижный корпус; 8 — вал раскрутки маховика; 9 — конический редуктор; 10 — мотор-генератор; 11 — подшипник; 12 — супер-маховик; 13 — камера супер-маховика.

При массе 200 т и диаметре 5 м супермаховик, прокручиваемый с частотой вращения 3500 об/мин, может накапливать 20 МВт/ч энергии. Для большого транспортного парусного судна установка такого маховика не создает никаких массогабаритных сложностей, а проблема зарядки не окажется очень острой, так как маховик вращается в вакууме. Но для преодоления начальной инерции маховика, по-видимому, потребуется мощная приводная установка, которая вряд ли осуществима на судне. Поэтому судовые механические аккумуляторы могут быть только таких размеров, которые согласованы с мощностью реально осуществимых вспомогательных энергетических установок (дизелей, ветродвигателей). Для начальной раскрутки следует использовать вспомогательный дизель судна.

Применение маховичных аккумуляторов энергии на парусных судах не выходит за пределы современных инженерных решений. Однако все же могут встретиться препятствия, связанные с возникновением помех в управляемости судна, с дополнительной качкой и другими побочными явлениями, поскольку огромный вращающийся маховик станет играть на судне роль гигантского гироскопа. Будем все же надеяться, что эти побочные явления окажутся не столь существенными и инженеры найдут способ их ликвидировать.

Для подзарядки аккумуляторных батарей на небольших судах (например, круизных, спортивно-туристских, прогулочных) могут применяться и другие экологически чистые источники энергии — велопривод (педальный), использующий мускульную силу туристов, солнечные батареи, энергия волны и т. п.

На крупных транспортных парусных судах для подзарядки аккумуляторных батарей могут также применяться туннельные гидроэлектрические генераторы, приводимые в движение килевой и бортовой качкой судна на волнении.


Читать далее:

Категория Парусная система