Ветряки парусные: Ветрогенератор паросного типа, его принцип работы, преимущества и недостатки

Ветрогенератор паросного типа, его принцип работы, преимущества и недостатки

Содержание

• Как работает парусный ветрогенератор
• Достоинства и недостатки
• Парусный ветрогенератор своими руками

Первые ветряные мельницы придумали в Персии за 200 лет до н.э. Там с их помощью перемалывали зерно. А вот использовать ветрогенераторы как источник электрической энергии люди начали в XIX веке, когда один смекалистый фермер из Дании соединил два механизма: ветряную мельницу и электрогенератор. С тех пор ветряки используются не только в хозяйствах, но и в промышленности, а также в домашнем обиходе. Давайте разберемся в принципе работы такого источника энергии, его плюсах и минусах, а также рассмотрим способ сделать парусный ветряк своими руками.

Как работает парусный ветрогенератор

В качестве прототипа современных парусных ветрогенераторов выступал обычный ветряк-водокачка. Он преобразовывал ветряную энергию сначала во вращательное, а потом — в возвратно-поступательное движение. За счет этого двигалась помпа, которая подавала воду из скважины. Удивительно, но такие ветряки существуют и по сей день. Их популярность обусловлена надежностью и простотой конструкции.

Внешне старые и новые модели практически идентичны. Разница в материале, используемом для лопасти. У ветряков старого образца лопасти были cделаны из жестких материалов, а у современных — из мягких (брезент, парусина, нетканые слоистые материалы). По своему предназначению старые и новые ветряки тоже различаются: они выполняют разные функции. Водокачки использовались для подачи воды, а нынешние ветряки — для добычи электроэнергии.

Устройство и принцип работы современных парусников

Главная задача ветрогенератора парусного типа — превращать энергию ветра во вращение. Таким образом и получается электричество. На лопасти замкнутой или незамкнутой формы натягивается материал на манер лепестка. Сам парус представляет собой треугольник с вершиной у самого центра вращения. Одна из сторон этого треугольника должна примыкать к вершине и не присоединяться к раме.

Под силой давления ветра парус слегка прогибается, после чего начинает вращаться. В отличие от ветряков другого типа, парусник стартует даже при низких колебаниях ветра: генератор начинает работу со скорости ветра 3-4 м/сек. Даже при столь небольших скоростях генератор способен заряжать аккумуляторы!

Секрет эффективности парусников в форме лопастей. Они напоминают собой цветочные лепестки. Поэтому порыв ветра, попадая в такой раструб, «наращивает плотность» и действует на лопасти с максимальной силой. Вспомните детские игрушки-ветряки, способные вращаться при малейшем колебании ветра: парусник работает по тому же принципу.

Достоинства и недостатки

У парусного ветрогенератора множество плюсов:

• высокий КПД;
• экологичность;
• низкие показатели шума;
• легкость обслуживания и ремонта;
• простота изготовления своими руками;
• облегченная и компактная конструкция;
• эффективная работа при низкой скорости ветра.

Проанализируйте минусы парусников, чтобы понять, подойдет ли вам такой источник энергии:

• потеря мощности при сильном ветре;
• лопасти не выдерживают высокие нагрузки;
• медленный набор оборотов при смене направления ветра;
• остановка механизма при резкой смене направления ветра.

Если вы проживаете в регионе с постоянными сильными ветрами, которые часто меняют направления, тогда парусник — не ваш вариант. Также конструкцию не стоит возводить в местах, окруженных горами или высокими строениями. Подобные препятствия на пути ветра создают завихрения — парусник не сможет подстроиться под постоянную смену порывов, и в итоге выйдет из строя.

Парусный ветрогенератор своими руками

Сначала вам нужно изготовить мачту, на которую будет крепиться ветряк. Проще всего использовать схему ферменной мачты треугольной или четырехугольной формы. Под основание мачты выкопайте яму и сделайте закладки для крепежа мачты на бетон. После закладок и вставки мачты, залейте в яму бетон и дайте ему застыть. После такой основательной подготовки ваш ветрогенератор устоит даже при шквальном ветре.

Поворотную ось генератора можно изготовить из подручных материалов: например, из колесных дисков и разобранного моста. Чтобы не покупать генератор, используйте двигатель постоянного тока из старого механизма. Подойдут двигатели даже 60-х или 70-х годов выпуска. Достаточно будет, чтобы генератор выдавал напряжение около 50В. После этого соберите узлы привода от редуктора к генератору.

Чтобы поднять и установить детали на мачту, удобней всего воспользоваться лебедкой. Сначала поднимите поворотную конструкцию, а уже потом — генератор. Когда основные работы завершены, приступайте к конструированию колеса. Для него можно использовать любой поворотный механизм и нетяжелые рейки (в качестве спиц). Наденьте на каркас паруса, как показано на фотографии: в форме треугольных лепестков. Готовое колесо с парусами поднимите лебедкой на мачту и закрепите болтами. При первом порыве ветра ваш парусный ветряк придет в движение и начнет подавать энергию к аккумуляторам.

Как видите, сконструировать парусник легко. Если у вас нет под рукой материалов, описанных в статье, импровизируйте. Главные составляющие — мачту, двигатель и паруса — реально сделать из любых доступных запчастей и материалов, которые отыщутся в любом гараже или сарае. Соблюдайте правила безопасности и не забудьте протестировать ветряк перед вводом в эксплуатацию.

Парусный ветряк. Анализ конструкции парусного ветряка, примеры использования, мощность.

Продолжение статьи. ( начало статьи ). ( Часть 2 статьи ). ( Часть 3 статьи ). Часть 4 статьи ). Часть 5 статьи ). Часть 6 статьи ).

Ну что же, если предыдущие 6 статей с описаниями проблем, с которыми вам придется столкнуться при постройке ветроэлектростанции еще не отбили у вас охоту с ней связываться, приступим к описанию конкретных моделей ветряков. Начнем с самых простых.

Парусный ветряк.

Человечество использует паруса с незапамятных времен, уже много тысяч лет. Вобщем, сколько себя помнит. Когда о аэродинамике еще и понятия не имели. Но ветряные мельницы уже крутились и лодки под парусами уже плавали. Правда в те времена пользовались обычно плоскими парусами. В средние века были изобретены паруса более совершенные, что тут же повлекло резкий скачок в развитии мореплавания, и как следствие — наиболее громкие географические открытия. Но до сих пор парус продолжает служить и будет служить людям до тех пор, пока дует ветер.

Как выглядит парусный ветряк вам должно быть понятно из фотографий. Не вдаваясь в дебри аэродинамики, можно сказать, что парусный ветряк один из самых простых, но в тоже время один из самых неэффективных существующих ветряков. КИЭВ парусного ветряка не может быть выше 20% даже теоретически. Это означает, что вы будете получать только 1/5 часть мощности ветрового потока, попадающего на лопасти парусного ветряка. Например, если ветер дует со скоростью 5 м/с, а ветряк у вас 5 метров в диаметре, то мощность ветрового потока будет ок. 1500 Ватт. Вы же реально можете снять с ветряка только 300 Ватт (в лучшем случае). И это с пятиметровой конструкции!

К счастью только низким КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) недостатки парусного ветряка и ограничиваются. Дальше идут только достоинства.

Парусный ветряк — самый тихоходный ветряк. Его быстроходность редко приближается к 2, а обычно находится в диапазоне от 1 до 1,5. И все из за его чудовищной аэродинамики.

С другой стороны, парусный ветряк — один из самых чувствительных ветряков. Он работает с самого низа диапазона скоростей ветра, начиная буквально от штиля, с 1-2 метров в секунду. А это намаловажный фактор в условиях центральной России, где ветер редко бывает больше 3-5 метров в секунду. Тут, где более быстроходные ветряки по большей части бьют баклуши, парусный ветряк будет хоть что то выдавать. Хотя, как вам наверное известно, Россия не славится ветряными мельницами, тут не приморская Голландия и ветра нас не балуют. Зато было много водяных мельниц.

Еще одним достоинством парусного ветряка является удивительная простота его конструкции. Вал ветряка, на подшипниках, естественно, на валу — ступица. К ступице прикреплены «мачты», обычно из от 8 до 24-х. А от мачт отходят косые паруса из прочной тонкой материи, как правило, синтетической. Другая часть паруса крепится шкотами, которые выполняют и роль регуляторов угла поворота парусов и роль противоштормовой защиты. Т.е. самое примитивное парусное вооружение, проще, чем на самой простой яхте.

Именно эта простота конструкции и не позволяет отправлять парусный ветряк в архив технических достижений человечества. Для переносного, перевозного, походного, аварийного варианта парусный ветряк — достаточно достойная конструкция. В собранном варианте он представляет собой упаковку не больше, чем палатка. Паруса свернуты, мачты сложены. Даже 2-х метровый парусный ветряк на ветре в 5 метров/сек даст верных 25-40 Ватт энергии, чего с лихвой хватит для зарядка аккумуляторов и связной и навигационной аппаратуры, да и для незамысловатой системы освещения на мощных светодиодах хватит.

Невысокая по определению мощность парусного ветряка наводит на мысль о применении в качестве генератора шагового двигателя аналогичной мощности ( 30-40 Ватт). Ему тоже не требуются высокие обороты, 200-300 в минуту вполне хватит. Что идеально согласуется с частотой оборотов ветряка. Ведь он при быстроходности 1,5, будет выдавать эти 200 оборотов уже при ветре 4-5 метров в секунду. Используя готовый шаговый двигатель вы тем самым избавите себя от достаточно серьезной мороки по изготовлению электрогенератора. Поскольку изначально подразумевается наличие редуктора или мультипликатора, то легко можно согласовать обороты парусного ветряка и генератора.

Если сделать вариант с жесткими (пластиковыми парусами), то можно будет несколько увеличить быстроходность, правда за счет некоторого снижения мобильности. В разобранном виде ветряк будет занимать больше места.

Поэтому если ваши амбиции по запряганию ветра в свою телегу ограничиваются мощностью в пару-тройку десятков Ватт для зарядки небольших и средних аккумуляторов, (до 100 А.ч), организацией простого освещения с помощью инвертора до 220 вольт и энергосберегающих ламп, то парусный ветряк — весьма и весьма достойный вариант. Это будет пусть и не самый эффективный в плане использования энергии ветра, но очень бюджетный и быстро окупаемый вариант. 2-3 метровый ветряк будет выдавать вам до 1 КВт энергии в сутки.

В качестве походного, парусный ветряк будет дешевле самого дешевого бензинового электрогенератора и окупит себя изначально.

Стационарные парусные ветряки строят изначально большие именно из-за их невысокого КИЭВ. Не менее 5-6 метров диаметром, иначе нет смысла. Такой ветряк уже стабильно будет выдавать до 2-3 Квт энергии в сутки. И при рачительном ее использовании, их можно превратить в 3-5 Квт осветительной энергии (например для освещения теплицы или парника). А при использовании теплового насоса — в 5-6 Квт тепловой энергии, что позволит отапливать небольшой садовый домик в 20-30 кв. метров и серьезно экономить топливо.

Поэтому парусный ветряк, несмотря на свою архаичность конструкции остается способом использования ветра все еще заслуживающим внимания. Особенно в зоне слабых ветров.

Верхний предел рабочей скорости ветра у парусного ветряка не более 10-12 метров в секунду. И то у самых надежных ветряков. Поэтому при конструировании парусного ветряка следует серьезно озаботиться штормовой защитой. Например сделать «ломающиеся» мачты, на основе конструкции антенны Куликова, или придумать устройство расслабляющие шкоты, что бы превратить паруса во флаги, или складывать мачты при помощи тросов –растяжек, и т.д.

Навигация по ветряным электростанциям: что можно и чего нельзя делать

Ветряные электростанции хотят ограничить места, где яхты могут плавать вокруг них. RYA борется за свободу судоходства. Стюарт Каррутерс точно рассказал Тоби Хеппеллу, что вы можете и чего не можете делать. тем, кто находится на восточном побережье или направляется в Бельгию, Данию или Нидерланды, нужно подумать.

Датчане были первыми, кто установил морские турбины в 1970-х годах, но первые заявки на ветряные электростанции в Великобритании были поданы только в 1996 году. морского дна до начала строительства.

Переговоры с Береговой охраной, RYA и другими заинтересованными сторонами были проведены Британской ассоциацией ветроэнергетики, которая затем сформулировала передовые практические рекомендации по развитию морских ветровых электростанций.

Лопасти ротора могут находиться на высоте не менее 22 м над MHWS, что должно быть нормально для большинства крейсеров.

Первый проект в водах Великобритании был завершен в 2001 г. сданы в эксплуатацию демонстрационные площадки.

Еще семь находятся в стадии строительства, а остальные участки либо согласованы, либо находятся на стадии планирования.

Важно отметить, что с момента начала эксплуатации у побережья Великобритании не было зарегистрировано ни одного инцидента с прогулочными судами и оффшорными ветряными электростанциями.

Тем не менее, при перемещении по фермам в Великобритании необходимо соблюдать осторожность.

В других местах правила тоже отличаются от домашних.

Голландия и Бельгия полностью запрещали использование прогулочных судов в пределах своих ветряных электростанций, пока Голландия недавно не разрешила транзит через некоторые восточные ветряные парки.

Это морской ветряной парк Эгмонд-ан-Зее (OWEZ), ветряной парк принцессы Амалии (PAWP) у Эймейдена и ветряной парк Лухтердуйнен (LUD) у Нордвейка (любезно предоставлено Westhinder).

К счастью, частично из-за давления со стороны RYA и других, в Соединенном Королевстве нет той же проблемы ограниченного судоходства.

Некоторые фермы в Великобритании имеют специальный проход через них, например, широкий через Foulger’s Gat, но, как правило, вокруг каждой турбины есть только 50-метровая зона безопасности, поэтому проход через участки абсолютно разрешен.

Количество ветряных электростанций в водах Великобритании увеличивается из года в год

‘RYA доводит до сведения разработчиков через правительство необходимость поддерживать надлежащую маркировку, чтобы убедиться, что вокруг ветряных электростанций не установлены запретные зоны. , и что они соответствуют минимальным конструктивным параметрам высоты несущего винта и отмеченной на карте глубины, поэтому, если вы решите пройти через них, вы все равно сможете это сделать», — сказал Стюарт Каррутерс, менеджер по круизам в RYA.

«RYA является членом группы по связям с морскими и морскими возобновляемыми источниками энергии (NOREL), которая работает над обеспечением успешного сосуществования коммерческого и рекреационного судоходства и портов с оффшорными отраслями возобновляемой энергии.

«RYA регулярно отслеживает освоение участков морского дна, сдаваемых в аренду Crown Estate, чтобы оценить их потенциальное влияние на прогулочный лодочный спорт. Мы регулярно встречаемся с участвующими разработчиками, чтобы обсудить безопасность мореплавания для отдыха и отвечаем на национальные консультации от имени водного спорта для отдыха.

‘В основном консультации в Великобритании работали хорошо на протяжении многих лет, и крейсеры все еще могут проходить через ветряные электростанции с установленными ограничениями в 50 м от каждой опоры. Тем не менее, это постоянный процесс, и стоит убедиться, что вы следуете процедуре со своей стороны, чтобы обеспечить легкий проход. В настоящее время обсуждается — и я собираюсь встретиться с MCA по этому поводу — вспомогательные суда (или служебные оффшорные суда, чтобы дать им их правильное название), которые доставляют инженеров на фермы и пристыковываются к отдельным блокам с помощью моста. между лодкой и пилоном.

В настоящее время некоторые фермы подают заявки на создание зон безопасности вокруг этих лодок. С нашей точки зрения и с точки зрения MCA, они покрываются ColRegs, поскольку они просто судно с ограниченной маневренностью.

«Это всего лишь одна из областей, где ветряные компании часто пытаются откусить от правил, поэтому нам нужно сохранять бдительность.»

Каррутерс говорит, что в настоящее время система работает довольно хорошо, и почти все круизеры сообщают об очень незначительных проблемах с пониманием. как ориентироваться на фермах, но он предупреждает, что стоит убедиться, что вы знаете свои права.

‘Было несколько случаев, когда патрульные катера неправильно сообщали круизным судам, что им нельзя проходить через ферму. В тех случаях, когда это случалось, обычно это был случай, когда экипаж патрульного катера не был должным образом проинструктирован, поэтому ничего особо тайного не происходит, но в таких обстоятельствах может быть трудно донести свою точку зрения.

‘Мы наблюдаем расширение ветряных электростанций, и они все больше становятся тем, что должны понимать все моряки в Великобритании. Ветряная электростанция Rampion недалеко от Брайтона будет расширяться, и мы ожидаем, что она вырастет прилично. Они идут вверх по побережью Линкольншира, и еще больше их прибывает в район Ливерпульского залива».

Навигационные знаки

Ветряные электростанции обозначены средствами навигации и должны быть заметны днем ​​и ночью с учетом преобладающих условий видимости и движения судов.

В некоторых случаях основные знаки могут также постоянно размещаться рядом с ветряными электростанциями.

При строительстве вокруг рабочей зоны используются стандартные кардинальные отметки.

Угловая конструкция или другая важная точка на границе ветровой электростанции называется значимой периферийной структурой (SPS) и должна быть отмечена огнями, видимыми со всех сторон.

Эти огни должны быть синхронизированы для одновременного отображения характеристики «специального знака» МАМС, мигающего желтым цветом, с дальностью не менее пяти морских миль.

Имеются неподтвержденные данные о турбулентности с подветренной стороны ветряных электростанций, вызывающей несанкционированные выбросы, хотя в настоящее время мало убедительных доказательств.

Как минимум, каждый SPS будет показывать характеристики синхронизированного мигания. В некоторых случаях возможна синхронизация всех SPS.

В случае большой или протяженной ветровой электростанции расстояние между СЭС обычно не должно превышать трех морских миль.

Ключевой задачей RYA было обеспечение того, чтобы фермы располагались на удалении от берега.

«Изначально, когда правительство начало одобрять ветряные электростанции, нас заверили, что они будут в 12 милях от берега», — объясняет Карутерс.

‘Этого не было на нескольких первых фермах, но в последние годы это было поддержано. Мы считаем, что это очень важный момент. Когда речь идет о ветряных электростанциях, необходимо проявлять должную осмотрительность с точки зрения планирования перехода. Мы считаем, что если кто-то находится в 12 милях от побережья, то он, вероятно, собирается в довольно долгое путешествие, поэтому мы можем взять на себя тщательное планирование перехода. .

‘Если ветряные группы сблизятся, то есть вероятность, что они могут помешать прибрежному дневному плаванию, что может стать проблемой. ‘

Эффекты помех

Стюарт Каррутерс — менеджер круизов RYA и активно участвует в дискуссиях ассоциации с операторами ветряных электростанций

«Как-то раз я слышал, что на фермах возникают турбулентные явления, — говорит Каррутерс.

‘Но если подумать, когда они проектируют массив, они должны оставлять пространство между каждой турбиной, чтобы она не влияла на другую на ферме, так что я думаю, что эффект, если он вообще есть, вероятно, минимален. Я, конечно, не думаю, что по этой причине вам абсолютно необходимо учитывать направление ветра в отношении того, будете ли вы находиться с подветренной стороны массива при планировании.

‘Там, где ветряные электростанции могут создавать помехи, есть радар, где они имеют небольшой блокирующий эффект, поэтому неразумно полагаться на радар вокруг них. Опять же, случайно, мы слышали от членов RYA, что они влияют на УКВ, но нет никаких доказательств, подтверждающих это.

‘Мы также слышали, что из-за кабелей может быть влияние на компасы. Опять же, нет никаких доказательств, подтверждающих это, но я думаю, что это возможно, если маловероятно».0056 Do

• Обновляйте свои карты – бумажные и электронные – не реже одного раза в год, особенно в Северном море и у берегов Ливерпуля, где каждый год добавляются или расширяются новые ветряные электростанции.
• Проверьте правила для каждой ветряной электростанции при плавании в чужих водах. Некоторые разрешают проход через ветряную электростанцию, другие — нет.
• Внимательно следите за судами, так как плавание вокруг ветряных электростанций может привести к тому, что небольшие яхты попадут в каналы, которые также используются более крупными судами.
• Остерегайтесь турбулентности и внезапных порывов ветра при прохождении турбин с подветренной стороны.
• Будьте особенно осторожны при навигации вблизи ветряных электростанций в условиях ограниченной видимости. Поскольку добавляются новые конструкции, а рабочие лодки могут двигаться непредсказуемо, лучше перестраховаться и держаться подальше.
• Мониторинг рабочего УКВ-канала ветряной электростанции, если он доступен.
• Проверьте высоту мачты. Самая нижняя точка лопастей несущего винта имеет наименьшую воздушную тягу 22 м над MHWS — этого достаточно для большинства яхт.
• Используйте ветряные электростанции в качестве навигационных знаков, часто показывающих расположение мелководья.

Не

• Подплывайте ближе 50 м к турбине, так как у каждой турбины есть отдельная запретная зона.
• Проходить слишком близко к рабочим катерам, работающим на ветряных электростанциях. У них нет запретных зон, хотя некоторые могут утверждать, что они есть, но они вполне могут быть ограничены в своих возможностях маневрировать и должны уважаться как таковые.
• Забудьте о приливах и энергии волн. На ряде участков на южном побережье Англии, побережьях Уэльса и Ирландии, а также у берегов Северной Шотландии есть участки под застройку, которые могут нуждаться в особом уходе.

Новый взгляд на двигатель ветряной мельницы

файл фото

Опубликовано
26 окт. 2019 г., 1:30

Гарри Валентайн

На протяжении веков паруса составляли основу движения судов с помощью ветра, пока немецкий авиационный инженер Антон Флеттнер не разработал роторы Magnus с вертикальной осью, которые использовали эффект пограничного слоя для преобразования энергии ветра в движение судов. В конце 20-го века канадский профессор физики доктор Брэд Блэкфорд построил лодки с ветряными мельницами, способные плыть прямо против ветра. В начале 19Во время лодочной гонки 80-х годов в Галифаксе его лодка шла против ветра с большей скоростью, чем парусные конкуренты.

Введение

В настоящее время реализуются многочисленные инициативы по сокращению выбросов углекислого газа судовыми двигателями. В связи с этим существует постоянная заинтересованность в более широком использовании энергии ветра для движения судов с использованием комбинации воздушных парусов на основе воздушных змеев для захвата энергии параллельных нисходящих и боковых ветров, дующих под углом 90 градусов или более при измерении от носа. Некоторые современные суда, такие как 9Танкер 0142 Maersk Pelican несет пару 30-метровых роторов Magnus с вертикальной осью, установленных над его палубой, и во время эксплуатации это снижает выбросы с корабля до 10 процентов.

Интерес к корабельным двигателям с помощью ветра побуждает к изучению исследований и разработок Блэкфорда, который к 2010 году построил судно-катамаран на подводных крыльях, приводимое в движение одним трехлопастным ветряным двигателем с горизонтальной осью, установленным на вершине мачты и использующим механическую связь для управлять пропеллером. Двигаясь вдоль восточного побережья Северной Америки, судно достигло скорости 8 узлов по ветру и 12 узлов по ветру. Существует возможность объединить исследования Блэкфорда с последними достижениями в области технологии преобразования энергии ветра для разработки более крупных судов или, возможно, более быстрых судов.

Ветряные турбины

В то время как последняя лодка Blackford с ветряной мельницей представляет собой катамаран на подводных крыльях, вопрос, который необходимо изучить, заключается в том, есть ли возможности для расширения концепции и в какой степени? General Electric разработала трехлопастные ветряные турбины мощностью 12 МВт или 16 000 лошадиных сил. Калифорнийский разработчик ветряных турбин Дуг Селсам размещает ряд ветряных турбин, расположенных вдоль единого приводного вала удлиненной длины, который работает под углом к ​​преобладающему направлению ветра. Можно было бы установить параллельную пару многороторных супертурбин Selsam на вершине мачты с подвижным Т-образным элементом для крепления приводных валов.

Для одного приводного вала увеличенной длины потребуется два набора шестерен с углом поворота 90 градусов для передачи мощности на приводной вал с вертикальной осью, установленный внутри мачты из полой трубы, с тремя наборами шестерен для параллельных валов. Чтобы приспособиться к более сильному ветру, каждый приводной вал наклонялся, при этом передние турбины двигались вниз, а задние турбины поднимались выше. Параллельные многотурбинные силовые валы будут включать турбины небольшого диаметра, способные вращаться при сильном ветре, обеспечивая при этом движение судна. Единые сверхразмерные трехлопастные турбины будут применимы к большим судам, плывущим на малой скорости до восьми узлов против ветра.

Объединение инноваций

Бывший профессор бизнеса Мичиганского университета доктор Си Джей Прахалад представил теорию новых возможностей для бизнеса, возникающих в результате конвергенции новых технологий. И суда на подводных крыльях, и катамараны плывут по неспокойной воде с уменьшенной качке и качке. Перенос авиационных технических инноваций в морское применение будет включать установку гребного колеса с поперечной осью (ветряного двигателя) на верхнюю поверхность подводного крыла, чтобы перевести судно на подводное крыло, плывущее с меньшей скоростью по неспокойной воде. Цилиндрический ролик с приводом от водяного потока, встроенный в верхнюю поверхность подводного крыла, дал бы сравнимый результат.

В то время как целью увеличения ветровой тяги для больших грузовых судов является сокращение выбросов углерода, сочетание различных технических инноваций также может привести к созданию туристического катамарана на подводных крыльях с приводом от ветряной мельницы, способного плавно плыть по неспокойной воде, перевозя от 50 до 200 гостей. Доказанная способность гребных винтов, приводимых в действие ветряными мельницами, двигать судно прямо против ветра с более высокой скоростью, чем парусные суда эквивалентного размера и веса, расширяет перспективы установки такой технологии над носовой частью как больших, так и малых судов. Небольшие пассажирские суда, используемые в туристических целях, могут использовать несколько турбин на одном приводном валу.

Механическая передача мощности

В то время как трехлопастные турбины с горизонтальной осью обеспечивают более высокий КПД, чем ветряные турбины с вертикальной осью, последняя конструкция упрощает передачу тяговой мощности на винт(ы). Достижения в технологии шарниров равных угловых скоростей обеспечивают плавную передачу мощности под углом 45 градусов, при этом пара таких муфт способна передавать мощность от ветряной турбины с вертикальной осью, расположенной высоко над палубой, к гребному винту с горизонтальной осью. Из-за высокого крутящего момента при малых оборотах от больших трехлопастных турбин преобладает дорогая передача электроэнергии. Однако существуют новаторские методы передачи мощности между установленной в корме трехлопастной турбиной и гребным винтом лодки.

Представляется возможным совместить кормовой трехлопастный ветродвигатель с зубчатой ​​системой привода азимутального винта, нейтрализующей реакцию рулевого момента. Для применений, требующих турбины меньшего диаметра, компания Selsam построила двухлопастные турбины с двумя роторами, расположенными под углом 90 градусов друг к другу на удлиненном приводном валу с возможностью наклона, которые, как доказано, обеспечивают высокую мощность и работают при сильном ветре. В тех случаях, когда требуются ветряные турбины еще меньшего диаметра, необходимо использовать многотурбинную систему Selsam в кормовой части, чтобы большинство турбин находились вдали от пассажиров и позади них на борту круизного судна с ветровой тягой.

Мобильные плавучие ветряные турбины

Более высокая скорость ветра над океаном, чем над сушей, повышает привлекательность разработки морских плавучих ветряных турбин. Ветряные турбины как с горизонтальной, так и с вертикальной осью были адаптированы для приведения в движение лодок, что расширило перспективы комбинирования разработки стационарных и мобильных плавучих ветряных турбин в интересах как сектора производства электроэнергии, так и сектора морского транспорта. Есть несколько судоходных маршрутов, где тяга воздуха не ограничена, что позволяет использовать самые большие ветряные турбины для обеспечения движения судов. Судоходные маршруты с ограниченной воздушной осадкой потребуют технических инноваций для разработки технологии регулируемой по высоте ветровой энергии для движения судов.

Буксир/электростанция Windmill

Физическая конфигурация круизных судов и полностью загруженных контейнеровозов ограничивает размещение на борту ветряных турбин. Крупногабаритный многокорпусный буксир может включать в себя пару ветряных турбин, соединенных шарнирами с плавучими башнями. В то время как судно будет заходить в порты, размер супербуксира требует, чтобы он оставался на якоре за пределами портов. Когда судно выходит из порта с помощью буксира, оно будет соединено с судном с ветряной турбиной большого размера с внешними корпусами и ветряными башнями, расположенными на расстоянии до 300 метров друг от друга, с надстройкой корабля, обеспечивающей устойчивость ветровой установки по тангажу и крену.

Такое расположение может позволить паре ветряных турбин мегаразмера вырабатывать электроэнергию, когда корабль плывет прямо против встречного ветра. Пара ветряных турбин мощностью до 16 000 лошадиных сил каждая (12 МВт) будет поставлять электроэнергию на электродвигатели и гребные винты судна. Крупногабаритные плавучие ветряные установки, соединенные как с носовой, так и с кормовой частью, могут включать в себя три турбины, преобразующие энергию диагонального встречного ветра для контейнеровоза или круизного лайнера, что дает потенциал, приближающийся к 36 МВт, в то время как меньшая высота балкерных судов может позволить использовать энергию четырех ветряных турбин для выработки электроэнергии. мощность для движения корабля.

Технические возможности

Телескопический ротор Magnus может работать на высоте 30 метров над палубой в порту и выдвигаться на высоту 50 метров над палубой при переходе через океан. Шарнир, установленный в верхней части мачты ветряной башни, позволит трехлопастной турбине вращаться вокруг горизонтальной оси при движении через океан, а затем расцепляться и складываться в положение вертикальной оси, чтобы пройти под мостом, например, вдоль Суэцкого канала. . В будущем может появиться возможность разработать телескопические мачты ветряных башен, которые заключают в себе телескопические шлицевые концентрические приводные валы, чтобы еще больше уменьшить высоту над водой втянутых трехлопастных ветряных турбин.

Увеличенная по высоте или телескопическая сверхмачта двойного назначения с шарниром могла нести наклонную трехлопастную турбину на большой высоте. На более низкой высоте над палубой он будет поддерживать аэродинамический профиль или аэродинамический профиль с цилиндрами, вращающимися в противоположных направлениях, для улавливания энергии ветра, дующего на судно под углом от 20 градусов от носа до 90 градусов, чтобы дополнить ветряной двигатель и бортовой двигатель. воздушный змей-парус. При экстремальной скорости ветра ветряные турбины необходимо наклонить, чтобы уменьшить площадь поперечного сечения относительно направления ветра, или зафиксировать лопасти в нейтральном положении, чтобы предотвратить разрушение лопастей при высоких оборотах.

Бортовая ветроэнергетика

Скорость ветра увеличивается с высотой, что привело к развитию различных проявлений воздушного преобразования энергии ветра. Одна из версий технологии включает воздушного змея или воздушный шар с ветряной турбиной и генератором, а линия электропередач встроена в ограничительный трос. Другая версия сочетает в себе технологию воздушного змея с преобразованием механического движения в электрическую энергию на уровне земли. Эта технология все еще находится на ранних этапах разработки и обещает в будущем тяговую силу для небольших лодок, плывущих против встречного ветра, с установленным на корме тросом для технологии преобразования энергии ветра в воздухе.

Такое преобразование энергии ветра с бортовой технологией, закрепленной тросом на корме, подходит для небольших круизных судов на подводных крыльях, перевозящих туристов. Технология производства энергии будет находиться за судном на большой высоте, вдали от пассажиров и с минимальным уровнем шума, достигающим кормовой части судна. Некоторые варианты технологии, вероятно, могут включать в себя несколько тросов, соединенных с системами шкивов, которые приводят в движение приводной вал и гребной винт (-ы). Полностью механическая система снизит высокую стоимость электрического генератора (генераторов) и двигателя (двигателей) с потенциалом обеспечения более высокой эффективности преобразования энергии встречного ветра в движущую силу.

Комбинированная авиационная ветроэнергетика

Комбинация бортовой энергии ветра, прикрепленной к носу и корме судна, может обеспечить движение. Доказано, что убирающиеся бортовые воздушные змеи-парусы, размещенные в носовой части и сматываемые при необходимости, обеспечивают движение судов, используя параллельную энергию попутного и бокового ветра под углом до 90 градусов к центральной оси корабля. Для плавания прямо против встречного ветра или по диагонали против встречного ветра бортовая технология преобразования энергии ветра, закрепленная с помощью троса в кормовой части судна, может обеспечить значительную движущую силу, при этом технология буксируется за судном, когда это не требуется.

Выводы

По материалам соревнований по парусному спорту, проводившихся в начале 1980-х годов в Галифаксе, Канада, профессор физики Университета Далхаузи доктор Брэд Блэкфорд построил лодку с ветряной мельницей, которая плыла прямо против ветра с большей скоростью, чем конкурирующие лодки с парусным двигателем. Его исследование позволяет грузовым судам с ветряными мельницами плыть прямо против пассатов, что снижает затраты на топливо и выбросы углерода. Существует возможность использовать более ранние инновации Blackford с использованием современных технологий ветряных турбин и инноваций на подводных крыльях, чтобы разработать туристические круизные суда с ветряными двигателями, способные плавно плыть по неспокойной воде.

Будущие морские ветродвигатели, вероятно, будут включать в себя независимые суда с ветряными турбинами большого размера, которые будут работать за пределами портовых зон, которые будут соединены с большими контейнеровозами, сухогрузами и даже круизными судами для преобразования энергии ветра в электрическую тягу, когда эти суда отправляются из порта в плавание через океан. Будущие суда с ветряными двигателями, вероятно, будут использовать комбинацию бортовых воздушных змеев и ветряных мельниц, которые могут быть установлены на палубе, на отдельных узлах, которые соединяются с кораблем, или даже с технологией преобразования энергии ветра с воздуха, которая приводит в движение гребные винты судов.