Abstract and keywords
Abstract (English):
The designs of wind power plants (wind turbines) and high-speed characteristics of a number of promising vessels using wind are considered. It has been shown that the vessels with sails of different types have the lowest average speed and do not exceed 16 knots. Greater average speed (about 17 knots) have wind-powered vessels with Flettner rotors, and the maximum average speed (19 knots) have wind-powered vessels with wind power plants, which testifies to greater efficiency of blade wind turbines. Estimation of the parameters of the combined vertical axis wind turbines based on H-Darrieus and Savonius rotors for a small wind-driven ship. With wind speed of 10 m/s and swept rotor area of 80 m2 the useful power of a small-size wind-driven ship with combined vertical axis wind turbine is 13 kW (18 h/p). When necessary, 2-4 combined vertical axis wind turbines can be placed on board the ship. With wind speed Vs = 10-15 m/s speed of a small vessel with combined vertical axis wind turbine can reach 14-20 knots. The use of combined vertical axis wind turbine can save up to 50 % of fuel, and the payback period will not exceed 4-5 years.

Keywords:
small-size vessels, sailing vessels, ship wind turbines, Darrieus rotors, Savonius rotors, combined wind turbines, energy efficiency
Text
Использование возобновляемой энергии ветра на судах путём применения судовых ветроустройств, в дополнение к основному двигателю и взамен парусов, находит всё более широкое применение [1]. По данным зарубежных исследований примерно 10 %-ое снижение расходов на топливо уже оправдывает применение вспомогательных ветродвижителей на обычном дизельном судне. В 1970-1980-х гг. несколько японских кораблей были оснащены «жёсткими парусами» различных типов, что позволило значительно снизить расход топлива. Наиболее перспективны ветроэнергоустановки (ВЭУ) в виде ветропропеллеров с насадкой, которые привлекли внимание акад. П. Л. Капицы [2]. Их можно применять в качестве судовых ветроустройств для привода гребных винтов, а также для работы электрогенераторов. Насадка повышает скорость ветрового потока и удельную мощность установки. Но от насадки лучше отказаться, чтобы чрезмерно не повышать центр тяжести судна и не ухудшать остойчивость [3]. Автономные суда с ветропропеллерами конструируют таким образом, чтобы обеспечивалась непосредственная передача энергии ветра на гребной винт. При недостаточной скорости ветра используют аккумуляторы (экологически чистый вариант) или вспомогательные дизели. Пропульсивный эффект ветропропеллерной установки значительно выше, чем это представляется при обычном анализе, т. к. такая установка воспринимает ветер в зоне его устойчивых скоростей, а корпус «борется» с сопротивлением воздушной среды в зоне существенно меньших скоростей [4, 5], благодаря чему становится возможным движение моделей судов с ветропропеллером навстречу ветру, на что неспособны традиционные парусные суда. Существуют много примеров применения горизонтально-осевых ветроэнергоустановок (ГО ВЭУ), а также вертикально-осевых ветроэнергоустановок (ВО ВЭУ) на основе роторов Н-Дарье, Савониуса, Горлова и др. как источника получения электроэнергии и как основной двигательной установки, работа которых не зависит от направления ветра [4-11]. При этом в период безветрия или слабого ветра, скорость которого существенно меньше номинального значения, судовой двигатель на бензине или дизельном топливе используется в качестве резервного. В настоящее время наиболее реалистичным представляется использование ВО ВЭУ в качестве силовой установки на маломерных судах (самоходных судах с главными двигателями мощностью менее 55 кВт (75 л. с.), вместимостью менее 80 т, на которых может размещаться не более 12 пассажиров [12]. Одним из главных показателей судна является его скорость, которая, в первую очередь, зависит от типа и мощности ВЭУ. Поэтому центральной задачей при использовании энергии ветра для движения судов является выбор наиболее рационального двигательно-движительного комплекса, а также исследование основных параметров ВО ВЭУ для движения судов. Целью работы является оценка параметров ВО ВЭУ для двигательно-движительного комплекса маломерных судов, задачами - краткая классификация и оценка эффективности конструкций различных типов ВЭУ на судах, а также определение основных геометрических и энергетических параметров ВО ВЭУ на основе роторов Н-Дарье и Савониуса для энергоустановок маломерных судов. Классификация ветрового двигательно-движительного комплекса Рассмотрим краткую классификацию двигательно-движительных комплексов, использующих энергию ветра [9]. Ветер может приводить в движение суда с помощью ветряных движителей и двигателей. Суда, приводимые в движение непосредственно давлением ветра на паруса разных видов (мягкие и жёсткие), называются парусными. В отличие от них суда, приводимые в движение механическим путём или требующие для движения дополнительных затрат механической энергии, называются ветроходами. На судах могут использоваться следующие виды движителей: мягкие паруса разных типов; жёсткие паруса разных форм; полужёсткие, состоящие из мачты-крыла и мягкого корпуса; роторы и др. Различают три типа ВЭУ, приводящих в движение гребные винты судов: ГО ВЭУ, ВО ВЭУ и с изменяемой установкой оси вращения (практически не применяются). Кроме того, существуют суда, на которых ВЭУ сочетаются с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП), размещаемыми на палубе и даже на жёстких парусах [5]. Оценка эффективности конструкций различных типов ВЭУ на судах Рассмотрим в качестве примеров некоторые современные конструкции установленных парусов, на прогулочных, пассажирских и транспортных судах [5, 6] (рис. 1). а б в г Рис. 1. Разновидности современных парусных судов: а - с мягкими парусами; б - с полужёсткими парусами; в - с жёсткими парусами; г - с жёсткими парусами с размещёнными на них ФЭП На рис. 1 представлены разные виды современных парусных судов с мягкими (рис. 1а), полужёсткими (рис. 1б), жёсткими парусами (рис. 1в), а также с жёсткими парусами с размещёнными на них ФЭП (рис. 1г), форма и положение которых по отношению к направлению ветра изменяются с помощью специального механизированного электропривода. Как отмечается в работе [6], одной из важных предпосылок применения парусников современных конструкций является фактическое снижение средней рейсовой скорости многих грузовых и пассажирских судов до 9-10 уз с целью экономии топлива. Более 100 лет назад средне-рейсовая скорость парусников при несовершенном парусном вооружении и «примитивных» способах управления судном доходила до 6-7 уз, что говорит о том, что даже обычные парусники без особых усовершенствований в ряде случаев были бы способны конкурировать за фрахт. Парус рассматривается исследователями как вспомогательное, так и основное средство для движения парусного судна со вспомогательным механическим двигателем. К недостаткам всех парусных судов относится невозможность их движения против направления ветра с углом менее 35-45º. К ветроходам можно отнести суда со всеми типами ВЭУ и суда, использующие роторы Флеттнера. Рассмотрим примеры применения ГО ВЭУ на судах различных типов (рис. 2) [5, 6]. а б в г Рис. 2. Применение ГО ВЭУ на маломерных судах: а, б - мотопарусная яхта катамаранного типа с использованием четырёхлопасной ГО ВЭУ для электроснабжения; в - экспериментальная катамаранная установка с использованием ГО ВЭУ и ФЭП, расположенными на палубе; г - катамаран с мощной трёхлопастной ГО ВЭУ в качестве основной двигательной установки Недостатками ГО ВЭУ на рассмотренных судах являются их низкая энергоэффективность, обусловленная быстрой сменой направления ветра, и необходимость столь же быстрой ориентации горизонтальной оси ротора по ветру, что практически невоможно. На рис. 3 показаны примеры применения ВО ВЭУ и роторов Флеттнера на судах-ветроходах различных типов [5, 6]. а б в г д Рис. 3. Применение ВО ВЭУ и роторов Флеттнера на судах-ветроходах различных типов: а - яхта катамаранного типа с использованием двух ВО ВЭУ на основе роторов Горлова для электроснабжения судна; б - транспортное судно на четырёх поплавках с использованием двух двухъярусных шестилопастных ВО ВЭУ с ротором Н-Дарье в качестве основной двигательной установки; в - катер тримаранного типа с использованием двух роторов Флеттнера; г - яхта катамаранного типа с использованием двух роторов Флеттнера; д - транспортное судно большого водоизмещения с четырьмя роторами Флеттнера Достоинством всех приведённых на рис. 3 видов ВО ВЭУ на судах по сравнению с ГО ВЭУ является отсутствие необходимости использовать в их конструкции направляющие механизмы, т. к. работа этих установок не зависит от направления ветра, за счёт чего повышается их энергетическая эффективность (коэффициент мощности). Все 3 типа судов, оборудованных ротором Флеттнера (рис. 3в, г, д), используют эффект Магнуса, возникающий при вращении вертикальных труб специальным двигателем небольшой мощности, что приводит к возникновению большой толкающей силы, достигающей максимального значения при направлении ветра, перпендикулярном курсу судна. Применение всех рассмотренных типов судов позволяет сэкономить дублирующим ДВС не менее 50 % топлива. Сравнение скоростных характеристик ряда перспективных судов, использующих энергию ветра, приведено в [8]. Самыми низкими скоростями обладает барк с прямыми парусами: максимальной скоростью 15-17 уз при углах от 110 до 165º, снижающейся до 11 уз при 180º и до 7 уз при 70º, составляя в среднем 12 уз. Скоростные характеристики судна с треугольными парусами на поворачивающихся мачтах выше, чем для барки с прямыми парусами: средняя скорость составляет 14 уз. Наибольшей средней скоростью 16 уз среди парусных судов обладает судно с парусом-крылом; ещё большей средней скоростью около 17 уз - суда-ветроходы с ротором Флеттнера; максимально достигаемой средней скоростью 19 уз - суда-ветроходы с ГО ВЭУ. Таким образом, лучшими скоростными характеристиками обладает судно с ГО ВЭУ, что свидетельствует о большей энергетической эффективности лопастных ВЭУ по сравнению с ротором Флеттнера и парусами различных типов. Определение параметров ВО ВЭУ для энергоустановок маломерных судов Работа ВО ВЭУ не зависит от направления ветра, что является несомненным преимуществом перед ГО ВЭУ. ВО ВЭУ имеют 2 основных типа ветроколеса (ротора): быстроходные типа Н-Дарье с вертикальными лопастями крылового профиля, вращающимися за счёт подъёмных сил; тихоходные типа Савониуса с полуцилиндрическими лопастями, вращающимися за счёт разности сил лобового сопротивления [3, 4, 12-15]. Преимуществами роторов Н-Дарье является быстроходность и высокая энергетическая эффективность, недостатком - невозможность самозапуска. Достоинством роторов Савониуса является возможность его самозапуска, недостатками - тихоходность и низкая энергетическая эффективность. Наряду с этими группами ВО ВЭУ, выпускаемыми серийно, имеются комбинированные вертикально-осевые ветродвигатели (КВОВД), в которых сочетаются два описанных принципа действия [13], варианты которых разработаны авторами в лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при Астраханском государственном техническом университете. Коэффициент мощности (энергетический КПД) КВОВД при одинаковой высоте лопастей роторов Н-Дарье и Савониуса может быть равен (1) где Спвв - коэффициент, учитывающий потери энергии за счёт взаимного влияния роторов; СрД, СрC - коэффициенты мощности роторов Н-Дарье и Савониуса; DД, DC - диаметры роторов Н-Дарье и Савониуса. Максимальное значение коэффициент мощности (энергетический КПД) современных наиболее совершенных роторов Н-Дарье достигает CPД = 0,47. Для идеального ротора Н-Дарье, имеющего только лопасти и не имеющего траверс, создающие дополнительное сопротивление и вихревые потоки, препятствующие работе лопастей, было получено максимальное значение СрД = 0,72 [14]. Коэффициент Спвв можно принять равным 0,90. Расчёты по формуле (1) при оптимальном соотношении диаметров роторов Савониуса и Н-Дарье, равном 0,20, при CpД = 0,72 и CpД = 0,20 позволили получить значение энергетического КПД КВОВД на основе роторов Н-Дарье и Савониуса равное 0,55, что существенно больше, чем для ГО ВЭУ, не превышающего 0,35-0,45 [2]. Полезная мощность ветрохода с КВОВД, передаваемая на гребной винт: (2) где ηгв - КПД гребного винта, по данным [16] может достигать 0,70-0,80; ρв - плотность воздуха, можно принять равной 1,26 кг/м3; SрДС - ометаемая площадь ротора, равная произведению диаметра и высоты ротора Н-Дарье (SрДС = DДНД). Расчёт по формуле (2) полезной мощности ветрохода с КВОВД при скорости ветра Vв = 10 м/с и ометаемой площади ротора SрДС = 4 ∙ 20 = 80 м2 составляет 13 кВт (18 л. с.) Такой мощности вполне достаточно для привода винта большинства маломерных судов (моторных лодок, катамаранов, тримаранов, яхт, катеров и др.) и (или) для выработки необходимой для маломерного судна электроэнергии. При необходимости на маломерном судне могут быть размешены 2-4 КВОВД. Как отмечается в работе [17], соотношение между скоростями судна-ветрохода и ветра составляет (3) Расчёты по формуле (3) показывают, что соотношение составляет 0,70. Таким образом, при скорости ветра Vв = 10-15 м/c скорость маломерного судна с КВОВД на основе роторов Н-Дарье и Савониуса может достичь 14-20 уз, что позволит сэкономить до 50 % топлива судовой энергетической установки на основе бензинового или дизельного ДВС, а срок окупаемости не будет превышать 4-5 лет. Выводы 1. Применение ВЭУ различных типов помогает снизить загрязнение воздуха, повысить уровень энергетической безопасности и предотвратить изменение климата. В настоящее время достаточно эффективным представляется использование ВЭУ, в частности ВО ВЭУ, в качестве силовой установки на маломерных судах вместимостью менее 80 т, с главными двигателями мощностью менее 55 кВт (75 л. с.). 2. Сравнение скоростных характеристик ряда перспективных судов, использующих ветер, показывает: самой низкой средней скоростью, не превышающей 16 уз, обладают суда с парусами различных типов; большей средней скоростью (около 17 уз) - суда-ветроходы с ротором Флеттера; максимальной (19 уз) - суда-ветроходы с ВЭУ. Полученные данные свидетельствуют о большей эффективности лопастных ВЭУ. 3. Расчёты показывают, что коэффициент мощности (энергетический КПД) КВОВД на основе роторов Н-Дарье и Савониуса может достигать 0,55, что превышает значение КПД для ГО ВЭУ, не превышающего 0,45. Полезная мощность маломерного судна-ветрохода с КВОВД при скорости ветра Vв = 10 м/с и ометаемой площади ротора SрДС = 80 м2 составляет 13 кВт (18 л. с). При необходимости на маломерном судне могут быть размещены 2-4 КВОВД. При скорости ветра Vв = 10-15 м/c скорость маломерного судна с КВОВД может достичь 14-20 уз. Применение КВОВД позволит сэкономить до 50 % топлива судовой энергетической установки на основе бензинового или дизельного ДВС, а срок окупаемости не превысит 4-5 лет.
References

1. Dobrynin A. Ya., Kutenev A. A., Carev B. A. Vozmozhnosti primeneniya vetroustroystv v predel'nyh vetrovolnovyh usloviyah. URL: http://www.shipdesign.ru/Sea/2011-02-15/1__56-63.pdf (data obrascheniya: 08.05.2018).

2. Berngardt R. P. Empiricheskie rezul'taty resheniya zadachi Kapicy o dvizhenii korablya pod deystviem vozdushnoy turbiny // Morehodstvo i morskie nauki - 2009: izbr. dokl. Vtoroy Sahalin. region. mor. nauch.-tehn. konf. (23 sentyabrya 2009 g.). Yuzhno-Sahalinsk: SahGU, 2009. S. 101-104.

3. Carev B. A. Zadacha optimizacii proektnyh harakteristik transportnyh sudov s vetroenergeticheskimi ustanovkami // Issledovaniya, proektirovanie i postroyka parusnyh sudov: tr. Nikolaev. korablestroit. in-ta. Nikolaev: Nikolaev. korablestroit. in-t, 1982. S. 69-73.

4. Abramovskiy E. R., Gorod'ko S. V., Sviridov N. V. Aerodinamika vetrodvigateley: ucheb. posobie. Dnepropetrovsk: Izd-vo DGU, 1987. 220 s.

5. Transportnye suda mogut ispol'zovat' energiyu vetra i solnca dlya ekonomii topliva. URL: https://rodovid.me/ecotransport/transportnye_sudna_s_parusami.html (data obrascheniya: 08.05.2018).

6. Rotornye vetrohody stanovyatsya real'nost'yu. URL: http://www.barque.ru/shipbuilding/ 1983/rotary_wind_walker_becomes_reality (data obrascheniya: 10.05.2018).

7. Rotor Flettnera. URL: http://innotec.ru/articles/chudesa-vokrug-nas/747-rotor-flettnera-statya-33-21-03-17 (data obrascheniya: 10.05.2018).

8. Vetrovaya ustanovka na korable. URL: https://alternativenergy.ru/vetroenergetika/98-vetryak-na-sudne.html (data obrascheniya: 17.05.2018).

9. Chetyre perspektivnyh varianta sudov-vetrohodov. URL: http://www.barque.ru/image/13824/1 (data obrascheniya: 17.05.2018).

10. Parusniki i vetrohody. URL: http://www.welleconomics.ru/wens-502-1.html (data obrascheniya: 17.05.2018).

11. Parusa atomnogo veka. URL: http://www.boatportal.ru/articles/752 (data obrascheniya: 17.05.2018).

12. Gorelov D. N. Energeticheskie harakteristiki rotora Dar'e (obzor) // Teplofizika i aeromehanika. 2010. T. 17. № 3. S. 325-333.

13. Gorelov D. N. Aerodinamika vetrokoles s vertikal'noy os'yu vrascheniya: monogr. Omsk: Poligraf. centr KAN, 2012. 68 s.

14. Modi F. Harakteristiki vetrodvigatelya Savoniusa // Sovremennoe mashinostroenie. Seriya A. 1989. № 10. S. 139-148.

15. Volkov N. I. Aerodinamika ortogonal'nyh vetrodvigateley: ucheb. posobie. Sumy: VVP «Mriya-1» LTD, 1996. 198 s.

16. KPD grebnogo vinta. Fizicheskaya suschnost' poter' pri rabote grebnogo vinta i puti povysheniya KPD vinta. URL: https://cyberpedia.su/12x42f5.html (data obrascheniya: 16.05.2018).

17. Balans energii parusnogo sudna. Vetrohody. URL: https://lektsii.org/15-13655.html (data obrascheniya: 10.05.2018).