CC BY
74superstructure is made. The dependence of the share of wood-based materials from the displacement of the empty vessel is defined.
Статья поступила в редакцию 26.12.2017 г.
УДК 629.535.4
Е.А. Черепкова, к.т.н., доцент, ФГБОУВО «ВГУВТ».
Н.И. Кшталтный, аспирант ФГОУ ВО «ВГУВТ», главный эксперт ВВФ РРР 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СУДОСТРОЕНИИ
Ключевые слова: альтернативные источники энергии, парусные суда, ветрогенера-тор, роторные суда, солнечные панели.
Рассматривается вопрос применения альтернативных возобновляемых источников энергии в судостроении. Приведен зарубежный опыт применения судов с использованием силы ветра и солнца. Приведены типы солнечных панелей.
Стремительное развитие научного и инжинирингового потенциала в судостроении, увеличило тенденцию внедрения энерго- и экологически эффективных технологий в отрасли. Наметилась устойчивая тенденция применения технологий, использующих возобновляемые источники энергии, которые могут привести к замещению иных на 30% [1]. Данные технологические решения основаны на использовании сил ветра, воды, земли и солнца. К подобным устройствам можно отнести ветровые турбины, солнечные электростанции (СЭС), солнечные фотоэлектрические системы (ФЭС), геотермальные электростанции (ГеоЭС), гидроэлектростанции (ГЭС) и приливные турбины (ПТ). Также наметилась тенденция применения водорода в энергетике. Экспертами ожидается, что через 10-15 лет водород в технически развитых странах начнет активно вытеснять и постепенно вытеснит органические энергоносители с рынка энергии [2].
Большая часть из указанных выше технологических решений находится на начальных этапах развития применительно к судостроению.
Оценка возможности применения наиболее перспективных методов энергосбережения за счет альтернативных источников энергии в судостроении представлена в табл. 1, где максимальный показатель соответствует 10 баллам [3].
Таблица 1
Оценка возможности применения альтернативных методов энергопотребления на судах
Методы энергопо- Завершенность Простота в ис- Потенциал в Окупае- Итого
требления технологии пользовании разработке мость
Ветер 6 10 10 6 32
Волнение 3 3 1 1 8
Солнечная энергия 5 8 7 6 26
Береговое обеспече- 6 10 1 1 18
ние электроэнергией
Из указанной выше таблицы видно, что наиболее перспективными методами снижения энергопотребления на судах является применение технологических решений с использованием сил ветра и солнца.
Ветер. Данный вид судовой движущей силы имеет достаточно долгую историю технологического роста: начиная от парусных судов, заканчивая судами с размещенными на борту ветрогенераторами (ВГ).
Голландская компания Dykstra разработала свой вариант сухогруза ЕсоИпег с возможностью самостоятельно загружать и выгружать грузы, так как мачты могут быть использованы в качестве кранов. Проектировщики Dykstra заявляют о возможности использования парусного движенияи на других типах судов, таких как танкеры, балкеры и тяжелые грузовые суда [4].
Рис. 1. Сухогруз Ecoliner
Разработано большое количество конструкций ВГ. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ВГклассифицируют на конструкции с горизонтальной и вертикальной осью вращения. ВГ с горизонтальной осью вращения подразделяются на конструкции с параллельным направлением ветрового потока и перпендикулярным направлением ветра (подобные водяному колесу).
Также суда с ВГ классифицируются на суда, движущиеся за счет генерации энергии, полученной за счет силы ветра и суда, движущиеся за счет силы ветра, образующейся за счет движения вспомогательного двигателя.
Наибольшее распространение получили суда с ВГ второго типа с вертикальной осью вращения, к которым можно отнести роторные. Эти суда имеют особое устройство ротор (в виде вращающихся башен), которое позволяет рационально использовать основную энергию для их движения. Данные виды судов могут иметь на борту от одного до четырёх устройств, которые вращаются вспомогательным двигателем.
Примером данного типа судов является грузовое судно Германского коммерческого флота «Е-БШР 1». Судно «Е-БШР 1» имеет водоизмещение 12 970 тонн при длине корпуса 130 м. На верхней палубе размещены четыре ротора типа «АеИпег» высотой 27 метров и диаметром 4 метра. С использованием данных устройств компания-оператор «Enercon» зафиксировала экономию топлива 15% (вместо ранее планируемых 40% при скорости в 16 узлов) [5].
Роторные суда могут лавировать и ходить всеми курсами относительно ветра. Однако они имеют ряд недостатков:
- размещение на борту вспомогательного двигателя для вращения ротора;
- запас топлива;
- судно должно лавировать при движении не только против ветра, но и при попутных ветрах.
Рис. 2. Грузовое судно «E-SHIP 1»
Самое необычное применение силы ветра было использовано на контейнеровозе MS Beluga Skysails с дополнительной тягой в виде воздушного змея, с площадью кай-та 160 м2 при длине судна 132 метра. По заверениям управляющая компаниясообщает об экономии топлива на (10-12)% (вместо ранее планируемых (20-30)%). Руководство компании SkySails GmbH заявляет о планах модернизации судна до 320 м2, что, по их мнению, позволит сэкономить около 30% топлива. SkySails утверждает, что использование ее технологии во всем мире сможет сократить выбросы углекислого газа более чем на 146 миллионов тонн (около 0,6% от общего объема выбросов CO 2 в мире). SkySails оценивает потенциальный рынок модернизации своей системой около 40 000 судов [6].
Рис. 3. Контейнеровоз MS Beluga Skysails
Исходя из выше сказанного, можно установить, что внедрение данного альтернативного метода энергопотребления на судах не позволяет полностью отказаться от использования топлива, но дает возможность его экономии в среднем до 15%.
Солнце. На судах достаточно много свободного не используемого палубного пространства, которое более энергоэффективно можно было бы использовать при размещении на нем солнечных панелей (СП). Но так называемая «солнечная полезная площадь» зависит от типа судна, его параметрических размеров, размещения рубки, конструкции надстройки и т.д. В связи с этим количество и размер СП, а значит и количество полученной ими энергии, также индивидуально. Немаловажным фактором
размещения СП является значение солнечной радиации, так как в разных широтах количество солнечных дней различно.
Учитывая вышесказанное, определим наиболее оптимальный тип СП для размещения на судах [3, 7, 8].
Монокристаллические СП (МКСП). Для производства МКСП используют очищенный кремний. После получения монокристалла и быстрого охлаждения (с 1400°С) его разделяют на тонкие пластины толщиной до 300 мкм, которые соединяются между собой тонкой сеткой из электродов. Особенностью также является то, что все зерна его кристаллов параллельны, а сами кристаллы направлены в одну сторону. МКСП обладают высокими показателями стабильности работы. КПД составляет 22%. В связи с трудоемкостью и высокой точностью производства МКСП имеет высокую себестоимость. Цвет панелей - черный.
Рис. 4. Типы солнечных панелей
Поликристаллические СП (ПКСП). Для получения поликристаллов, кремниевую субстанцию медленно охлаждают (с (800-1000)°С), что значительно снижает стоимость производства СП данного типа, по сравнению с МКСП. Поликристаллы «смотрят» в разные стороны, а в середине каждого кристалла зерна расположены не параллельно, что приводит к стабильной работе и в пасмурную погоду. КПД - 18%. Цвет панелей - темно-синий.
Аморфные СП (АСП). АСП относятся к комбинированному типу, так как они совмещают в себе кремниевый (материал изготовления) и пленочный тип панелей (технология производства). Материалом изготовления является силан (кремневодород), который наносят на подложку внутри СП. КПД - 5%. Данный тип панелей хорошо работает в пасмурную погоду, по сравнению с кристаллическими панелями. СП обладает высокой механической эластичностью (сгибание не приводят к повреждению материала и падению его производительности), малой толщиной (около 1 мкм), высоким уровнем оптического поглощения (МКСП и ПКСП ниже в 20 раз).
СП на основе теллурида кадмия (СПТК). СПКТ характеризуется высоким уровнем светопоглощения, так как основным материалом изготовления СП является кадмий, обладающий данным свойством. Сам материал очень ядовит, но уровень кадмия, который уходит в атмосферу при эксплуатации слишком низок, чтобы нанести вред здоровью человека. КПД - 10%. Стоимостьполучения 1 кВт мощности СПТК оказалась на (20-30)% ниже, чем у кремниевых СП.
СП на основе селенида меди-индия (СПСМИ). В данном типе СП используют в качестве фоточувствительных полупроводников такие материалы как медь, индий и
селен. КПД составляет 20%. Некоторые производители заменяют небольшое количество элементов с индием галлием, так как первый элемент востребован при производстве плоских мониторов, а галлий имеет несколько похожие свойства. Однако КПД панели с таким элементом становится меньше.
Полимерные солнечные панели (ПСП). В качестве проводников выступают поли-фенилен, фуреллены и фталоцианин меди. Толщина пленки составляет всего 100 нм. КПД - 5%. Но данный вид батарей обладает рядом положительных параметров, таких как низкая себестоимость СП, легкость, отсутствие вредных выбросов в атмосферу, высокая механическая эластичность и экологичность.
Примером применения судов с СП является автовоз «Auriga Leader», предназначенный для перевозки автомобилей Toyota. На верхней палубе 200-метрового судна было размещено 328 СП, которые покрывают 7% от общего энергопотребления. Полученная энергия использовалась для освещения кают и запуска ряда технических приборов и устройств. В процессе эксплуатации установлены следующие недостатки, а именно: трудности с генерацией и накоплением энергии в неблагоприятных погодных условиях. В результате в ходе модернизации судно оснастили новой системой гибридного питания, и двигатель адаптировали под топливо с низким содержанием серы [8].
1
б)
Рис. 5. Автовоз «Auriga Leader» (a); солнечные панели на борту «Auriga Leader» (б)
Проведем анализ средней стоимости СП с учетом цены за 1 Вт производимой мощности в рублях [9-12]. Результаты представлены на рис. 6.
:=
О
80 70 60
И ^50
« В 40
-Н § £
Й § 30
О С
20 10 0
о н
и
Тип солнечной панели
монокристаллические
поликристаллические
аморфные
на основе теллурида кадмия
на основе селенида
меди-индия
полимерные
Рис. 6. Средняя стоимость СП с учетом цены за 1 Вт производимой мощности в рублях
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что для судостроения наиболее приемлемыми являются пленочные СП. Не стоит упускать тот факт, что суда в ходе эксплуатации постоянно испытывают продольный и поперечный изгиб, поэтому немаловажным показателем при выборе СП является высокий уровень механической эластичности, которым обладает ПСП.
Эффективность применение одного из указанных выше технологических решений получения энергии существенно снижается за счет не стабильных климатических условий в разных регионах планеты. Наиболее универсальным технологическим решением в судостроении можно считать использование судовых комбинированных систем (СКС) возобновляемых источников энергии: ВГ + СП.
На рис. 7 представлена схема СКС с непосредственным подключением генерирующих установок к распределительной сети объекта электроснабжения. Все основные функции по распределению и управлению потоками энергии в рассматриваемой СКС обеспечивает буферный накопитель электроэнергии (БНЭ), который состоит из двунаправленного импульсного преобразователя и блока аккумуляторных батарей.
1
2
3
ВГ
СП
БНЭ
Судовая нагрузка
4
6
5
Рис. 7. Судовая комбинированная система: 1 - управляемый выпрямитель; 2, 4 - конвертор напряжения; 3 - шина переменного тока 220/380В, 50Гц; 5 - двунаправленный импульсный преобразователь; 6 - инвертор напряжения
Достоинством предлагаемой СКС является то, что функциональные возможности системы БНЭ могут быть существенно расширены: при введении в систему управления входных сигналов о текущих скоростях ветра с ВГ и величине солнечной радиации с СП. Также можно предусмотреть установку дополнительных модулей, которые позволят получать и обрабатывать информацию об условиях окружающей среды с метеорологического комплекса, рассчитать в режиме реального времени оптимальные значения текущих нагрузок для каждого генерирующего агрегата исходя из принципа максимума отбора мощности, и выбирать управляющие воздействия для каждого преобразователя генерирующего источника.
Создание и внедрение подобной системы обеспечит повышение энергетической эффективности СКС за счет:
- снижения удельного расхода топлива на выработку 1 кВт^ч электроэнергии;
- увеличение ресурса дизель-генераторов;
- снижения себестоимости вырабатываемой электроэнергии, обеспечиваемого уменьшение общесудового расхода топлива;
- повышение уровня надежности судового электроснабжения, обеспечиваемого резервом генерируемых мощностей.
Зарубежный опыт говорит, что применение возобновляемых источников энергии возможно и позволяет сократить энергопотребление до 20%, что так же ведет к снижению эксплуатационных затрат, снижению вредных выбросов, тем самым к улучшению экологического состояния.
Список литературы:
[1] Mark Z. Jacobson, Mark A. Delucchi Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part I: Technologies, energy resources, quantities and areas of infrastructure, and materials // Energy Policy. - № 39, 2011. - P. 1154-1169
[2] Радченко Р.В. Водород в энергетике: учеб.пособие / Р.В. Радченко, А.С. Мокрушин, В.В. Тюльпа. - Екатеринбург: Изд-во Урал.ун-та, 2014. - 229 с.
[3] Energy efficiency in shipping Review and evaluation of the state of knowledge / H. Lassesson, K. Andersson/ Department of Shipping and Marine Technology Division of Sustainable.
[4] Dykstra [Электронный ресурс]// WASP (Ecoliner). - Режим доступа: http://www.dykstra-na.nl/designs/wasp-ecoliner/ (датаобращения: 10.05.2017).
[5] Enercon [Электронный ресурс]// Classrenewalforthe 'E-Ship 1'. - Режим доступа: https://www.enercon.de/en/news/news-detail/cc_news/show/News/class-renewal-for-the-e-ship-1/ (дата обращения: 17.05.2017).
[6] Skysails [Электронный ресурс]// SkySails Propulsionfor CargoShips. - Режим доступа: http://www.skysails.info/english/skysails-marine/news/(дата обращения: 20.05.2017).
Ship Propulsion//Сhalmers university of technology. - Göteborg, Sweden, 2009 - Р. 37.
[7] Ahmed A. Salem, Ibrahim Sadek Seddiek Techno-economic approach to solar energy systems onboard marine vehicles//Рolish maritime research. - 3(91), 2016, Vol. 23. - Р. 64-71.
[8] Marineinsight [Электронный ресурсу/Auriga Leader - The World's First Partially Propelled Cargo Ship. - Режим доступа: https://www.marineinsight.com/types-of-ships/auriga-leader-the-worlds-flrst-partially-propelled-cargo-ship/(датаобращения: 15.05.2017).
[9] ЭнергоЛавка [Электронный ресурс]// Солнечные панели. - Режим доступа: https://energolavka.ru /catalog/solnechnye-paneli//(дата обращения: 12.05.2017).
[10] Tiu [Электронный ресурс]// Солнечные панели. - Режим доступа: https://nn.tiu.ru/ Monokristallicheskie-solnechnye-elementy.html?category= 1007//(дата обращения: 12.05.2017).
[11] GWS-Energy [Электронный ресурс] // Солнечные батареи. - Режим доступа: http://gws-energy.ru/solnechnye-batarei//(дата обращения: 12.05.2017).
[12] Alibaba [Электронный ресурс] // Солнечные панели. - Режим доступа: https://russian. alibaba. com/trade/search?SearchText=%D1 %81 %D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1 %87% D0%BD%D1%8B%D1%85+%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D0%B8&selected Tab=products&viewType=GALLERY// (дата обращения: 13.05.2017).
THE USE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES IN THE SHIPBUILDING INDUSTRY
E.A. Cherepkova, N.I. Kshaltniy
Keywords: alternative energy sources, sailing ships, wind generator, rotary ships, solar panels.
The use of the alternative renewable energy sources in the shipbuilding industry is considered. The foreign experience of the use of ships using the wind and sun forces is given. The types of solar panels are given.
Статья поступила в редакцию 01.02.2018 г.
