21«Инновационные аспекты развития науки и техники» УДК 608
Бессонова Виктория Олеговна Воробьева Анна Андреевна Bessonova Viktoriya Olegovna Vorobeva Anna Andreevna
Магистранты Masters
ДВФУ, Политехнический институт, департамент морской техники и транспорта
FEFU, Polytechnic Institute, Department of Marine Engineering and Transport
Научный руководитель: Scientific adviser: Антоненко Сергей Владимирович Antonenko Sergey Vladimirovich д.т.н., профессор doctor of technical sciences, professor
РАЗРАБОТКА МАЛОГО ПАССАЖИРСКОГО КАТАМАРАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
DEVELOPMENT OF A SMALL PASSENGER CATAMARAN
USED SOLAR ENERGY
Аннотация: В настоящие дни остро стоит проблема с загрязнением окружающей среды, в связи с этим альтернативные источники энергии набирают популярность. Наиболее уязвимая среда - океан, он активно используется человеком в качестве транспортного пути, для добычи различных ресурсов, а также служит могильником ядерных, химических и биологических отходов.
В статье предлагается один из путей решения данной проблемы- проектирование судов на солнечной энергии.
Abstract: Nowadays, there is an acute problem with environmental pollution, in this regard, alternative energy sources are becoming popularity. The most vulnerable environment is the ocean, it is actively used by humans in transport way, for the extraction of various resources, and also serves as a repository for nuclear, chemical and biological waste.
The article suggests one of the ways to solve this problem - the design of ships powered by solar energy.
Ключевые слова: малый пассажирский катамаран, солнечные батареи, стеклопластик, ходкость
XVМеждународная научно-практическая конференция
Key words: a small passenger catamaran, solar panels, fiberglass, seaworthiness of the vessel.
Актуальность использования солнечной энергии на судах
Дальнейшая жизнь всего человечества напрямую зависит от состояния экологии, а в особенности от чистоты Мирового океана, именно по этой причине проблема загрязнения стоят на первом месте. Одним из основных вредителей для морской среды являются суда.
Регулярные выбросы газов в атмосферу и нефтепродуктов в следствии работы портов, судоремонтных и судостроительных предприятий, а также при эксплуатации судов разрушительны для морской флоры и фауны. Подобное потребительское отношение приведет к краху экономики и цивилизации в целом.
При рассмотрении решений этой проблемы.
В последнее время резко вырос интерес к возобновляемым источникам энергии для различных отраслей экономики, в том числе и для судостроения. Проявляется также интерес к снижению выбросов парниковых газов.
Проблемы Мирового океана — это проблемы будущего всей цивилизации, от того насколько правильно люди разрешат их, зависит её дальнейшее развитие и существование. Однако экономические проблемы его настолько остры, что необходимо переходить к более кардинальным мерам, так как гибель Мирового океана неминуемо приведет к гибели всей планеты.
Одним из самых главных загрязнителей океанов являются суда. Загрязнения, которые возникают в процессе эксплуатации судов, портов и судоремонтных предприятий, образуются и сбрасываются постоянно, хотя и в относительно небольших количествах. Один из перспективных путей - использование энергии Солнца.
Концепция катамарана на солнечных батареях
«Инновационные аспекты развития науки и техники» Цель работы: эскизное проектирование катера, использующего солнечные батареи в качестве основного источника энергии.
Решаемые задачи: обоснование проектных характеристик катера, принципов его использования; оценка достижимой скорости хода; разработка главной энергетической установки, проработка схемы общего расположения.
Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя. Солнечные батареи практически не изнашиваются, поскольку не содержат движущихся частей, и крайне редко выходят из строя [5].
Экономическая эффективность альтернативных источников энергии определяется совокупностью факторов, обусловленных: сокращением ущерба от загрязнения окружающей среды; экономией топливных ресурсов минимальные затраты на ремонт энергоресурсов Многие проекты катеров, использующих солнечные батареи, предусматривают создание небольших, по сути, демонстрационных моделей. В данной работе ставилась основная задача - спроектировать судно, предназначенное для практического использования: выполнения коммерческих рейсов или, как минимум, семейного отдыха [5].
Для этого, во-первых, катер должен иметь размеры, достаточные для размещения заданного количества пассажиров (если проект его будет рассматриваться не Регистром, а Государственной инспекцией по маломерным судам - ГИМС, катер должен перевозить не более 12 пассажиров) [1]. Во-вторых, мощность главной энергетической установки и, соответственно, скорость хода должны быть достаточными, чтобы противостоять умеренному ветру и позволить в течение суток
XVМеждународная научно-практическая конференция доставить пассажиров к месту отдыха и обратно, при этом они должны иметь несколько часов времени для отдыха на берегу.
Для удобства размещения и солнечных батарей, и пассажиров катер должен иметь катамаранную конструкцию. Получение достаточной скорости хода обеспечивается сочетанием солнечных (СБ) и аккумуляторных (АКБ) батарей. СБ используются для зарядки АКБ в течение рабочей недели, рейсы совершаются в выходные дни.
Планируемый район эксплуатации - залив Петра Великого, включая доставку пассажиров на ближайшие острова. Это обусловлено энергоёмкостью аккумуляторов судна. С октября по март прогулки на катере невозможны, так как Амурский залив покрывается льдом, с апреля по июнь в нашем регионе недостаточно солнечных и тёплых дней, для полной зарядки аккумуляторов и комфортного пребывания людей на судне. Поэтому период эксплуатации ограничен с июля по сентябрь. Сила ветра в этот месяц умеренная, без сильных порывов, а также количество пасмурных дней наименьшее.
Маршрут предположительно будет пролегать от бухты Золотой Рог или Диомид до острова Попова и других соседних островов и иметь протяженность около 20 км (10 - 12 миль). Такой путь облегчает передвижение проектируемого судна, так как в Амурском заливе и бухтах очень редко возникает сильное волнение. Катер, имея скорость 8 узлов, может сделать два захода, так как энергии, накопленной в аккумуляторах от солнечных батарей, хватит на две туристические прогулки. По расчётам одна прогулка будет занимать пять часов, но такой маршрут возможен только при благоприятных погодных условиях.
Для того, чтобы обеспечить приемлемую скорость хода судна и продолжительность морской прогулки, катер будет эксплуатироваться только в выходные дни. В течение рабочей недели солнечные батареи работают на зарядку аккумуляторов. Для такого катера отлично подойдут необслуживаемые гелевые аккумуляторные батареи ёмкостью 200
«Инновационные аспекты развития науки и техники» Ач каждая. Они относятся к необслуживаемым, их корпус полностью герметичен и выполнен из негорючего ABS пластика, что исключает возможность выделения паров, вредных для организма пассажиров. Для данного катера были выбраны батареи Sunways SWB 12-200G в количестве 10 штук, что позволит полностью обеспечить судно энергией. Гелевые батареи устойчивы к ударам и вибрациям, они работают даже при разрушении корпуса [4].
Катер имеет катамаранную конструкцию, что, с одной стороны, позволяет обеспечить достаточные площади и объёмы помещений, с другой - дает возможность установки солнечных батарей на наибольшей площади. Кроме того, такой выбор дает небольшую осадку, что позволит подойти даже к необорудованному берегу.
При постройке и ремонте судов применяют различные материалы: металлы, дерево, пластмассы, стеклопластик. Для данной конструкции стеклопластик является лучшим вариантом, так как этот материал прочный, долговечный и одновременно лёгкий. Стеклопластик устойчив к различным атмосферным явлениям, механическому воздействию, не подвергается коррозии, не деформируется. У судостроителей Владивостока имеются навыки работы со стеклопластиком [1].
Выбор основных характеристик Размеры и форма катера обусловлены следующими характеристиками: вместимостью и скоростью. Определяющими являются длина и ширина. От них, в частности, зависит достижимая скорость, а таже количество свободного места для пассажиров. При проектировании были рассмотрены два варианта. Первый: длина катера 7 м, ширина общая 3 м. При данных характеристиках достижимая скорость судна по расчетам составила 5,5 уз. В результате обсуждения этот вариант был отвергнут. Второй: длина 18 м, ширина общая 6 м. Данное проектное решение является удовлетворительным, так как достигнутая
XVМеждународная научно-практическая конференция вместимость позволяет расположить комфортно 12 пассажиров и при этом развить скорость в 8 уз. для оптимальной по времени прогулки.
В проекте приняты следующие элементы: длина катера 18 м, полная ширина 6 м, ширина одного корпуса 1,2 м, клиренс 3,6 м, осадка 0,8 м. Был разработан теоретический чертеж, по которому выполнены расчеты гидростатических характеристик.
Для выбранных главных размерений была рассчитана зависимость сопротивления движению и буксировочной мощности от скорости [2, 3]. Согласно имеющимся данным (каталог аккумуляторных батарей для альтернативных источников энергии [4]), 1 кв. м панелей позволяет получить 0,1 кВт мощности. Площадь всех батарей, учитывая коэффициент используемой площади 0,6, находящихся на судне составляет 64,8 кв.м., что дает 6,48 кВт для зарядки аккумуляторов и для движения. Определено количество аккумуляторных гелевых батарей в количестве 10 штук, ёмкостью 200 Ач каждая. Масса одной АКБ 63,5 кг, общая масса АКБ 635 кг. Габариты батареи 522-240-242 мм, номинальное напряжение 12 В. Накопленная в аккумуляторах энергия будет использоваться для движения, бытовых нужд, а также для экстренных ситуаций [4].
Расчетом получены следующие характеристики для данного судна: при достижимой скорости 8 уз. буксировочное сопротивление двух корпусов составляет 5,83 кН, расчетная буксировочная мощность 23,98 кВт () [2]. Два винта располагаются на центральных осях корпусов шириной 1,2 м. Диаметр одного винта 0,56 м, частота вращения 735 об/мин. Винты приводят в действие гребные электродвигатели мощностью 30 кВт [3].
«Инновационные аспекты развития науки и техники»
9/1
99
9П
1 Я
1 К
1А
1 9
1П
о
с
Л
0
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
^ кН - -Ре, кВт
Рис 1. График зависимости мощности (кВт) и сопротивления (кН)
от скорости (уз.)
Описание общего расположения Катер имеет два корпуса, соединенных надстройкой - мостом. Большую ее часть занимает пассажирский салон.
Количество бортовых проходов пбпр в пассажирском салоне обычно составляет не меньше двух, и ширина одного бортового прохода Вбпр изменяется от 1,0 м до 2,0 м. Количество продольных проходов ппро определяется исходя из того, что обычно ширина продольных проходов не превышает 0,9 м. Ширина кресла одного пассажира в любом пассажирском салоне изменяется от 0,45 м до 0,55 м.
Действительная длина салона LC определяется в зависимости от места, в котором размещаются длина бара, камбуза и свободное место в кормовой' части. В данной' работе длина салона ЬС выбирается на основе статистических данных построенных пассажирских катамаранов. Она составляет 50 - 75% от длины судна. Количество поперечных проходов п обычно не менее двух (в носу и в корме), и ширина одного поперечного прохода не превышает 1.7 м. Длина одного кресла пассажира 1кр изменяется от 0,5 до 0,7 м, а расстояние между креслами (проход между креслами) колеблется в пределах 0,35- 0,55 м.
XVМеждународная научно-практическая конференция
Учитывая эти нормы, можно определить необходимые площади
проектируемого катамарана и построить схему общего расположения пассажиров в салоне.
На палубе расположены открытые места для пассажиров, над которыми натянуто полотно, выступающее в роли крыши, и смотровая площадка. Присутствует отдельное помещение, где расположен бар, над ним располагается надстройка, в которой находится капитанская рубка. Под палубой располагаются кладовые помещения, а также туалет для пассажиров и команды.
Солнечные батареи располагаются над верхней палубой, а также на крыше рубки. Они крепятся к специальной рамной конструкции. Эти элементы не влияют на внешний вид судна, они рассчитываются отдельно.
Заключение
На данном этапе работы получены основные характеристики катера и решены важнейшие вопросы его устройства. Планируется на этой основе выполнить более детальную проработку вопросов конструкции, нагрузки, общего расположения и мореходных качеств.
Библиографический список:
1. Российский Морской Регистр Судоходства, 2017 год
2. Антоненко С.В., Китаев М.В., Новиков В.В.: Расчет сопротивления воды движению судна. Методические указания. Владивосток, ИД ДВФУ,2012 год
3. С.В. Антоненко, М.В. Китаев, В.В. Новиков: Расчет и конструирование гребных винтов, 2012 год
4. Каталог аккумуляторных батарей для альтернативных источников энергии [Электронный ресурс] URL: https://energo-souz.ru/akkumulyatornye-batarei
«Инновационные аспекты развития науки и техники» 5. Статья морские суда, катамараны [Электронный ресурс] URL: http: //www. seaships.ru/katamaran
©В.О. Бессонова, А.А. Воробьёва, 2021
