Ветровая силовая установка - это практика уменьшения расхода топлива торгового судна за счет использования парусов или других устройств для улавливания ветра. Раньше паруса были основным средством передвижения судов , но с появлением парового двигателя и дизельного двигателя паруса стали использовать только для прогулочного плавания. В последние годы с ростом затрат на топливо и повышенным вниманием к сокращению выбросов возрос интерес к использованию энергии ветра для приведения в движение коммерческих судов.
Ключевым препятствием для внедрения любых технологий обезуглероживания, в частности ветроэнергетических, часто обсуждается в академических кругах и в отрасли - наличие капитала. С одной стороны, судоходные кредиторы сокращают свои обязательства в целом [1], в то время как с другой стороны, низкоуглеродные новостройки, а также проекты модернизации влекут за собой более высокие, чем обычно, капитальные затраты (CapEx). [2] [3] [4] Таким образом, исследовательские усилия направлены на развитие совместной экономики и бизнес-моделей лизинга , в которых выгоды от снижения потребления ископаемого топлива, а также выгоды от квот на выбросы углерода или сниженных сборов распределяются между пользователями, технологиями провайдеры и операторы.[5] [6]
Механические средства преобразования кинетической энергии ветра в тягу.поскольку корабль является предметом многих недавних исследований. Если ранние корабли, предназначенные в первую очередь для плавания, проектировались вокруг парусов, которые их приводили в движение, то теперь коммерческие суда проектируются в основном с учетом груза, который они перевозят, что требует большой чистой палубы и минимального подвесного такелажа, чтобы облегчить погрузочно-разгрузочные работы. Еще одно соображение при проектировании парусной двигательной установки для коммерческого судна состоит в том, что для того, чтобы она была экономически выгодной, она не может требовать значительно большей команды для работы и не может ставить под угрозу устойчивость корабля. Принимая во внимание эти критерии проектирования, три основных концепции стали ведущими проектами ветряных двигателей: «Wing Sail Concept», «Kite Sail» и «Flettner Rotor».
В результате роста цен на нефть в 1980-х годах правительство США заказало исследование экономической целесообразности использования ветряных двигателей для снижения расхода топлива судами торгового флота США . В этом исследовании было рассмотрено несколько вариантов конструкции и сделан вывод, что крыльевой хвост будет наиболее эффективным. Изучаемый вариант крыльевого паруса представлял собой автоматизированную систему больших прямоугольных сплошных парусов, поддерживаемых цилиндрическими мачтами. Это будут симметричные паруса, которые позволят с минимальными усилиями поддерживать ориентацию паруса при разных углах ветра; однако эта конструкция была менее эффективной. Небольшое грузовое судно было оснащено этой системой для оценки его фактического прироста топлива, в результате чего, по оценкам, было сэкономлено от 15 до 25% топлива судна.[7]
Концепция кайт-паруса в последнее время вызвала большой интерес. Эта установка состоит из запуска гигантского воздушного змея с носовой части корабля с использованием тяги, развиваемой воздушным змеем, чтобы помочь в продвижении корабля по воде. Другие концепции, которые были исследованы, были разработаны для того, чтобы кайт-установка попеременно выдвигалась и втягивалась на катушке, приводя в движение генератор. Кайт, используемый в этой установке, аналогичен воздушным змеям, используемым любителями кайтбординга , в гораздо большем масштабе. Эта конструкция также позволяет пользователям увеличивать масштаб, запуская несколько воздушных змеев, расположенных друг над другом.
Идея использования воздушных змеев была в 2012 году самой популярной формой ветряного двигателя на коммерческих судах, в основном из-за низкой стоимости модернизации системы существующих судов с минимальным вмешательством в существующие конструкции. Эта система также обеспечивает большую степень автоматизации с использованием компьютерного управления для определения идеального угла и положения кайта. Использование воздушного змея позволяет улавливать ветер на больших высотах, где скорость ветра выше и стабильнее. [8] Эта система использовалась на нескольких кораблях, наиболее заметным из которых в 2009 году стал MS Beluga Skysails , торговое судно, зафрахтованное Командованием военного морского транспорта США для оценки заявлений об эффективности и возможности установки этой системы на другие корабли. [9]
Третья рассматриваемая конструкция - это ротор Флеттнера . Это большой цилиндр, установленный вертикально на палубе корабля и вращающийся механически. Воздействие этой вращающейся области в контакте с обтекающим ее ветром создает эффект тяги, который используется для движения корабля. Роторы Flettner были изобретены в 1920-х годах и с тех пор находили ограниченное применение. В 2010 году грузовое судно дедвейтом 10 000 тонн было оборудовано четырьмя роторами Flettner, чтобы оценить их роль в повышении топливной эффективности. С тех пор несколько грузовых судов и пассажирский паром были оснащены роторами.
Единственный параметр ротора Флеттнера, требующий управления, - это скорость вращения ротора, что означает, что этот метод ветровой тяги требует очень небольшого вмешательства оператора. По сравнению с кайтовыми парусами роторы Flettner часто обеспечивают значительное повышение эффективности по сравнению с размером паруса или воздушного змея, размером ротора и преобладающими ветровыми условиями. [10]
Примеры роторных установок Flettner 2018 года включают:
Повышение эффективности этих трех механизмов помощи движению обычно составляет около 15–20% в зависимости от размера системы. Основная причина того, что использование этих механизмов не получило широкого распространения, - это в основном нежелание судоходных компаний устанавливать непроверенное оборудование. [15] Благодаря правительственным инициативам, направленным на сокращение выбросов углекислого газа, и росту цен на топливо, казалось вероятным, что эти двигательные установки получат более широкое распространение в ближайшие годы. [ необходима цитата ]