Главная энергетическая установка подводной лодки

В статье представлены варианты созданных и разрабатываемых воздухонезависимых энергетических установок (airindependentpower /AIP) подводных лодок. Показаны ориентировочные границы использования и примеры реализации воздухонезависимых энергетических установок подводных лодок на основе тепловых двигателей (двигателей внутреннего сгорания, двигателей с внешним подводом теплоты, паротурбинные и газотурбинные энергетические установки), прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую (Polymer Electrolyte (or Proton Exchange Membrane) Fuel cells, Solid Oxide Fuel Cells, реформинг углеводородного топлива с получением водорода), аккумуляторных батарей высокой емкости, высокометаллизированного топлива и «термитных смесей». Указаны примеры реализации различных технологий в подводном кораблестроении и компании, проводящие научно-исследовательские работы по созданию данных технологий. Приведены основные особенности работы энергоустановок, их достоинства и недостатки.

Как новые энергетические установки усилят мощь подводных лодок России

виды топлива
энергетическая установка
подводная лодка
воздухонезависимая энергетическая установка (ВНЭУ)

1. Васильев В.А., Чернышов Е.А., Романов И.Д., Романова Е.А., Романов А.Д. История развития подводных лодок с воздухонезависимыми энергоустановками в России и СССР // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2012. – № 4. – С. 192-202.

2. Генкин А.Л. и др. Анаэробный источник теплоты на безгазовом топливе для аварийного обогрева водолазов // Судостроение. 2010. – № 2. – С. 36-38.

3. Дядик А.Н., Замуков В.В., Дядик В.А. Корабельные воздухонезависимые энергетические установки. – СПб.: Судостроение, 2006. – 424 с.

4. Замуков В. В., Сидоренко Д. В. Выбор воздухонезависимой энергоустановки неатомных подводных лодок // Судостроение. – 2012. – № 4. – С. 29-33.

5. Замуков В.В., Сидоренко Д.В., Петров С.А. Состояние и перспективы развития воздухонезависимых энергоустановок подводных лодок // Судостроение. – 2007. – № 5. – С. 39-42.

6. Захаров И.Г. Концептуальный анализ в военном кораблестроении. – СПб.: Судостроение, 2001. – 264 с.

7. Никифоров Б.В. и др. Литий-ионные аккумуляторные батареи в качестве основных источников электроэнергии дизель-электрических подводных лодок // Судостроение. – 2010. – № 2. – С. 25-28.

8. Чернышов Е.А., Романов А.Д. Высокометаллизированное топливо на основе алюминия и его применение // Технические науки – от теории к практике. – 2013. – № 24. – С. 69-73.

9. Ястребов В.С. Системы и элементы глубоководной техники подводных исследований. –Л.: Судостроение.
10. Dr Carlo Kopp. Air Independent Propulsion – now a necessity // Defence Today. – 12/2010.

Энергетическая установка неатомной подводной лодки (ПЛ) представляет собой тяжелую, до 30 % массы, и объемную, до 50 % от водоизмещения, конструкцию. Однако классическая дизель-электрическая установка работает не эффективно, в подводном положении не используется дизельная установка и запас углеводородного топлива, в надводном, если не реализован режим полного электродвижения, становятся «не нужными» аккумуляторные батареи. Поэтому с момента первого появления подводных лодок предлагались различные типы тепловых «единых двигателей», они развивались по следующим направлениям [1, 3]:

Шведские ДЭПЛ с воздухо-независимой установкой. Тихие? Смертоносные?

• Аккумулирования теплоты (уксусно-кислый натрий, жидкий металл).
• Паротурбинные установки замкнутого и открытого цикла: горение металлов или углеводородного топлива с применением в качестве окислителя перекиси водорода (цикл Вальтера).
• Двигатели внутреннего сгорания: открытого цикла («Y», «Почтовый», ЕД-ВВД, Kreislauf), замкнутого цикла (применение водорода и кислорода, РЕДО, ЕД-ИВР, ЕД-ХПИ), с применением в качестве окислителя перекиси водорода (Х-1, ПВК), с применением твердого источника кислорода (надперекись натрия).

На рис. 1 и 2 Приведены ориентировочные границы применимости энергетических установок и примеры реализации с указанием проекта ПЛ.

Рис. 1. Диапазон применения различных энергетических установок на ПЛ

* – ПЛ без установленного вооружения.

** – экспериментальная ПЛ лаборатория.

Рис. 2. Диаграммы мощности и продолжительности работы различных источников тока [9]

Знаком * отмечен диапазон, рассмотренный в [9] отдельно.

Из рис. 1 видно, что фактически самые крупные ПЛ с аккумуляторными батареями крупнее ПЛ, оснащенных ядерной энергетической установкой. Однако это не мешает развиваться ПЛ с другими типами ЭУ. Можно привести пример торпед, все они при сравнимых габаритах оснащены различными типами ЭУ.

В настоящее время разрабатываются и внедряются энергоустановки на основе:

• Тепловых двигателей: двигатели с внешним подводом теплоты (Стирлинга), дизель по замкнутому циклу, паровые турбины замкнутого цикла, газотурбинных установок замкнутого цикла с использованием различных комбинаций высокометаллизированного топлива и окислителя.
• Прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую (топливные элементы), включая конверсию/реформинг углеводородного топлива и гидротермальное окисление металла, с получением водорода, использующегося в ЭХГ.
• Аккумуляторных батарей высокой емкости, без подзарядки в море.
• Малогабаритных атомных энергоустановок, включая вспомогательные.

Практически для всех энергетических установок принят универсальный окислитель – кислород. Это связано с относительной простотой его получения, из воздуха, и обработанностью систем его хранения, в большинстве случаев – криогенное хранение.

Рассмотрим особенности различных воздухонезависимых энергетических установок.

1. ЭУ на основе тепловых двигателей

Все эти принципиально разные по конструкции установки объединяет применяемое топливо (жидкие углеводороды) и механическое преобразование химической энергии топлива в механическую, а затем в электрическую. К тому же жидкое углеводородное топливо имеет преимущество по хранению, транспортировке. Применение топливно-балластных цистерн и возможность дозаправки в море значительно увеличивают возможный радиус действия. Данные конструкции могут использовать в качестве окислителя атмосферный воздух в режиме «работа двигателей под водой» (РДП / Schnorchel).

1.1. ЭУ на основе дизелей по замкнутому циклу (ДЗЦ, closed-cyclediesel, CCD)

Данные системы наиболее распространены, некоторые ДЗЦ базируются на опыте эксплуатации дизельных двигателей. Первыми проектами стали ПЛ Бертена и Джевецкого, после второй мировой войны в СССР серийно строились ПЛ с ДЗЦ (А615). Их технологическим преимуществом является использование «стандартных» дизельных двигателей, то есть меньшая стоимость и упрощение обучения экипажа. Однако сложно устранимая высокая шумность дизельного двигателя ограничивает развитие данной технологии. ЭУ на основе дизель по замкнутому циклу отличаются между собой конструктивно, но принцип действия аналогичен: из продуктов сгорания / выхлопных газов удаляется СО2, при сгорании 1 кг дизельного топлива образуется 3,19 кг СО2, нуждающегося в утилизации, например: растворением в морской воде (Argo / ЕД-ИВР), поглощением твердыми продуктами (ЕД-ХПИ, надперекись натрия, хлорид натрия) или вымораживанием, затем газовая смесь обогащается кислородом и направляется в цилиндры.

В настоящее время компания RDM (Голландия) предлагает энергетическую установку SPECTRE (Submarine Power for Extended Continuous Trialand Range Enhancement) на основе дизеля, работающего по замкнутому циклу. Аналогичные работы выполнены компаниями COSMOS (Италия), CDSS (Великобритания) и TNSW (Германия). Однако серийно ПЛ с данными ЭУ не строятся, за исключением малых ПЛ [10].

1.2. ЭУ на основе двигателя с внешним подводом тепла (Стирлинга)

От всех известных преобразователей энергии прямого цикла, которые могут использоваться в составе анаэробных установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на неатомных ПЛ: малошумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов и достаточно плавного протекания рабочего цикла, что влияет на акустическую скрытность ПЛ; высокий к.п.д., высокое давление продуктов сгорания, позволяющее удалять продукты горения за борт на глубинах до 200 м без компрессора, возможность использования различных типов углеводородного топлива.

Недостатками являются: высокая стоимость; сложность, высокая технологическая емкость конструкции; низкое значение агрегатной мощности реализовано 75 кВт, вероятно, наиболее достигнутая 600 кВт. Примерами реализации данной ЭУ являются проекты А-17, А-19, Imp. Oyashio, возможно Type 041 и 043.

1.3. Паровая турбина ЭУ замкнутого цикла

В настоящее время паровые турбины замкнутого цикла MESMA (Moduled’EnergieSous-MarineAutonome) внедряются на ПЛ проекта Agosta90B и Scorpene. По данным концерна «DCN», выходная мощность ЭУ ”MESMA” составляет 200 кВт. Установка производит тепловую энергию путем сжигания газообразной смеси этилового спирта и кислорода в первичном контуре теплообменника.

Вторичный контур представляет собой паровую турбину, которая приводит в действие высокоскоростной турбогенератор. В настоящее время в Бразилии в г. Итагуаи идет строительство верфи для производства подводных лодок (MetalStructuresManufacturingUnit). Данная верфь обладает всем необходимым для производства корпусных секций в рамках программы кораблестроения PROSUB. Головная ПЛ должна приступить к испытаниями в 2016 году.

Аналогом данной разработки в России можно назвать исследования ОАО «СПМБМ Малахит» и НПВП «Турбокон».

1.4. Газотурбинная установка ЭУ замкнутого цикла

Разрабатываются различные варианты оснащения ПЛ газотурбинной установкой замкнутого цикла. Газотурбинный двигатель (ГТД) – это уравновешенная тепловая машина, обладающая меньшими по сравнению с ДВС вибрационными характеристиками, шумность – слабое место ГТД, однако акустические возмущения имеют высокую частоту, что возможно снизить за счет шумоизоляции. В России НПО «Сатурн» имеет задел по малогабаритным ГТД для современных летательных аппаратов военного назначения. На сегодняшний день ОАО СПМБМ «Малахит», совместно с НПО «Сатурн» и НПО «Гелиймаш», выполнили расчетные исследования созданию ВНЭУ с ГТД [4].

2. ЭУ на основе топливных элементов

Топливный элемент – электрохимическое устройство, которое преобразовывает химическую энергию топлива и окислителя в электрическую. Топливные элементы могут использовать ископаемое топливо (главным образом, природный газ или бензин) или непосредственно водород (в случае топливных элементов PEM).

Основные направления развития топливных элементов: Polymer Electrolyte (or Proton Exchange Membrane) Fuel cells PEM/PEMFC, Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC), Solid Oxide Fuel Cells (SOFC).

2.1. ЭУ на основе Proton Exchange Membrane (PEM)

Низкотемпературные ЭХГ имеют удельную мощность порядка 65 Вт/кг, ресурс порядка 5000 ч. При этом удельный расход водорода от 0,045 – 0,048кг/кВт*ч, расход кислорода 0,36 – 0,38 кг/кВт*ч. Топливные элементы BZM120 имеют мощность 120 кВт каждый и весят 900 кг с объема 500 литров.

Композиция топлива водород + кислород с продуктами реакции вода являются теоретически лучшей композицией по энерговыделению на 1 г продуктов реакции и простоты утилизации продуктов реакции на ПЛ. Однако масса систем хранения водорода значительна, запас при криогенном хранении водорода не превышает 5 % от массы систем хранения, при газообразном около 3 % в адсорбированном виде в интерметаллидных соединениях. Высокая стоимость создания ЭУ и береговой инфраструктуры, технологические проблемы с хранением топлива, невозможность организации базирования ПЛ в недостаточно оборудованных пунктах существенно снижают мобильность и боевую устойчивость, так как уничтожение базы фактически сделает невозможным применение ПЛ. Поэтому разрабатываются альтернативные варианты хранения водород содержащего топлива (NH3, гидриды металлов, гидрореагирующее топливо) и вариантов получения водорода из него.

2.1. ЭУ на основе реформера метанола и PEM

Метанол имеет меньшую теплоту сгорания, чем дизельное топливо, и более токсичен, однако его чистота позволяет применять его для реформеров. HDW разработала концепцию дизель-элек­трической подводной лодки, предна­значенной для решения широкого круга задач в удаленных океанских (морских) зонах, пр. 216. Аналогичный проект разработан DCNS для пр. S-80A.

Повышение скрытности и увеличение продолжительности автономных действий ПЛ намечается достигнуть благодаря при­менению комбинированной электроэнерге­тической установки, включающей четыре дизель-генератора, литий-ионные аккуму­ляторные батареи и электрохимические генераторы фирмы. В целях обе­спечения работы последних планируется использовать бортовой генератор водорода с метанол-паровым риформером.

Принцип действия генератора заключа­ется в следующем: метанол смешивается с водой, испаряется и затем подается в реак­тор. Смесь метанол – вода преобразуется в насыщенную водородом газовую смесь, которая поступает в мембранный блок очистки. Основная часть водорода проходит через мембрану и далее в то­пливный элемент. Схема имеет преимущества перед PEM в части применяемого топлива, обеспечении большей дальности, за счет вспомогательного дизель-генератора и снижением уязвимости береговой инфраструктуры. Однако требует дополнительные системы на борту ПЛ – реформинга и утилизации СО2.

2.3. ЭУ на основе Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Solid Oxide Fuel Cell принадлежат группе высокотемпературных топливных элементов. Они работают при температурах до 1000 °C и могут использовать разнообразное топливо: газообразный водород или углеводороды (бензин, дизель, керосин), природный газ.

Причем их особенностью является возможность применения топлива с меньшей степенью очистки, в частности по сере, в отличие от низкотемпературных топливных элементов где сера и CO отравляют катализатор. Другое преимущество состоит в том, что SOFC при работе выделяет СО2 при высокой температуре. Что позволяет использоваться для повышения КПД микро газовую турбину, для производства электрической энергии или других вспомогательных нужд. Данные ЭУ разрабатываются различными компаниями, например, Wärtsilä.

Однако подобная система также требует утилизацию СО2.

3. ЭУ на основе аккумуляторной батареи без системы дозарядки в море

В настоящее время одним из конкурентов тепловым двигателям (ЭУ) являются оснащение ПЛ только аккумуляторной батарей большой емкости. Аналогичные конструкции применяются на подводных аппаратах. Теоретически наиболее простой тип энергетической установки, однако современные батареи имеют недостаточную емкость для обеспечения нахождения под водой продолжительное время (более 14 дней) при сравнительно высоком энергопотреблении (более 50 кВт*ч). Традиционная свинцово-кислотная батарея (и др.) не удовлетворяет требованиям для этих целей, однако с появлением альтернативных технологий, таких как батареи Зебры Роллс-ройса или литий-ионный аккумулятор, это стало выполнимо, кроме того, разрабатываются другие типы АБ: серно-натриевые, натриево-серебрянные, натрий-никельхлоридные, литиево-хлорные, литиево-серебрянные, литий-полимерные, никель-металгидридные и др. [7]. Ориентировочная удельная емкость батарей представлена в таблице 1.

Таблица 1. Удельная массовая энергия различных типов аккумуляторных батарей

Удельная емкость, Вт*ч/кг

Источник: science-education.ru

Воздухонезависимая энергетическая установка для подводной лодки

МОСКВА, 28 июня. /ТАСС/. Воздухонезависимую энергетическую установку (ВНЭУ) первой получит неатомная субмарина пятого поколения, созданная на основе проекта «Лада». Об этом журналистам сказал президент Объединенной судостроительной корпорации (ОСК) Алексей Рахманов.

«Проект «Лада» является безусловным прорывом и улучшением технологий, которые существуют на традиционных дизельных подлодках. Конечно, определенная преемственность будет, все лучшее, что мы получим по «Ладе», мы вложим в новую большую неатомную подлодку, которая будет создана уже в рамках формирования следующего поколения», — сказал он, отвечая на вопрос, получит ли «Лада» ВНЭУ.

По его словам, сейчас существуют два проекта воздухонезависимых установок. «Одна (установка — прим. ТАСС) выполнена ЦКБ «Малахит», другая — ЦКБ «Рубин». Они используют разные принципы», — сказал Рахманов.

«Но мы надеемся, что в ближайшее время с помощью Минпромторга мы пойдем уже к макетным испытаниям в воде», — сказал он. По его словам, сейчас обе установки существуют в качестве стендов и показывают хорошие результаты.

Подлодки проекта «Лада» относятся к четвертому поколению неатомных субмарин. Их надводное водоизмещение составляет порядка 1,75 тысячи тонн (против 2,3 тысячи тонн у «Варшавянок»), скорость подводного хода достигает 21 узла. Субмарины отличаются низким уровнем шумности и высокой степенью автоматизации. Основным их вооружением являются крылатые ракеты комплекса «Калибр».

Головная лодка серии «Санкт-Петербург» была заложена в 1997 году и с момента передачи флоту в 2010 году остается в опытной эксплуатации. «Кронштадт» и «Великие Луки» заложили в 2005-2006 годах. Их строительство приостанавливалось и возобновилось лишь в 2013 году.

О стеклопластиковых тральщиках

Стеклопластиковые тральщики нового поколения проекта «Александрит», строящиеся под Петербургом для Военно-морского флота, стали первой крупной серией для корабелов, заявил Рахманов.

«Если говорить о Средне-Невском судостроительном заводе, то нами начато производство реальной серии более десяти судов-тральщиков, которые как раз будут производиться в формате большой серийности», — сказал он.

Рахманов подчеркнул, что выполнение разовых, единичных заказов в интересах флота увеличивает риски для экономики заводов, по его словам, российские кораблестроители сегодня как никогда нуждаются в серийном строительстве.

Головной корабль проекта 12700 «Александр Обухов» уже выполняет задачи в составе ВМФ РФ, четыре следующих корабля («Георгий Курбатов», «Иван Антонов», «Владимир Емельянов» и «Яков Баляев») находятся на разных этапах строительства. Флот рассчитывает получить первые 10 кораблей этого типа до 2027 года.

Применение[ | ]

Неатомные подводные лодки с воздухонезависимой энергетической установкой (ВНЭУ) имеются у Франции (группа компаний Naval), Швеции (Saab), Германии (Siemens и ThyssenKrupp Marine Systems), Японии (Kawasaki при поддержке Saab), Испании (Técnicas Reunidas) и Китая.[3]

Двигатель Стирлинга[ | ]

В первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 тыс. часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными

лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время по большей части подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка.

В 2005–2007 гг. подводная лодка «Готланд» была сдана в лизинг США для использования на учениях в качестве подводного противника. Шведские моряки наглядно показали своим американским коллегам насколько сложна оборона от современных неатомных субмарин.

Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках типа «Сорю».

Газотурбинный двигатель[ | ]

На форуме «Армия-2019» в июне 2020 года генеральный директор санкт-петербургского КБ «Малахит», входящего в состав ОСК, Владимир Дорофеев сообщил[4], что его КБ ведёт активную разработку принципиально нового воздухонезависимого (анаэробного) двигателя замкнутого цикла газотурбинного типа. Предприятие раскрыло на форуме некоторые подробности разработки и презентовало проект новейшей подводной лодки под условным наименованием «Проект П-750Б», на которой будет установлен такой двигатель[5].

По словам ведущего конструктора КБ «Малахит» Игоря Караваева, новый двигатель имеет два режима работы — надводный и подводный. В надводном режиме для работы газотурбинной установки используется атмосферный воздух. В подводном — из сосудов Дьюара подаётся жидкий окислитель, а выделяемая турбиной двигателя газовая смесь снова замораживается, таким образом двигатель не потребляет из окружающей среды и не выделяет в окружающую среду ничего. Только с помощью этой установки подлодка П-750Б развивает скорость подводного хода в 10 узлов и более[6].

Литиевые батареи[ | ]

Поскольку воздухонезависимая энергетическая установка требует для своей работы запаса на борту подводной лодки жидкого кислорода или водорода, а также из-за невысокой дальности подводного хода, обеспечиваемой ВНЭУ, существует тенденция к возвращению в современных проектах неатомных подводных лодок к традиционной дизель-электрической схеме с использованием сверхъемких литий-полимерных аккумуляторов[7][8]. Основным недостатком такой энергетической установки является её высокая стоимость.

Испытания «Горшкова»

Испытания фрегата «Адмирал Горшков» проходят сегодня, по их результатам будет принято решение о его вхождении в состав флота, рассказал Рахманов.

«Пока мы здесь сидим и говорим о результатах работы корпорации, фрегат проходит ключевые испытания, которые, если они дадут результат, должны дать основания для зачисления корабля в состав Военно-морского флота РФ. Почему в отчете «Северной верфи» появился ноябрь? Если все пойдет не так, то опять придется искать обходные решения. Это не что иное, как подстелить себе соломки», — сказал он.

В то же время глава «Северной верфи» Игорь Пономарев добавил, что фрегат после испытаний вернется на завод и примет участие в военно-морском параде в Петербурге.

Ранее Рахманов заявлял, что фрегат в ближайшее время завершит испытания и будет передан заказчику этим летом. Позже в годовом отчете сообщалось, что «Адмирал Горшков» будет передан Военно-морскому флоту России в ноябре 2020 года.

«Адмирал Горшков» — головной корабль проекта 22350, он был заложен в начале 2006 года и спущен на воду осенью 2010 года. В ноябре 2014 года корабль впервые вышел на испытания.

Что такое ветроэнергетические установки?

Ветроэнергетические установки представляют собой комплексы оборудования, предназначенного для выработки, подготовки и снабжения потребителей электрическим током. Поскольку ветер является бесплатным источником энергии, все расходы на выработку тока сводятся к первоначальным вложениям на приобретение (или создание) ветрогенератора и смежного оборудования и последующее обслуживание.

Если сравнивать затраты на проведение линии электропередач или кабеля до отдаленных пунктов, то экономический эффект от использования ВЭУ в большинстве случаев оказывается довольно высоким. При этом, следует учитывать большую разницу в стоимости крупных ВЭУ и небольших установок, действующих в пределах одной усадьбы.

Частой ошибкой, допускаемой при расчетах экономической выгоды от использования ВЭУ, является рассматривание лишь одного варианта реализации методики — создания локальных энергетических комплексов (ЛЭК). Они рассматриваются только как энергоустановки местного значения, обеспечивающие энергией весь населенный пункт. Отсюда возникают высокие расходы на приобретение, потребность в дорогостоящем обслуживании и материалоемкость устройства.

Частные источники, способные обеспечить энергией отдельный дом, практически не рассматриваются, из виду упускается наиболее эффективный и необходимый сектор ветрогенераторов.

Достоинства и недостатки ВЭУ

Преимуществами ВЭУ являются:

• возможность обеспечения электроэнергией любые пункты, вне зависимости от степени удаления от магистральных линий;
• нет необходимости создавать большую энергетическую станцию, можно использовать отдельные компактные установки;
• готовая ВЭУ не нуждается в топливе или иных ресурсных поставках.

При этом, существуют некоторые недостатки:

• Выработка электроэнергии производится посредством ветровых потоков и полностью зависит от их силы и равномерности. В тихую безветренную погоду производство электротока невозможно.
• Полученный ток не годится для использования без подготовки, которая требует наличия определенных устройств.
• Ураганные ветра или шквалистые порывы могут разрушить или вывести установку из строя.

Важно! Как достоинства, так и недостатки ВЭУ являются их специфическими характерными качествами. При отсутствии других возможностей имеющиеся недостатки попросту устраняются принятием соответствующих мер.

Единственным действительно серьезным препятствием, ограничивающим использование ветрогенераторов, является высокая стоимость промышленных установок. Создание самодельных устройств требует определенных навыков и некоторой подготовки, что также замедляет распространение ветроэнергетических устройств среди населения.

Устройство

Общий состав комплекса практически одинаков и различается только типом конструкции ветряка.

Горизонтальные ветрогенераторы

Установки с горизонтальной осью вращения имеют практически одну конструкцию. Они представляют собой горизонтальную ось с хвостом и ротором на противоположных концах. Ось имеет возможность свободного вращения вокруг вертикальной оси, необходимое для установки ротора по направлению ветра. Это происходит автоматически, при помощи хвоста. Ротор представляет собой род пропеллера, вращающегося при воздействии ветрового потока на лопасти.

Принципиального различия между разными моделями горизонтальных ветряков нет. Они отличаются типом лопастей:

• жестколопастные,
• парусные.

Первые сделаны из прочного материала, вторые представляют собой жесткую рамку, обтянутую плотной тканью или подобным материалом. Кроме того, имеются образцы с различной формой лопасти:

• в виде прямой лопатки;
• в виде архимедова винта.

Имеются парусные модели, созданные для получения максимального эффекта от воздействия ветрового потока. Они не имеют вращающихся частей, поверхность паруса создает давление на поршневую систему, взаимодействующую с генератором.

Важно! Большая площадь лопастей позволяет получать больше энергии от взаимодействия с воздушным потоком, но создает значительное сопротивление ветру, опасное при возникновении шквальных порывов.

Ротор горизонтальной конструкции нуждается в установке на высокую мачту. Это увеличивает эффективность получения ветровой энергии, но осложняет процесс монтажа и обслуживания устройства. Мачта должна быть надежно закреплена и усилена растяжками, чтобы имелась возможность выдерживать ураганные порывы ветра. Высота мачты выбирается таким образом, чтобы ветряк возвышался над всеми ближайшими зданиями и сооружениями. При этом, место установки также выбирается на возвышении, что позволяет снизить высоту мачты и облегчает монтаж.

Вертикальные ветряки

Ветрогенераторы вертикальных конструкций имеют меньшую эффективность использования потока ветра, но с точки зрения эксплуатации они намного предпочтительнее. Их преимущества:

• нет нужды ориентировать ротор по направлению ветра;
• устанавливать устройство на высокую мачту необязательно, так как большой разницы в эффективности нет;
• устройства имеют более простую конструкцию, что удобнее при самостоятельном изготовлении.

Изначально вертикальные конструкции имели две лопасти, имеющие форму желоба, расположенные диаметрально вдоль оси вращения. Впоследствии появились другие варианты, имеющие большее количество лопастей или иную форму. На сегодня различных конструкций известно довольно много. Вот некоторые из них:

• ротор Савониуса,
• ротор Дарье,
• ротор Третьякова,
• ортогональный,
• геликоидный.

Работы по созданию новых типов конструкции ведутся непрерывно, поэтому привести полный перечень имеющихся конструкций невозможно.