ТРИМАРАН С ГИБРИДНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Рубрики международной патентной классификации (МПК) полезной модели:
В63 - Суда и прочие плавучие средства; оборудование для них.
Название полезной модели: «Тримаран с гибридной экологической силовой установкой».
Полезная модель относится, к области судов и экологических силовых установок. Полезная модель может быть применена при создании как небольших частных яхт, так и судов большого водоизмещения.
Из уровня техники известно, что большинство надводных судов в настоящий момент приводятся в движение: двигателями внутреннего сгорания, парусами, электрическими двигателями.
Двигатели внутреннего сгорания обычно используют самые различные углеводороды. Таким образом суда, оснащенные двигателями внутреннего сгорания, требуют достаточно больших финансовых затрат на заправки, вес топлива существенно утяжеляет суда, кроме того такие суда не являются экологическими, так как выхлопные газы загрязняют окружающую среду.
Парусные суда, хотя в настоящий момент и приближаются по своим скоростным качествам к судам с двигателями внутреннего сгорания, имеют существенный недостаток -зависимость от ветра.
К настоящему моменту уже созданы электрические суда, двигатели которых используют ток, сгенерированный солнечными батареями. Однако такие суда являются весьма тихоходными и прихотливыми (требуют для движения постоянной солнечной погоды).
Из уровня техники известно также, что надводные суда делятся на следующие классы: моно-корпусные и мульти-корпусные. Мульти-корпусные суда превосходят по ряду характеристик моно-корпусные. Они, обычно, быстрее, легче, имеют больше полезной площади, гораздо меньше кренятся и остаются на плаву при пробоинах в корпусе ниже ватерлинии. Остойчивость мульти-корпусного судна прямо пропорциональна его длине и ширине. При этом, ширина мульти-корпусных судов является, с другой стороны их минусом, так как в гаванях такие суда занимают больше места, чем моно-корпусные и, следовательно, их стоянки обходятся дороже. Мульти-корпусные суда, в свою очередь, содержат две большие группы: катамараны (двухкорпусные суда) и тримараны (трехкорпусные суда). Указанные группы близки по остойчивости, и ряду других характеристик, однако, к настоящему моменту уже созданы тримараны, площадь которых может быть существенно уменьшена на стоянках благодаря технологиям складывания поплавков. Следовательно, такие тримараны лишены главного недостатка иных мульти-корпусных судов, так как занимают пространство в гавани, аналогичное моно-корпусным судам той же длины. Тримараны, в большинстве случаев, являются более быстроходными судами, чем катамараны. Кроме того, остойчивость тримарана выше благодаря тому, что на утопленный боковой поплавок тримарана действует сила выталкивания, равная массе вытесненной поплавком воды. Для повышения остойчивости поплавки тримаранов обычно не загружаются либо там хранятся легкие вещи. Пространство между поплавками тримаранов и корпусом обычно занято сеткой и большое количество времени, когда на этой сетке никто не находится, указанное пространство не несет функциональной нагрузки.
Наиболее известны компании, массово выпускающие складные тримараны: Dragonfly Trimarans, Corsair Marine, Trimax. Указанные тримараны используют паруса для передвижения, следовательно, сильно зависимы от ветра и иных погодных условий.
Известны тримараны, использующие дизельные двигатели для передвижения. Некоторые из них (например, тримараны новозеландской компании LOMOCEAN) тратят примерно в два раза меньше топлива, чем моно-корпусные суда, так как используют новую философию движения: «протыкание волн». Однако, использование указанных тримаранов все же является дорогим, вследствие высокой стоимости топлива и большого его расхода.
Известен тримаран, сконструированный той же компанией LOMOCEAN, двигатели которого используют ток, сгенерированный солнечными батареями тримарана. Этот тримаран называется Turanor PlanetSolar, его круизная скорость составляет 8 узлов, максимальная скорость - 12 узлов, что является достаточно высокими показателями, однако использование данного тримарана может также зависеть от погоды (кремниевые солнечные батареи имеют низкий КПД, большую массу и требуют много солнечной энергии для генерации тока, достаточного двигателям судна). Кроме того, корпуса тримаранов, движущихся по принципу «протыкание волн» часто искусственно утяжеляют, частично заливая водой, для создания инерционного эффекта и оптимального «прокалывания» волны и плавного движения судна. То есть требуется дополнительная мощность двигателя для разгона такого, искусственно утяжеленного, судна.
Задачей создания данной полезной модели было проектирование судна, которое, используя только возобновляемые источники энергии, сохраняло бы скоростные характеристики дизельных судов, оставаясь при этом круизным, превосходило бы по удельным массовым характеристикам и остойчивости существующие круизные тримараны (как парусные, так и дизельные и электрические) и эргономично использовало бы пространственные и емкостные возможности тримаранов.
Результатом использования данной полезной модели станет появление судна, которое будет очень легким, способным на большой скорости перемещаться на значительные расстояния (доступные круизным судам), быстрым, экологически безвредным, дешевым в использовании и доступным широким кругам населения.
Дня решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения:
- разработать особую эргономичную компоновку судна;
- выбрать оптимальную силовую установку и прибор, генерирующий энергоноситель.
Таким образом, сущностью изобретения является сочетание силовой установки использующей дешевый и доступный источник энергии и возможности компоновки, описываемым ниже способом.
Тримаран с гибридной экологической силовой установкой может напоминать компоновкой обычный парусный тримаран, либо даже тримаран с компоновкой «протыкателя волн» ("wave-piercer", производимых компанией LOMOCEAN) и может быть, в принципе, создан путем:
- внесения изменений в конструкцию поплавков,
- заменой вспомогательной дизельной силовой установки на электродвигатель и топливные элементы (в которых происходит «холодная» реакция образования воды из кислорода и водорода с генерированием электрического тока),
- добавлением специального гибкого настила, структура которого содержит солнечные батареи, например, нано-антенны, (который может устанавливаться, между корпусом и поплавками тримарана (обычно поверх сеток)),
- не использованием мачт и парусов тримарана (хотя, парусные тримараны также могут использовать данную полезную модель в качестве вспомогательной силовой установки).
Как уже упоминалось ранее, хорошая остойчивость обычных парусных тримаранов достигается благодаря тому, что на поплавок, погруженный в воду, действует сила выталкивания, равная весу вытесненной поплавком воды. При этом для устойчивого и быстрого движения тримарана по воде должны быть соблюдены следующие компоновочные условия:
- поплавки должны быть легкими и объемными для создания максимальной силы выталкивания поплавка из воды,
- мачта с парусами не должна создавать переворачивающего момента, который бы превысил момент, создаваемый силой выталкивания поплавка из воды.
То есть, с одной стороны, мачта должна быть достаточно высокой для того чтобы нести максимальные по площади паруса, для того, чтобы ветер создавал максимальную тягу. С другой стороны, момент этой силы тяги не должен превышать момента, создаваемого силой выталкивания поплавка из воды. В противном случае сильный боковой ветер может перевернуть тримаран. Еще большую опасность представляет переворот тримарана через нос (что случается обычно, на больших скоростях и при достаточно большой волне).
Если отказаться о мачты и парусов вообще, то тримаран будет еще более устойчивым, однако встает вопрос о том, что будет приводить в движение судно?
Предлагается использовать силовую установку, работающую на газообразном водороде, подобную применяемой в автомобиле Тойота «Mirai». Данная силовая установка содержит электродвигатель, инвертор (преобразующий постоянный ток в переменный), водородные топливные элементы (внутри которых происходит «холодная» химическая реакция окисления водорода кислородом, взятым из воздуха).
Для хранения газообразного водорода предлагается использовать поплавки тримарана, которые могут быть изготовлены из карбона (в упомянутом выше автомобиле Тойота «Mirai» топливный бак также изготовлен из карбона и выдерживает давление 70 МПа). Для того, чтобы не ухудшалась плавучесть тримарана (лишенного мачты с парусами) вес водорода, содержащегося в поплавках под давлением, может даже превышать вес воздуха, который обычно содержится там при атмосферном давлении и снаряжения (так как сила выталкивания, действующая на поплавки тримарана без мачты и парусов уже не должна создавать момент, компенсирующий опрокидывающий момент, создаваемый мачтой и парусами в случае парусного тримарана).
Тримаран с гибридной экологической силовой установкой будет скомпонован таким образом, что будет самостоятельно добывать водород во время стоянок либо даже во время движения в спокойную погоду. Для этого поверх сеток, между поплавками тримарана и корпусом будет разворачиваться и устанавливаться гибкое покрытие, имеющее в структуре солнечные батареи (лучше всего подходят батареи на основе нано-антенн). Как известно, последние научные разработки (например, рулонные нано-антенны, изготовляемые в Национальной лаборатории Айдахо) позволяют уже создавать гибкие солнечные батареи, преобразующие электромагнитные волны инфракрасной и видимой части светового спектра в электрический ток. При этом КПД таких батарей значительно выше производимых ранее фотоэлементов. Так, батареи на основе нано-антенн способны преобразовать от 85% до 100% света инфракрасной и частично видимой части спектра в электроэнергию, в то время как кремниевые фотоэлементы, изготовляемые по более ранним технологиям достигали КПД только около 24%. При этом производство рулонных нано-антенн (5-10 долларов за метр квадратный) гораздо дешевле кремниевых фотоэлементов (1000 долларов за метр квадратный). Рулонные нано-антенны также значительно легче кремниевых фотоэлементов. Ток, вырабатываемый такими рулонными нано-антеннами, содержащимися в гибком покрытии будет расходоваться на расщепление воды из водоема на кислород и водород. Для этого тримаран с гибридной экологической силовой установкой будет содержать электролизер, включающий емкость, наполняемую водой, насос для сбора воды, емкость для промежуточного сбора водорода и насос, с помощью которого водород будет закачиваться в поплавки тримарана.
На фиг. 1 отражена принципиальная схема конструкции тримарана (изображены основные части полезной модели) с гибридной экологической силовой установкой (вид сверху). Корпус тримарана (1) соединен с поплавками (2), в которые закачивается водород, в пространстве между корпусом и поплавками (3) может быть натянута сетка, поверх нее устанавливается гибкое покрытие с солнечной батареей. В задней части корпуса располагается электродвигатель (4), питание к которому подается от водородных топливных элементов (5). Водород вырабатывается в электролизере (6), который включает в себя насос для закачивания воды из водоема в резервуар для электролиза, емкость для сбора водорода, насос для перекачки собранного водорода в поплавки тримарана. Из поплавков тримарана водород поступает в топливные элементы для выработки электрического тока в процессе окисления. Для управления выработкой, сбором и подачей водорода может использоваться блок управления (не показан на схеме).
Расчеты показывают, что удельный вес воздуха при атмосферном давлении равен (приблизительно, при комнатной температуре) 1,22 кг/м3. Удельный вес водорода в тех же условиях равен 0,085 кг/м3. То есть, масса поплавка тримарана не изменится, если в нем будет находиться не воздух, а водород, под давлением 14 атмосфер (или 1,4 МПа). Как указывалось выше, масса поплавка тримарана, лишенного мачты и парусов, может быть больше массы поплавков обычного парусного тримарана примерно в 2 раза при сохранении остойчивости судна. Увеличение массы поплавка может быть создано за счет увеличения массы содержащегося в поплавках газообразного водорода, которая может быть больше массы воздуха при атмосферном давлении уже в десятки раз при сохранении остойчивости судна. При этом, во-первых, количество водорода в таких поплавках значительно возрастет, и давление водорода может составлять уже 10-50 МПа. Во-вторых, объем поплавков даже небольшого тримарана значительно превышает объем топливного бака водородного автомобиля (так, суммарный объем топливных баков упомянутого автомобиля Тойота «Mirai» составляет всего лишь около 122 литра). Таким образом, количества газообразного топлива, содержащегося в поплавках, должно хватить для перемещения тримарана на весьма значительные расстояния. Кроме того, упоминаемый здесь, водородный автомобиль Тойота «Mirai» имеет двигатель мощностью 155 л.с. Если такой двигатель установить, например, на круизный тримаран класса Corsair RS37 (сделанный из карбона) длиной около 11 метров и весом без мачты и парусов около 2500 кг, то можно утверждать, что его скорость может не только значительно превышать скорости существующих парусных тримаранов, но и превышать скорости большинства глиссирующих яхт (при соответствующей балансировке и обводах корпуса). При этом запаса топлива должно хватать на преодоление значительных круизных расстояний, что пока не возможно для глиссирующих яхт.
Известно, что мощность излучения Солнца, находящегося в зените, у поверхности Земли оценивается примерно в 1350 Вт/м2. Как только Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферу увеличивается, соответственно, возрастают и потери на этом пути. Присутствие в атмосфере пыли или паров воды, даже в неощутимых без специальных приборов количествах, еще более снижает поток энергии. Однако даже в российской средней полосе в летний полдень на каждый квадратный метр, приходится поток солнечной энергии мощностью примерно 1 кВт. Площадь гибкого рулонного покрытия, устанавливаемого между корпусом и поплавками тримарана, может составлять от нескольких квадратных метров до десятков квадратных метров (в зависимости от габаритов судна). Известно, что энергия, необходимая для расщепления 1 л воды, равна 4,38 квтч. Один литр воды содержит примерно 111 г водорода. Следовательно, получение 1 килограмма водорода потребует около 40 квтч электроэнергии. Длина тримарана Corsair RS37 - 11,27 м, расстояние между поплавками - 7,8 м. Площадь пространства, между корпусом и поплавками (над которой можно расположить гибкую солнечную батарею) составляет примерно 22 м2. Если использовать солнечные батареи на основе нано-антенн (КПД - 85%), то за час можно получить: 1 квт/м2*1 ч*0,85*22 м2 = 18,7 квтч.
При такой мощности солнечных батарей каждый килограмм водорода может быть получен всего лишь за два часа и восемь минут. За световой день (около 8 часов) можно получить около 4 кг водорода в средней полосе. В то время как топливные баки Тойоты «Mirai», согласно расчетам, должны содержать не более 3,5 кг водорода и их уже хватает на 650 км поездки. Таким образом, простая стоянка тримарана с гибридной экологической силовой установкой в течение двух - трех суток может обеспечить судно топливом для весьма дальних круизов (стоянки судна вблизи экватора заполнят топливные баки гораздо быстрее). В любом случае объема поплавков тримаранов длиной более 10 метров должно хватить даже для пересечения океанов. И при этом данный вид судна будет оставаться экологическим, скоростным, остойчивым и экономичным.
Техническим результатом применения описанной полезной модели будет являться создание такого судна, которое будет обладать экологичностью парусных тримаранов, скоростью глиссирующих яхт, автономностью больших водоизмещающих судов. При этом остойчивость полученного судна будет несравнима ни с чем. Также судно будет простым и дешевым в эксплуатации.
К описанию прилагается одна фигура, отражающая существенные признаки полезной модели.
На фиг. 1 (схема) показана принципиальная схема конструкции тримарана с гибридной экологической силовой установкой.
Полезная модель может быть материализована путем создания тримарана с герметичными, прочными и легкими поплавками (например, из карбона), позволяющими хранить водород под высоким давлением. Вместо обычно применяемой дизельной установки необходимо установить водородную силовую установку на подобие тех, что устанавливаются в водородных автомобилях типа Тойота «Mirai», включающую электродвигатель, водородные топливные элементы, блок управления. Кроме того, для генерации и сбора водорода тримаран должен быть укомплектован также гибкой рулонной солнечной батареей, которая может раскладываться между корпусом и поплавками (обычно поверх сетки) тримарана и электролизером, который включает в себя, в частности бак и насос для сбора воды из водоема, емкость для сбора водорода, насос для перекачки водорода в поплавки.
1 Корпус тримарана может быть выполнен из тех же материалов, которые используются при производстве обычных тримаранов (углепластик, алюминий, стеклопластик и т.д.). К корпусу с помощью специальных креплений присоединены поплавки (крепления могут допускать складывание поплавков вдоль корпуса, но могут быть простыми, стационарными), крепления могут изготавливаться частично из тех же материалов, что и корпус, но могут также усиливаться применением стальных нержавеющих силовых элементов или прочных элементов из иных сплавов.
2 Поплавки тримарана лучше всего изготавливать из карбона (углепластика) для того, чтобы они выдерживали давление сжатого водорода, закачиваемого внутрь.
3 Сетка (при наличии) может натягиваться между корпусом и поплавками, изготавливается из прочных, не гниющих материалов (например, капрон), которые позволяют выдерживать вес тела пассажиров, которые могут находиться на сетке. Между корпусом и поплавками, обычно поверх сетки может устанавливаться и закрепляться гибкое покрытие, содержащее солнечные батареи для преобразования солнечного света в электричество. Солнечные батареи в структуре гибкого покрытия лучше всего изготавливать на основе технологий, применяемых при изготовлении нано-антенн. Это гибкое покрытие соединяется проводами с электролизером.
4 Электродвигатель устанавливается в корпусе тримарана. Может применяться электродвигатель, используемый в гибридных водородных автомобилях (например, в Тойоте «Mirai»). Электродвигатель подсоединен к водородным топливным элементам и блоку управления проводами, через которые электрический ток питает электродвигатель.
5 Водородные топливные элементы расположены в корпусе тримарана. Они соединены с помощью системы проводов с блоком управления и электродвигателем. Через специальные шланги или трубки в водородные топливные элементы поступает из поплавков газообразный водород, кислород берется из атмосферы. Реакция образования воды не является горением, а происходит в процессе «холодного» окисления с выделением электроэнергии. Могут быть использованы уже существующие водородные топливные элементы, применяемые в гибридных водородных автомобилях.
6 Электролизер находится в корпусе тримарана. Включает в себя бак для воды из водоема (может изготавливаться из любого легкого и прочного, не ржавеющего материала), емкость для сбора водорода (лучше из карбона), насос для сбора воды из водоема, насос для перекачки водорода в поплавки через шланги или трубки, соединяющие электролизер с поплавками. Кислород, выделяющийся в процессе электролиза, выпускается в атмосферу за борт с помощью трубок. Электролизер соединен через блок управления с гибким покрытием, содержащим солнечные батареи электропроводами.
При заправке тримарана водородом (на стоянке либо во время круиза в спокойную погоду) гибкие покрытия, содержащие солнечные батареи, разворачиваются между корпусом и поплавками, обычно поверх сеток (3), соединяющих поплавки (2) с корпусом судна (1). Электролизер (6) заправляется водой. Блок управления включает электролизер и управляет закачиванием образующегося водорода в поплавки (2). При обычном круизе (без заправки водородом) блок управления управляет подачей водорода из поплавков тримарана (2) в водородные топливные элементы (5), в которых происходит реакция окисления с образованием электроэнергии и воды (которая выводится через трубки за борт). Электрический ток через провода и блок управления попадает в электродвигатель (4), который вращает винт тримарана в воде, вызывая поступательное движение тримарана.
Таким образом, полезная модель «Тримаран с гибридной экологической силовой установкой» позволяет создать судно, которое является простым в управлении, экологическим и дешевым в эксплуатации, способно передвигаться по воде быстро, на дальние расстояния, при этом сохраняя максимальную остойчивость.