. Capitolul 3 Aranjat [306906]

CAPITOLUL 3. SOLUȚII ALTERNATIVE UTILIZATE ÎN CREȘTEREA EFICIENȚEI ENERGETICE A ECHIPAMENTELOR ȘI INSTALAȚIILOR DE TRANSPORT

3.1. ANALIZA TIPURILOR DE ENERGIE REGENERABILĂ

Cele mai utilizate forme de energie regenerabilă sunt prezentate în continuare:

Figura 3.1. Energii regenerabile

Câteva dintre avantajele utilizării energiilor regenerabile sunt următoarele:

Sunt ecologice;

Nu generează emisii de CO2;

Sunt disponibile în cantități teoretic nelimitate;

Pot fi utilizate local;

Reprezintă soluții pentru toate nevoile.

[anonimizat], sunt prezentate în continuare.

Tabelul 3.1. Producerea energiei electrice în vederea furnizării în rețelele energetice naționale

Tabelul 3.2. Producerea locală a energiei electrice

Tabelul 3.3. Încălzire și răcire

Tabelul 3.4. [anonimizat], a [anonimizat]. [anonimizat], pentru toate tipurile de energii regenerabile. În figurile 7…9, [anonimizat], [anonimizat].

Figura 3.2. [anonimizat] 3.3. [anonimizat], domeniul energiilor regenerabile este într-o [anonimizat].

[anonimizat], a [anonimizat] a [anonimizat] o durată de până la 25 ani.

3.2. ENERGIA VALURILOR

3.2.2. Sisteme de captare a energiei valurilor

Se cunosc mai multe sisteme de captare a [anonimizat]:

1. Sistemul de conducte sub presiune

Se aseamănă cu sistemul de frânare al unui autovehicul. Astfel presiunea exercitată pe o [anonimizat], [anonimizat]-se astfel forța pe unitate de suprafață. Printr-[anonimizat].Acest principiu este aplicat de Interproject Service (IPS) Buoy (Sweden).

2. Sistemul bazat pe ascensiunea lichidului.

Sistemul se bazează pe ascensiunea apei sub formă de val pe o [anonimizat].

Ideea a fost pusă în practică de Wave Dragon (Denmark).

3. Sistemul pistonului lichid.

Într-o incintă, [anonimizat], [anonimizat] (în multe dintre aplicații se folosește turbina Wells). Wavegen (Scotland) și Mighty Whale (Japan) au pus în practică astfel de proiecte. Într-o [anonimizat].

Prin această mișcare se acționează o pompă, care împinge apa dintr-o turbină care acționează un generator. Scoția are acces la una din cele mai bogate resurse energetice marine din lume. Dacă în anul 2001, raportul Scotland’s Renewable Resource arăta că Scoția genera o capacitate de până la 21,5 GW (79,2 TWh/an) cu ajutorul energiei valurilor și mareelor, în 2010 guvernul scoțian finanța cu peste patru milioane de lire sterline cea mai mare fermă de energie marină din lume, care asigura până la 10 % din necesarul electric al țării.

Conform raportului Harnessing Scotland’s Marine Energy Potential efectuat de Marine Energy Group, până în 2020 în apele scoțiene se pot instala capacități de 1300 MW, adăugând câte 100 MW în fiecare an.

În nordul Scoției (Nigg), specialiștii scoțieni au gândit o platformă specială care să utilizeze la maximum forța valurilor, fără să monteze generatoare hidroelectrice plutitoare (proiectul Oyster, o invenție care promite multe, fig.3.4.).

Figura 3.4. Platforma OYSTER, 300- 600 kW

Platforma are o componentă montată în apă, care basculează atunci când este lovită de valurile uriașe. De ea sunt prinse două pistoane, care prin compresie împing apa cu viteză printr-o conductă, până într-o unitate aflată în apropriere. Acolo, apa sub presiune acționează o serie de palete, tot mecanismul fiind identic cu cel prezent în centralele hidroelectrice.

Totul diferă prin metoda inovativă de a transporta apa sub presiune. Producătorii spun ca Oyster poate genera între 300 și 600 kW, însă la configurații multiple, se poate ajunge la valori suficient de mari cât să alimenteze orașele din apropriere. Se speră că noua industrie ar revitaliza economia scoțiană, mai ales în zonele rurale și ar crea peste 7000 de noi locuri de muncă în diversele domenii colaterale implicate. O altă schemă experimentală de utilizare a energiei valurilor, este realizată pentru Insula Islay, în dreptul coastei de vest a Scoției, fiind concepută pentru a genera 180 kW. Ea funcționează pe principiul coloanei de apă oscilantă.

Turbina Wells de captare a energiei valurilor, a fost inventată în anul 1980 de profesorul Alan Wells de la Queen University din Belfast. Turbina Wells, fig. 3.5, este utilizată cu precădere în centralele electrice care exploatează energia valurilor, având unele dezavantaje care fac ca tehnologia să fie greu fezabilă.

Randamentul este foarte scăzut iar în condițiile unui curent slab de aer turbina se blochează. Palele turbinei Wells au un bord de atac foarte voluminos și un unghi de așezare redus, care rezultă din necesitatea utilizării acestor pale în ambele sensuri de acționare a aerului.

Figura 3.5. Turbina Wells

În 1995, chinezii de la Institutul de Conversie a Energiei Guangzhou au construit o geamandură de navigație de 60 W folosind turbina Wells. Cele mai impresionante aplicații ale turbinei Wells au fost puse în practică în India acolo unde energia valurilor aduce în sistemul electric 1,1 MW. O instalație experimentală a fost construită și în România, în apropierea digului de la Mangalia. Sistemul este alcătuit dintr-un cilindru fără fund, cu diametrul de 1,5 m și înălțimea de 2,5 m.

Portugalia a instalat până în 2009, 28 de centrale care produc o cantitate de energie de 72,5 MW. În acest sens primul generator dat în folosință se află la cinci kilometri de țărm, unde a fost instalat dispozitivul de tip Pelamis (numele vechi al șarpelui de mare), montat la Peniche, fig.3.5. Pelamis este un obiect care plutește pe valuri și care execută o mișcare cu o traiectorie eliptică. Cea mai simplă formă de valorificare a acestei mișcări pentru recuperarea energiei valurilor sunt pontoanele articulate. O construcție modernă este cea de tip Pelamis formată din mai mulți cilindri articulați, care, sub acțiunea valurilor au mișcări relative care acționează niște pistoane.

3.3. CAPTAREA ENERGIEI SOLARE

Energia solară este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat al reacțiilor de fuziune nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spațiu în cuante de energie numite fotoni, care interacționează cu atmosfera și suprafața Pământului. Intensitatea radiației solare la marginea exterioară a atmosferei, când Pământul se află la distanța medie de Soare, este numită constantă solară, a cărei valoare este de 1,37 · 106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2.

Cu toate acestea, intensitatea nu este constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani. Intensitatea energiei solare la suprafața Pământului este mai mică decât constanta solară, datorită absorbției și difracției energiei solare, când fotonii interacționează cu atmosfera.

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Absorbția naturală a energiei solare are loc în atmosferă, în oceane și în plante. Interacțiunea dintre energia solară, oceane și atmosferă, de exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt.

Utilizările moderne ale energiei eoliene presupun mașini puternice, ușoare, cu design aerodinamic, rezistente la orice condiții meteo, care atașate la generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a unei rețele de distribuție locală sau regională.În figura de mai jos este prezentată analiza radiației solare pe suprafața globului cu o intensitate mai mare în zona Ecuadorului dată fiind de temperatura mai mare din aceste zone.

Figura 3.6. Radiatia solara pe suprafata globului

Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea atmosferei este consumată în circuitul hidrologic, care produce ploi și energia potențială a apei din izvoarele de munte și râuri. Puterea produsă de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită energie hidroelectrică. Prin procesul de fotosinteză, energia solară contribuie la creșterea biomasei, care poate fi folosită drept combustibil incluzând lemnul și combustibilele fosile ce s-au format din plantele de mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din biomasă.

De asemenea, oceanele reprezintă o formă naturală de absorbție a energiei. Ca rezultat al absorbției energiei solare în oceane și curenți oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În anumite locuri, aceste variații verticale se apropie de 20C pe o distanță de câteva sute de metri. Când mase mari de apă au temperaturi diferite, principiile termodinamice prevăd că un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de energie de la masa cu temperatură mai mare și transferând o cantitate mai mică de energie celei cu temperatură mai mică. Diferența între aceste două energii calorice se manifestă ca energie mecanică, putând fi legată la un generator pentru a produce electricitate.

Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectate să capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată captată, este folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice, energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau distribuit.

În procesele fotovoltaice, energia solară este transformată direct în energie electrică, fără a folosi dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care captează razele solare într-un receptor, unde căldura solară este transferată într-un fluid care pune în funcțiune un sistem de conversie a energiei electrice convenționale.

Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are temperatura crescută datorită transferului de căldură. Energia transferată fluidului purtător este numită eficiență colectoare instantanee. Panourile solare au în general una sau mai multe straturi transparente pentru a minimaliza pierderile de căldură și pentru a putea obține o eficiență cât mai mare. În general, sunt capabile să încălzească lichidul colector până la 82C cu un randament cuprins între 40 și 80%.

3.3.1. Construcția colectorilor solari

Pentru construcția captatorilor solari, există mai multe tehnologii disponibile. Dintre acestea, sunt prezentate în continuare următoarele variante: colectorii plani, colectorii cu tuburi vidate și colectorii cu tuburi termice.

Colectori plani.

Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluție tehnică de realizare a colectorilor solari, o asemenea construcție fiind prezentată în figura 3.7.

Figura 3.7.Construcția colectorilor solari plani

Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, sub o folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un material absorbant. Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară, caracterizată prin conținut scăzut de fier, pentru creșterea capacității de transfer a radiației termice. Rezistența mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru a face față solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplu căderilor de grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru reducerea pierderilor prin convecție, în mediul ambiant.

Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic suficient de ridicat, dacă radiația solară este intensă, în condițiile unor costuri relativ reduse ale investiției, are o durata de functionare de pana la 25 ani, zapada nu ramane pe colector, ajuta la izolarea terminca atunci cand aceste tipuri de colectoare sunt integrate in acoperis. Dezavantajul principal îl reprezintă pierderile prin convecție relativ ridicate, la diferențe mari de temperatură între agentul termic și mediul ambiant, si nu prezinta imunitate la vant.

Figura 3.8. Pierderile termice la colectoare solare plane

Figura 3.9. Componentele unui panou sau colector solar plane

Acest tip de colector solar este cel mai des utilizat in sistemele cu panouri solare pentru incalzire.

Colectoare cu tuburi vidate.

Colectoarele cu tuburi datorita formei geometrice, reusesc sa primeasca razele solare mereu perpendicular macar pe o axa, fapt care duce la un randament mare din constructie.

Figura 3.10. Pierderile termice la colectoarele cu tuburi vidate

Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal și izolat termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereți dubli, din sticlă. Intre pereții din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereții exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperite cu un strat din material absobant, pentru a capta cât mai eficient radiația solară. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcție de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va încălzi datorită radiației solare și prin efect de termosifon, datorită diferenței de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.

Figura 3.11. Schema de functionare a unui colector cu tuburi vidate

Avantajul unor asemnea sisteme este reprezentat de absorbția directă a radiației solare, fără intermediul unui schimbător de căldură.

Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, care este un material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăți mecanice bune. Astfel, circulația apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă a sistemului, trebuie realizată încet și treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruște în tuburi.

Constructiv, colectoarele solare vidate se compun din urmatoarele elemente:

Figura 3.12. Elementele componente ale unui colector solar cu tuburi vidate

În figura 3.13. este prezentată o construcție performantă de colector solar cu tuburi vidate, în care circulația agentului termic este realizată printr-un schimbător de căldură coaxial din cupru, în contact cu o suprafața metalică absorbantă.

Această construcție, combină avantajele tuburilor vidate, care asigură pierderi minime de căldură în mediul ambiant (chiar la diferențe mari de temperatură între acesta și apa din tuburi), cu avantajele circulației agentului termic prin elemente metalice.

În figura 3.15, este prezentat un sistem flexibil de racordare a tuburilor vidate de tipul prezentat anterior, la conductele de apă rece și caldă.

În figura 3.15. sunt prezentate schema, respectiv construcția unui colector cu tuburi vidate, care în plus, permite înlocuirea individuală a unor tuburi, în cazul spargerii accidentale a acestora.

Figura 3.15. Colector cu tuburi vidate, interschimbabile

Avantajul acestor tipuri de colectoare cu tuburi vidate, este acela că în cazul spargerii accidentale a unui tub, agentul termic din instalație nu se pierde, fenomen care ar genera mari neplăceri, datorită volumului relativ mare de agent termic care ar putea produce pagube, mai ales dacă ar intra în contact cu elementele constructive ale imobilului pe care îl deservește.

Colectori cu tuburi termice

Principiul de funcționare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în figura 3.16.

Figura 3.16 Principiul de funcționare al colectorilor cu tuburi termice.

În interiorul unui tub de sticlă cu pereți dubli, între care se realizează vid, pentru diminuarea pierderilor termice în mediul ambiant, se montează un tub termic etanș, încărcat cu o substanță care vaporizează sub acțiunea radiației solare. Vaporii astfel formați, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care se găsește în contact termic cu agentul termic din instalația solară.

Acest agent, răcește capătul superior al tubului termic și determină astfel condensarea vaporilor din tubul termic, astfel încăt capătul superior al tubului termic, poartă denumirea de condensator. Căldura latentă de condensare a agentului din tubul termic, contribuie la încălzirea agentului termic din instalația solară, care curge prin conducta colectoare, în care se montează mai multe tuburi termice. Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izolează termic.

În figurile 3.17 și 3.18, sunt prezentate schema, respectiv construcția unui colector cu tuburi termice. În ambele figuri, se pot observa condensatoarele tuburilor termice.

Tuburile termice sunt interschimbabile, deci păstrează toate avantajele tuburilor vidate.

Avantajul acestor tipuri de colectori, este reprezentat de randamentul termic cel mai ridicat, în condiții caracterizate prin radiație solară nu foarte intensă, ceea ce recomandă utilizarea acestor echipamente în zone cu intensitate moderată a radiației solare.

Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat și de necesitatea asigurării unui contact termic foarte bun între condensator și agentul termic din conducta colectoare a instalației solare.

3.4. CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ

3.4.1. Principiul de funcționare al turbinelor eoliene

Energia eoliană, sau energia vântului, poate fi considerată o formă de energie solară, deoarece vântul este produs în principal de încălzirea neuniformă a atmosferei terestre, de către Soare. Alți factori care contribuie la producerea vântului sunt neregularitățile scoarței terestre și mișcarea de rotație a Pământului în jurul axei proprii.

Conversia energiei eoliene în energie mecanică și apoi în energie electrică, poate fi realizată cu ajutorul turbinelor eoliene. Într-o manieră simplificată, se poate spune că principiul de funcționare al turbinelor eoliene este cel al unui ventilator inversat. În loc să producă vânt cu ajutorul energiei electrice, așa cum se întâmplă în ventilator, turbina eoliană utilizează vântul pentru a produce energie electrică. Astfel, vântul antrenează în rotație paletele, care sunt fixate pe arborele turbinei. Energia mecanică obținută prin rotația arborelui, este convertită în energie electrică de către un generator de curent electric.

Din punct de vedere istoric, prima utilizare a energiei vântului datează de peste 5000 ani, când egiptenii utilizau deja energia eoliană pentru deplasarea corăbiilor. De asemenea, cu 2000 ani î.e.n., în Babilon funcționau deja primele mori de vânt. Se pare că lumea occidentală a descoperit mult mai târziu forța vântului, primele referiri scrise la mașini care utilizau energia vântului datează abea din sec. 12, fiind vorba de echipamente pentru măcinarea grânelor.

În figura 3.19, sunt prezentate principalele părți componente ale unei turbine eoliene.

Figura 3.19. Principalele părți componente ale unei turbine eoliene

3.4.2. Clasificarea turbinelor eoliene

Turbinele eoliene pot fi clasificate după mai multe criterii, în continuare fiind prezentate doar câteva dintre acestea:

După puterea electrică furnizată

Turbine de putere redusă (sub 100kW) utilizate în principal pentru uz casnic, agricol, etc.;

Turbine de putere mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în sistemele energetice naționale.

În figura 3.21 este prezentată o turbină eoliană de putere mică, iar în figura 3.22, una de putere mare.

După direcția de orientare a axei

Turbine cu axă orizontală (cele mai răspândite) având axa paralelă cu direcția vântului;

Turbine cu axă verticală (aflate în stadiu de cercetare) având axa perpendiculară pe direcția vântului.

În figura 3.22 este prezentată o turbină eoliană verticală de tip Darrierus, după numele celui care a realizat prima astfel de turbină. Asemenea modele se află deocamdată în stadiul de cercetare, nefiind încă disponibile pe piață.

Figura 3.22. Turbine eoliene verticale

După modul de amplasare a paletelor

În contra vântului (vântul întâlnește întâi paletele și apoi nacela) – “upwind”;

În direcția vântului (vântul întâlnește întâi nacela și apoi paletele) – “downwind”.

După numărul de palete

Cu două palete;

Cu trei palete (cele mai răspândite).

În figura 3.23 este prezentată o turbină cu două palete, de tip “upwind”.

Figura 3.23. Turbină “upwind” cu două palete

După locul de amplasare

Amplasare terestră;

Amplasare marină.

În figura 3.24 sunt prezentate câteva turbine eoliene marine.

Figura 3.24. Turbine eoliene marine

3.5. DIRECȚIILE ACTUALE DE DEZVOLTARE ÎN FOLOSIREA ENERGIILOR REGENERABILE ÎN DOMENIUL NAVAL

3.5.1. Introducere

Ideea de a folosi un sistem combinat de vele-motor nu este o idée de generație nouă, dar din cauza unor inconveniente constructive și conservative, acest sistem nu a fost implementat la scara largă.

În condițiile în care prețul combustibililor crește, atmosfera este degradată de poluarea cu NOx, SOx, CO, și acest grad de poluare crește zi de zi, soluțiile de producer a energiilor neconvenționale au început să producă interes în rândul părților interesate.

Sistemele neconvenționale, cum ar fi puterea vântului sau propulsia electric, sunt puse din nou în atenție după ce au fost ignorate o mare perioadă de timp.

În zilele noastre sunt considerate a fi surse majore de poluare a mediului maritime înconjurător cinci elemente și anume: activitatea industrială de pe uscat, lucrul sub apă, deșeurile descărcate în mediul marin, navele și atmosfera.

Din nefericire, așa cum am arătatmai devreme, măsurile luate și care încă sunt sunt luate în considerare, nu sunt o reflectare adevărată efortului volumului de muncă depus. Rezultate bune au fost obținute într-adevăr în anumite zone ale lumii, cum ar fii limitarea producerii de SOx în nordul Europei și coasta nord Americană, dar încă sunt zone în lume unde nu au fost luateîn considerare pasuri de precauție.

3.5.2. Ce înseamnă sistemul de propulsie neconvențional al unei nave

Numim neconvențional orice alt sistem care diferă de sistemul clasic de propulsie al unei nave, care nu folosește motoare cu ardere internă pentru a produce energie mecanică necesară rotirii axului elicei pentru a deplasa nava.

Principalele metode și sisteme neconvenționale de propulsie sunt:

Cilindrii verticali – rotorul Flettner

Nava propulsată de către o velă ridicată la o anumită înălțime – așa numită “kite”. Această metodă de propulsie conduce la reducerea consumului de combustibil și ca urmare emisii poluante mai mici

Propulsia navei folosind baterii solare și vele mobile sau fixe. În acest caz protecția mediului înconjurător maritim și a atmosferei este aproape totală.

Nava propulsată electric folosind motoare electrice, împreună cu un corp al navei specific, adoptând propulsia de tip pod, conducând la economicitate și protecție a mediului prin scăderea emisilor de CO2.

Propulsia navelor folosind cilindrii verticali rotativi (rotorul Flettner)

Sistemul este bazat pe sistemul Magnus, aplicat unui cilindru vertical așezat în curent de aer pentru propulsia unei nave.

Rotorul este un cilindru rotitor în jurul axei sale expus unui jetului de aer care curge la diferite unghiuri față de axă. Cilindrul exercită o forță laterală care acționează la diferite unghiuri în funcție de jetul de aer și mișcarea de rotație. Efectele rotorului Flettner au fost prima dată demonstrate în anul 1928. În anul 1924 Anton Flettner a construit nava Backau care era echipată cu doi cilindrii, fiecare de 18,3 metrii înălțime și 2,8 metrii diametru, pentru propulsia navei. Cilindrii erau puși în mișcare de rotașie de către două motoare diferite.

Nava putea naviga în vânt între 20-30 grade. Atunci acest sistem nu a fost unul eficient dar în zilele noastre acesta este folosit ca un sistem paralel de propulsie. De curând compania Enercon a construit o nava de 130 m cu 4 cilindrii Flettner. Nava se numește E-Ship și folosește energia vântului pentru a reduce costurile de combustibil și emisiile poluante. Cilindrii au 25 m înălțime și 4 m diametru, sunt așezați în pereche la pupa respectiv prova navei și ca sistem de propulsie paralel poate reduce costurile de combustibil cu 30%.

Figura 3.25. E-Ship

Figura 3.26. Efectul Magnus

Propulsia navelor folosind vele fixe sau mobile acoperite cu panouri solare

Energia solară este valorificată prin folosirea panourilor cu celule fotovoltaice montate pe vele fixe sau mobile, fixate pe puntea principală.

Energia vântului este folosită direct pentru propulsie prin folosirea de vele montate pe puntea principală făcute dintr- un material composit.

Velele pe catarge includ atât velele tradiționale cît și aripioarele, care sunt similare cu aripile unui avion. In anul 1970 prețul ridicat al combustibilului a stimulat interesul pentru propulsia pe baza vântului pentru navele comerciale. La acel moment a fost calculată o scădere a costurilor de combustibil cu 30-40 % dar odată cu scăderea prețului combustibililor proiectele pentru propulsia navelor cu ajutorul vântului au fost închise. În zilele noastre nava de pasageri Eoseas este în stare de proiect și va fi creată de către Zards STX revoluționând propulsia cu vele. Are o lungime de 305 m și 6 vele cu o suprafață totală de 12440 m². Tehnologia aplicată acestei nave va aduce reduceri de costuri de combustibil de 50%. Totodată designeri au estimat faptul că Eoseas ar costa cu circa 30% mai mult decât o navă de pasageri obișnuită ceea ce s-ar amortiza prin economia de combustibil.

Figura 3.27. Nava Eoseas

Compania Solar Sailor a brevetat velele SolarSails care valorifică energia solară și energia vântului. Aceste vele au fost deja instalata pe nava Solar Albatros care este o navă de dimensiuni mici. Aceasta este prima navă comercială hibrid propulsată cu combustibil fosil, energie electrică, puterea vântului și puterea solară, navă pe care a fost și testată această tehnologie. Conform încercărilor, când se navigă la o viteză de 15 Nd a intensității vîntului adevârat și 45 grd unghiul vântului față de ax, viteza navei navei crește cu aproximativ 2 Nd la aceiași putere a motorului.

Figura 3.28 Nava Solar Albatros

Folosirea velelor poate reduce consumul de combustibil, și de asemenea, reduce emisiile, dar are și potențiale dezavantaje precum:

Velele ocupă destul de mult spațiu și de aceea accesul este restricționat în timpul încărcării-descărcării și de aceea macaralele trebuie să acționeze în jurul acestora

Catargele pot genera rezistență la vânt nefavorabil. De asemenea există risc pentru echipaj cu privire la schimbările condițiilor de vânt. În special la vijelii, catargele și velele pot provoca înclinări periculoase ale navei.

La navigația cu vele, nava are tendința a se înclina. Acest lucru ar putea fii imposibil pentru nave tip container și nave cargouri să opereze în condițiile de înclinare la navigația cu vele. Pentru a evita situațiile de acest gen este nevoie de ballast excesiv care nu este economic.

Cu toate acestea, revenirea la scară largă a energiei eoliene folosind pânze este de neimaginat, ca urmare a creșterii costurilor combustibilului așteptat în următorii ani.

Propulsia navelor folosind o velă ridicată la o anumită înălțime – așa numită “kite”.

Cel puțin două firme au dezvoltat sistemul cu vele la înățime pentru aplicara acestuia navelor comerciale de tip cargo: compania Germană SkySails și compania Americană Kiteship.

Principalele caracteristici ale acestor tipuri de vele-zmeu sunt următoarele:

Velele-zmeu lucrează la o înălțime între 100-300 m deasupra suprafeței apei care permite velei să dezvolte de 25 de ori mai multă energie datorită vitezei mari a vântului la acea înălțime.

Comparând cu alte dispozitive de tracțiune, velele-zmeu nu necesită catarg și pot fi ușor împachetate. Acest lucru înseamnă că acestea necesită un spațiu mic la bord și nu deranjază cu nimic activitatea de încărcare-descărcare.

Necesită costuri de investiție scăzute comparînd cu alte sisteme dar o înaltă eficiență a economiilor de energie

Aceste dispozitive au un sistem de control automat rezultând o ușoară mânuire și siguranță

În comparașie cu sistemele convenționale de propulsie cu vânt, velele-zmeu produc unghi mic de tangaj, și mai mult de atât nu este nevoie de balast.

Este estimat faptul că utilizând vele-zmeu costul de combustibil poate scădea între 10-35% depinzând de condițile de vânt. Este concluzionat faptul că beneficiile mediului înconjurător cât și cele financiare pot fi convingătoare. Furnizorii de vele-zmeu indică faptul că prin folosirea acestui sistem operarea navelor va devenii mai profitabilă, sigură și independent de declinul rezervelor de combustibili.

În anul 2006 a fost anunțat faptul că firma de shipping Beluga a achiziționat un sistem pentru a fi instalat pe o navă de 140 m tip cargo numită MS Beluga SkySails. Nava a fost lansată pe 17 decembrie 2007.

Figura 3.29. Nava MS Beluga

În februarie 2011, compania Cargill a semnat un accord cu SkySails pentru a instala o velă-zmeu de 320 m² pe o navă de 30000 tdw, facând-o cea mai mare navă propulsată vreodată printr-o astfel de metodă. Astăzi acest sistem este ful operațional la firma Cargill.

Așa cum am văzut la sistemul anterior, și acest system are dezavantajele lui. Acest tip de vele nu poate fi operat contra vântului. Marele dezavantaj al acestor vele este faptul că ele nu pot fi operate la o intensitate scăzută a vântului. Unele studii arată că potențialele pericole de cădere a velei în apă, în special în calea navei, sunt mai mari decât beneficiile financiare obținute din acest sistem.

Mai mult decât atât, zmeul nu ar trebui să funcționeze în zone cu trafic dens de nave din motive de siguranță. În aceste zone trebuie ca nava să schimbe rapid cursul, sau desigur să se oprească, și este dificil să facă acest lucru atunci când vela este în zbor.

Propulsia navelor folosind energia valurilor

Energia valurilor este valorificată prin transformarea acesteia în diferite tipuri de energie prin combinarea mișcării relative a navei, a aripioarelor și a valurilor.

Figura 3.30. Nava care folosește energia valurilor

Producerea de energie electrică de valurile oceanului este posibilă prin navele care recoltază energie prin organizarea de ieșiri de zi cu zi la locații stabilite în apropierea țărmului și întoarcerea înapoi în port pentru livrarea de energie la rețea.
Energia este stocată pe navă în cursul fazei derecoltare și plasate pe grila în timpul perioadelor de cerere ridicată (în mod normal, la mijlocul-zilei).

Spre deosebire dedispozitivele energetice convenționale ale valurilor, navele nu ar fi nevoite să folosească cabluri submarine pentru a se lega la rețeaua de electricitate. Aceste cabluri costa de obicei mai mult de 500.000 dolari pe kilometru.Această idee de recoltare a energiei valurilor este simplă: punem dispozitive pentru recoltare pe bărci, le trimitem pe mare, ele stau acolo aproximativ o zi, își încărcară bateriile și apoi se întorc la mal și descarcă încărcătura lor electrică. Bateriile sunt planificate să aibăo capacitate de 20 megawati deorece, astfel încâte navele ar trebui să stea pe mare,timp de cel puțin 20 de ore pentru o încărcare completă. Proiectul a fost prezentat la Conferința Tehnologiei Verde și Expo2011 Boston.

Suntory Mermaid II este un catamaran de 9,5 metri lungime având deplasamentul de 3 tone și propulsat de puterea valurilor. Acesta dispune de două cozi asemătoare cu coada unui delfin, care absorbe energia valurilor și generează forța de tracțiune prin mișcarea în sus și în jos complementară cu mișcare bărcii. Nava a fostproiectat de Hiroshi Terao de la Universitatea Tokai .

La aproximativ ora 11.00 ( oraHonolulu) la 16 martie 2008, un bătrânel de 69 de ani, marinar japonez și ecologist Kenichi Horie a părăsit Hawaii Yacht Club, Honolulu , în Suntory Mermaid II, legat de Japonia. El a ajuns la 23.49 (14.49 GMT), la 4 iulie 2008 în Canalul Kii în apropierea farului Hinomisaki, Wakayama , Japonia , 4350 mile, fără incidente. Horie a făcut cea mai lungă călătorie din lume singur într-o barcă folosind tehnologia verde. Călătoria în Vestul Oceanului Pacific a durat 110 de zile. Horie a mâncat orez și curry cea mai mare parte a timpului, calmar și pește. Iahtul folosit poate naviga cu o viteza medie de 5 noduri . Suntory Mermaid II a fost alimentat de o singură baterie încărcată prin mijloace ecologice, solare și construcția iahtului a presupus folosirea unor materiale reciclate.

Figura 3.31.

3.6. ANALIZA FOLOSIRII ENERGIEI SOLARE LA BORDUL NAVELOR

Orice care vizitează Japonia poate vedea mașini electrice sau electrocasnice prietenoase cu mediul înconjurător. Acest lucru nu se petrece numai pe uscat cât și pe apă prin folosirea unor tehnologii de înalt nivel de către companiile japoneze constructoare care dezvoltă “nave-eco” care au un consum redus și o emisie mai mică de CO2 în aer.

Figura 3.32. Nava “Auriga Leader”

Prima navă care a testat cu succes folosirea panourile fotovoltaice se numește “Auriga Leader”. Aceasta este un RO-RO care transportă 6400 mașini și are 14 punți și o lungime de 200 m. A survenit modernizarea din cauza consumului mărit și al emisiilor mari de noxe. Așadar în decembrie 2008 nava a intrat în șantier și s-au montat la bord 328 panouri solare pe circa 250 m2, pe puntea superioară. Aceste panouri livrează mai puțin de 1 % din necesarul de energie de la bordul navei.

În iunie 2012 nava “Emerald Ace” este modernizată cu 768 panouri solare pe punte. Această navă nu consumă combustibil în port energia electrică fiind produsă cu ajutorul panourilor solare care livrează circa 160 kW, de ajuns pentru 50 de case. Atunci când nava este în mare energia produsă se depozitează în bateriile de la bord.

În planurile firmei producătoare japoneze se află o navă care combină energia eoliană și solară, ce are ca termen de realizare 2030 și are o lungime de 352 m. La această navă marfa este acoperită de panourile fotovoltaice iar energia vântului este captată cu ajutorul unor vele mobile.

Figura 3.35. Prezentarea machetei navei propuse