新型綠色節(jié)能混合動(dòng)力多體船的設(shè)計(jì)與研發(fā)

李偉朋?郝寧珺

摘要：本文將球鼻艏，球艉與小水線面多體船身結(jié)合，采用多種可再生清潔能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能等）作為混合動(dòng)力，研發(fā)出滿足真正意義的零碳排放船舶，從而有效解決船舶廢氣排放對(duì)海洋環(huán)境造成的影響。同時(shí)本船采用全新推進(jìn)裝置——吊艙式對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)槳代舵，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，達(dá)到環(huán)保目的。

關(guān)鍵詞：綠色;多體船;節(jié)能;混合動(dòng)力;吊艙式對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)

1 引言

隨著“海上絲綢之路”的建設(shè)與發(fā)展，航運(yùn)業(yè)越來(lái)越受到重視，船舶作為海上的主要交通工具逐步成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。全球日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染和能源匱乏的壓力， 使船舶及航運(yùn)業(yè)對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)際海事組織（IMO）不斷地提升船舶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和人們環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，使船舶行業(yè)向低碳綠色的方向發(fā)展。因此，綠色船舶的概念應(yīng)際而生。如今，國(guó)內(nèi)外對(duì)于綠色船舶的研究多集中在單一能源，并非最優(yōu)化的應(yīng)用模式，多種能源的綜合利用及減排節(jié)能技術(shù)的結(jié)合才是重要的發(fā)展方向。

2 船舶特點(diǎn)

2.1五體船

本船的船體采用小水線面五體式，五體船由一個(gè)細(xì)長(zhǎng)主船體兩側(cè)加上4個(gè)提供穩(wěn)性的小浮體，船靜浮時(shí)后側(cè)兩個(gè)浮體有稍許浸沉，前側(cè)兩個(gè)小浮體的龍骨線位于滿載水線之上。

五體船船型具有如下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）高速阻力小。高速時(shí)，船舶的興波阻力隨航速以近6次方的規(guī)律增長(zhǎng)，而五體船瘦長(zhǎng)主船體較大的長(zhǎng)寬比（L/B）可以使興波阻力降至極低。而后面一對(duì)側(cè)體排水量占總排水量的比例通常不到10%，其阻力所占比重很小。

（2）適航性高。英國(guó)和挪威的研究機(jī)構(gòu)（NGA公司和Marintek）開(kāi)展的一系列針對(duì)不同航速、首向角和波頻的模型試驗(yàn)均表明，大多數(shù)情況下五體船的耐波性要比單體船好，并且高海情下五體船的失速非常小。此外，與三體船相比，五體船高速航行時(shí)埋首現(xiàn)象發(fā)生的頻率較低。

（3）穩(wěn)性較好。與三體船相比，五體船的兩對(duì)小浮體有助于提高船的破損穩(wěn)性，當(dāng)一個(gè)小浮體破艙進(jìn)水后，船仍然能夠保持穩(wěn)定。另外通過(guò)靈活選擇兩對(duì)小浮體與主船體的縱橫向相對(duì)位置，可以得到一個(gè)變化平緩的靜穩(wěn)性曲線。

（4）船體平臺(tái)可提供寬敞的空間用來(lái)布置太陽(yáng)能動(dòng)力裝置。 五體船加之與球艉和球鼻艏的創(chuàng)新結(jié)合，在保證型線光順的前提下，充分提高船舶的各項(xiàng)性能。

本文以一艘傳統(tǒng)典型交通艇為母型船，采用“母船改造法”即先確定主體尺度（主要是中橫剖面）然后再根據(jù)改造前后吃水不變，以原船體中橫剖面在設(shè)計(jì)水線以下的面積等于改造后船體水線以下面積的兩倍，進(jìn)行優(yōu)化改造。

2.2船舶動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

圍繞“綠色”這個(gè)主題，本船以電能為主要能源，波能，太陽(yáng)能及風(fēng)能為輔助能源，多種清潔能源在單船上進(jìn)行系統(tǒng)集成和能量融合地使用，在保證“綠色”的同時(shí)，解決了純電能驅(qū)動(dòng)續(xù)航性差及單一清潔能源受環(huán)境因素制約的問(wèn)題。多能源的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)驅(qū)使著我們的船舶駛向更遠(yuǎn)的彼岸。

2.2.1波能

在船側(cè)四個(gè)附體靠近船首一側(cè)設(shè)置如同海豚鰭板一樣的“振蕩鰭”，此裝置在船舶航行時(shí)，受船舶前進(jìn)及海浪的波浪作用，來(lái)回?cái)[動(dòng)收集機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中。

2.2.2太陽(yáng)能

船的頂層上放置兩幅巨型的鋁帆，在頂層后方再放置一幅巨型的鋁帆，可用電力和液壓將其折疊或展開(kāi)，并能調(diào)整與水平面及垂直面的角度，鋁帆的一面布置有太陽(yáng)能板，用于在晴朗天氣，在不阻礙船舶正常航行的情況下，收集太陽(yáng)能并儲(chǔ)存于船舶的儲(chǔ)能設(shè)備中。

2.2.3風(fēng)能

船上所設(shè)的鋁帆，在有風(fēng)時(shí)可作為風(fēng)帆，以風(fēng)力作為輔助動(dòng)力，風(fēng)帆可根據(jù)風(fēng)向及航向調(diào)整與風(fēng)向角度，當(dāng)風(fēng)向不利于船舶航行時(shí)，將鋁帆折疊收起。受自然因素的影響，風(fēng)能應(yīng)用于本船舶，作為輔助能源。

2.2.4電能

在電能方面，以鋰電池+超級(jí)電容的形式，超級(jí)電容的采用縮短了充電時(shí)間，且功率密度高，在同樣的設(shè)備質(zhì)量下，功率相當(dāng)于電池的5到10倍，間接節(jié)約了船舶空間，而且在在生產(chǎn)、使用、回收時(shí)均不產(chǎn)生污染，符合本項(xiàng)目的宗旨“綠色”。其次還配有儲(chǔ)能設(shè)備，用于收集波能及太陽(yáng)能所轉(zhuǎn)化成的電能，在船舶航行期間，當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存電能達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備將對(duì)超級(jí)電容充電，也可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇仙钣秒娦鑳?chǔ)能設(shè)備提供，所以儲(chǔ)能設(shè)備有電能儲(chǔ)存最小值，用于保障船舶生活用電。

2.3船舶推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)

本船采用吊艙式對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)作為動(dòng)力裝置，吊艙式對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)，就是將可操縱的吊艙模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳之后，兩槳布置在同一軸線上，但兩槳之間沒(méi)有任何物理連接。這樣做的好處不但可以高效推進(jìn)，而且起著舵的作用，還簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，節(jié)約了材料的使用，同時(shí)優(yōu)化了原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，降低了廢氣排放。在運(yùn)作的過(guò)程中提高了推進(jìn)效率，延長(zhǎng)了推進(jìn)系統(tǒng)的使用時(shí)間，并且減少動(dòng)力能源的浪費(fèi)，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。

3結(jié)語(yǔ)

此設(shè)計(jì)圍繞“綠色”核心從能源、船型及節(jié)能三方面出發(fā)，能源采用多種清潔能源混合動(dòng)力，船型采用小水面型多體船，節(jié)能方面從提高推進(jìn)效率和減小阻力兩方面優(yōu)化改進(jìn)。設(shè)計(jì)出一艘真正實(shí)現(xiàn)廢氣污染物及PM2.5顆粒零排放的船舶。在能源越來(lái)越緊缺的今天，“綠色”船舶的出現(xiàn)符合時(shí)代的需求，是大勢(shì)所趨。望本設(shè)計(jì)能給更多的人靈感，共同推動(dòng)船舶行業(yè)以及社會(huì)的發(fā)展。

課題項(xiàng)目：

國(guó)家級(jí)（天津市級(jí)）大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)140382019060）