超級電容車客渡船總體設計

丁超 王德安 孫大虎

摘 要：超級電容是一種充電效率高、循環次數高、能量轉換效率高的能量存儲裝置。在船舶環保要求日益嚴苛的背景下，超級電容車客渡船可以實現零排放，是最環保的船舶之一。基于首艘超級電容車客渡船，本文研究了該船的總布置設計、綠色生態設計和外觀造型設計，總結了寶貴的設計經驗，為后續同類船的設計建造提供重要參考。

關鍵詞：超級電容;車客渡船;綠色環保

中圖分類號：U662? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0107-04

黨的十九大報告提出了“堅持人與自然和諧共生”的基本方略，黨中央、國務院要求加快推進生態文明建設、打好污染防治攻堅戰的部署，交通部大力推進生態交通建設和綠色航運發展。國際海事組織也在大力推進船舶大氣污染防治，《國際防止船舶造成污染公約》要求自2020年1月1日起全球水域普遍使用硫含量小于0.5%的燃油，很多國家也正在逐步加強對氮氧化物排放的控制要求。結合國際國內船舶污染防治的新形勢新要求，我國沿海及內河航行的船舶應嚴格控制污染排放、逐步升級環保標準。整治船舶污染，首推船舶動力的電動化，而這在中短途運輸、中小量運輸的內河航運船舶上已率先啟動。隨著高能蓄電池、超級電容以及快速充電等技術的快速發展，以蓄電池或超級電容等為供電來源的純電動船舶可以取代傳統重燃油推進船舶應用在短途的島際交通運輸和短距離內河航運中，避免重燃油機產生的溫室氣體、硫氧化物、氮氧化物等氣體污染物和噪聲對生態環境造成的污染以及對船員健康造成的傷害，符合當前乃至未來船舶污染防治要求。

1主尺度要素

目標船航行于我國長江入海口的長興島和橫沙島之間，屬于內河A級航區，需承載旅客、中小型汽車、載重汽車等。該航線上當前運營的船舶是由柴油機驅動的常規燃料車客渡船，其中，最新設計是一型22車位車客渡船[1]。根據兩岸碼頭的現有設施、跳板尺寸、港口水深以及噸位要求等限制條件，目標船主尺度論證結果：總長65.0m，型寬14.5m，型深4.3m，吃水2.5m，載重量210t，車道總長51.0m，乘客定額165人，定員20人。

2總體設計

2.1乘客處所布置

現有渡船的旅客艙室和車輛艙室分別設置在車輛甲板和旅客甲板兩層[1]，乘客需要通過車輛艙兩側樓梯進去上一層旅客艙室，乘客和車輛存在共用通道，可能存在安全隱患。超級電容車客渡船依據客位人數多、登離船頻次高的要求，創新性地將乘客艙室與車輛甲板布置在同一層，且滿足車客分離的安全原則。車輛甲板兩舷布置細長型乘客艙室，乘客由舷側登乘，通過舷側走道步行6.0 m即可到達乘客艙室，乘客登船后步行距離短、安全且高效，滿足無障礙通行的設計要求。乘客登離船通過舷側乘客專用舷門。每舷乘客艙室客位數75人，兩舷共150人。保留常規設計優點，上一層甲板布置有15人的小型豪華乘客艙室。考慮橫沙島運力需求與長遠規劃，目標客位數定位為165人，均設固定座椅，無散席。乘客處所與車輛處所保持A級防火分隔，滿足車客分離原則，保障乘客安全，圖1為乘客艙室布置效果。

車客同層設計適用于航程時間短、客位數多的情況，符合車客分離的安全性原則，具備登離船通行效率高的優點。

2.2滾裝處所布置

橫沙島與大陸之間沒有橋梁或隧道，本船作為連接橫沙島和外界的唯一載體，滾裝處所的設計要滿足各種車輛的裝載，包括小汽車、公交車、旅游巴士以及卡車、泵車、建筑工程車等。超級電容車客渡船根據實際需求設一層全通滾裝車輛甲板（主甲板），中間無立柱等障礙物。滾裝處所長度與船舶總長相同，即貫穿船舶艏艉。滾裝處所寬度9.0 m，全船范圍內等寬設計，滾裝車輛可無障礙通行。滾裝處所高度凈高設計為4.5 m。滾裝甲板為縱骨架式結構，設強橫梁及縱桁，最大軸載荷可達13.0 t，最大單車荷重可達49.0 t。

滾裝甲板設3根主車道，每根主車道長51.0 m，寬2.3 m，可裝載標準車輛RT43L共30輛。滾裝車輛登離船采用無掉頭設計，極大限度提高滾裝貨物的裝卸效率和行車安全。滾裝甲板艏艉貫通，船舶艏、艉均可停靠碼頭，到港與出港采用不同方向停靠碼頭，可實現滾裝車輛登離船無掉頭設計。滾裝甲板設置綁扎系固設備，采用埋入式地鈴，車輛甲板載車區域設置防滑條，此外還配備適當數量的多種規格的木楔，用作車輛甲板上車輛輪墊。在車輛甲板的首部和尾部兩端，設置車輛止擋裝置。止擋裝置通過液壓缸驅動進行豎起和平放，船舶航行中保持豎起工作狀態，靠碼頭時保持平放收藏狀態（靠碼頭側擋板收藏），不影響滾裝車輛通行。

2.3穩性分艙布置

超級電容車客渡船完整穩性和破艙穩性滿足最新內河船舶規范《內河船舶法定檢驗技術規則》要求，全船設1道艙壁甲板和6道主橫艙壁，從艏至艉依次劃分為艏尖艙、NO.1空艙、NO.2空艙、超級電容艙、輔機艙、推進機艙和艉尖艙。此外，艏艉各設置一對邊壓載水艙，用以調整橫傾和縱傾。船舶在任何一種典型的航行工況下艏傾不超過0.5m，艉傾不超過1.5%垂線間長，即0.9m。典型航行工況和破艙穩性計算工況包括壓載出港、壓載到港、滿載客貨出港、滿載客貨到港、滿客無貨到港。破損范圍假定在相鄰兩主橫艙壁間的任何位置經受破損。穩性計算及乘客集舷的影響，計算結果表明該船穩性符合法規要求。

3超級電容應用設計

3.1航線特點

目標船為滿足橫沙島居民出行需求，運營時間為每天上午6：00至下午10：00，單個航次設計為20分鐘，其中正常航行工況5分鐘、進出港工況5分鐘、碼頭停泊工況10分鐘，每天累計運營48個航次。因此該船動力系統需匹配航行時間短、進出港頻繁、停泊時間短等航行特點。

3.2能源選擇

到目前為止，燃油動力在船舶上的應用是最廣泛的，也是歷史最為悠久的。除了傳統燃油動力外，船用新能源包括LNG、風能、太陽能和電能等，其優缺點總結如表1所示。根據長興-橫沙航線特點，電能符合目標船使用要求，它能實現零排放、提高船舶能效效率、提高乘客和船員的舒適度。長興-橫沙航程短，規避了電能航程受限的缺點。推進系統選用雙全回轉推進器，降低目標船頻繁靠離港時操船負荷，提高登離船乘客和車輛的安全性。統計表明，全電力推進車客渡船維修保養費用較一般機械推進系統減低了54%[2]。

電動船常用電能儲能裝置是充電電池，突出優點是比能量高、能量單價低。超級電容也可以作為船用儲能裝置，基于表2能量存儲裝置性能比較，超級電容的性能特點主要有：

（1）超級電容可以快速充電，反復循環數十萬次;

（2）超級電容存儲能量多，能量轉換效率高，發熱低;

（3）超級電容荷電狀態與電壓構成線性關系;

（4）超級電容可以反復傳輸能量脈沖而無任何不利影響;

（5）超級電容額定電壓范圍內可以被充電至任意電位。

基于目標船使用需求，設計了高能超級電容和磷酸鐵鋰電池兩套技術方案，見表3。超級電容在循環壽命、充電時間上具備明顯優勢。超級電容是通過極化電解質來儲能的，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能，在儲能過程中并未發生化學反應，因此這種儲能過程是可逆的，充放電可達數十萬次[4]。

3.3超級電容

為響應崇明世界級生態島的發展定位，目標船把低碳減排、節能環保的綠色生態設計理念放在首位，結合長興-橫沙航線特點，首創性的應用超級電容作為動力源為全船負載供電，實現船舶航行有害氣體零排放，符合未來車客渡船的發展趨勢。超級電容車客渡船配備總容量為625 kWh的超級電容，具體參數見表4。電容器布置在兩個獨立的電容艙內，配備獨立通風系統和七氟丙烷滅火系統。超級電容可使用的工況包含所有航行工況、進出港工況和停泊工況。超級電容柜設計有過放、過壓、過流、過熱、過載、短路等保護與報警功能，包含電源管理系統，具備單體電壓、模塊溫度自動均衡功能。

直流充電樁布置在兩舷船中處，配遙控旋轉門，充電裝置由機械臂自動連接在受電樁上，充電時間10 min。岸基能源供給系統參考新型軌道式供電裝置和柔性受電連接系統設計[5]，由10kV電網、10kV/690VAC變電站、1500A/ 1000VDC充電機、充電裝置、受電裝置以及儲能系統構成。

4 綠色生態設計

4.1綠色船舶符號

超級電容車客渡船滿足中國船級社《內河船舶綠色船舶規范2020》中綠色附加標志“綠色船舶-2”設計，該規范于2020年2月1日正式生效，超級電容車客渡船積極響應新規范要求，采用創新技術實現節約資源和能源、減少環境污染、保護操作和使用的人員。

4.2動力系統冗余

超級電容車客渡船在滿足法規規范安全要求的基礎上，增加了動力系統冗余設計，提供多重安全保障。超級電容可為全船負載供電的同時，設兩臺柴油發電機作為備用電源，兩套超級電容同時發生故障時，可啟動柴油發電機為全船提供動力。柴油發電機功率450 kW，布置于輔機艙內。

4.3惡劣海況安全開航

渡運受大風、大霧、大雨、強對流天氣等自然條件影響較大。長江渡船操作性能差、抗風浪能力差，大風、大霧、大雨、大水等不良自然條件對長江渡運動影響較大，安全隱患突出[6]。考慮到本船是連接橫沙島和外界的唯一通道，為了減少由于惡劣天氣給島上人民出行帶來的影響，本船穩性滿足8級風開航的要求。根據中國船級社《河船開航分級限制的核定辦法》，該船風壓穩性橫準數Kf大于1.85，見表5。

Kf=Mq/Mf≥1.85

Mq： 計入橫搖影響的最小傾覆力矩，kN·m

Mf： 風壓傾側力矩，kN·m

4.4乘客逃生通道冗余

超級電容車客渡船在船舶首尾兩端、左右兩舷各設一處逃生登乘集合站，涵蓋乘客艙室各出入口，且逃生登乘集合站與滾裝處所保持A級防火分隔，保障乘客船員安全逃生。

5外觀造型設計

5.1整體造型

超級電容車客渡船整體造型采用流線型設計，各層甲板連線由船中向首尾逐層降低，層次分明，協調統一，整體造型如圖2所示。駕駛甲板和車輛甲板舷側用玻璃幕墻勾勒出兩道曲線，輔以外板油漆配色方案，營造星辰大海的氛圍。

5.2桅燈優化

超級電容車客渡船后桅燈布置在駕駛甲板尾部，滿足于前桅燈間距大于1/2船長的規范要求，但后桅燈高度影響整船造型輪廓，對藝術感表達有一定的破壞性。電動可倒桅桿[7]的設計，可保證該船整體造型，且能夠滿足桅燈布置要求。

6展望

超級電容在車客渡船上的應用切實可行，尤其適用于環保要求高、航行停泊時間短、航次頻率高的短途島際航線和短距離內河航線。隨著超級電容及相關配套設備的發展成熟，綠色環保的超級電容將會更普遍地推廣應用于各類船舶上。

參考文獻：

[1]于圣堂， 王丹. 22車位車客渡船優化設計[J]. 上海船舶運輸科學研究所學報， 2018， 41（1）： 17-22.

[2]蔡薇，周發模，周春鋒.船舶全電力推進系統的適裝性初步分析[J].船海工程，2007（05）：1- 3.

[3]宇惠誠. 電氣化學キヤパシタ用電解質[J]. 電氣化學お.

[4]馬浩然， 管義鋒， 胡晨澍， 等. 超級電容渡船—城市內河交通新構想[J]. 機電設備， 2015（3）： 30-33.

[5]尹奇志，劉加誠，嚴新平.基于岸基能源的江漢運河船舶電力供給系統設計[J].船海工程，2018，47（04）：31-35.

[6]周崇喜.基于態勢分析法的長江渡運安全對策研究[J].船海工程，2010，39（02）：155-157.

[7]徐芝良， 丁超， 樊紅元， 等. 一種可倒式船舶燈桅[P]. 中國： ZL201610186255.0， 2017.