新型綠色節(jié)能混合動力多體船的設計與研發(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合，采用多種可再生清潔能源（風能、太陽能、波浪能等）作為混合動力，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海洋環(huán)境造成的影響。同時本船采用全新推進裝置——吊艙式對轉推進系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)槳代舵，簡化機械結構，達到環(huán)保目的。

關鍵詞：綠色;多體船;節(jié)能;混合動力;吊艙式對轉推進系統(tǒng)

1 引言

隨著“海上絲綢之路”的建設與發(fā)展，航運業(yè)越來越受到重視，船舶作為海上的主要交通工具逐步成為社會關注的焦點。全球日益嚴峻的環(huán)境污染和能源匱乏的壓力， 使船舶及航運業(yè)對環(huán)境污染的問題成為國際社會關注的焦點。國際海事組織（IMO）不斷地提升船舶相關標準和人們環(huán)境意識的加強，使船舶行業(yè)向低碳綠色的方向發(fā)展。因此，綠色船舶的概念應際而生。如今，國內(nèi)外對于綠色船舶的研究多集中在單一能源，并非最優(yōu)化的應用模式，多種能源的綜合利用及減排節(jié)能技術的結合才是重要的發(fā)展方向。

2 船舶特點

2.1五體船

本船的船體采用小水線面五體式，五體船由一個細長主船體兩側加上4個提供穩(wěn)性的小浮體，船靜浮時后側兩個浮體有稍許浸沉，前側兩個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顯著特點：

（1）高速阻力小。高速時，船舶的興波阻力隨航速以近6次方的規(guī)律增長，而五體船瘦長主船體較大的長寬比（L/B）可以使興波阻力降至極低。而后面一對側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。英國和挪威的研究機構（NGA公司和Marintek）開展的一系列針對不同航速、首向角和波頻的模型試驗均表明，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，五體船的兩對小浮體有助于提高船的破損穩(wěn)性，當一個小浮體破艙進水后，船仍然能夠保持穩(wěn)定。另外通過靈活選擇兩對小浮體與主船體的縱橫向相對位置，可以得到一個變化平緩的靜穩(wěn)性曲線。

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

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計水線以下的面積等于改造后船體水線以下面積的兩倍，進行優(yōu)化改造。

2.2船舶動力裝置設計

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

2.2.1波能

在船側四個附體靠近船首一側設置如同海豚鰭板一樣的“振蕩鰭”，此裝置在船舶航行時，受船舶前進及海浪的波浪作用，來回擺動收集機械能，并將其轉化為電能，儲存在儲能設備中。

2.2.2太陽能

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，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，收集太陽能并儲存于船舶的儲能設備中。

2.2.3風能

船上所設的鋁帆，在有風時可作為風帆，以風力作為輔助動力，風帆可根據(jù)風向及航向調(diào)整與風向角度，當風向不利于船舶航行時，將鋁帆折疊收起。受自然因素的影響，風能應用于本船舶，作為輔助能源。

2.2.4電能

在電能方面，以鋰電池+超級電容的形式，超級電容的采用縮短了充電時間，且功率密度高，在同樣的設備質(zhì)量下，功率相當于電池的5到10倍，間接節(jié)約了船舶空間，而且在在生產(chǎn)、使用、回收時均不產(chǎn)生污染，符合本項目的宗旨“綠色”。其次還配有儲能設備，用于收集波能及太陽能所轉化成的電能，在船舶航行期間，當儲能設備儲存電能達到某一設定值時，儲能設備將對超級電容充電，也可手動實現(xiàn)。因為船上生活用電需儲能設備提供，所以儲能設備有電能儲存最小值，用于保障船舶生活用電。

2.3船舶推進裝置設計

本船采用吊艙式對轉推進系統(tǒng)作為動力裝置，吊艙式對轉推進系統(tǒng)，就是將可操縱的吊艙模塊安裝在標準螺旋槳之后，兩槳布置在同一軸線上，但兩槳之間沒有任何物理連接。這樣做的好處不但可以高效推進，而且起著舵的作用，還簡化了機械結構，節(jié)約了材料的使用，同時優(yōu)化了原動機的負荷，降低了廢氣排放。在運作的過程中提高了推進效率，延長了推進系統(tǒng)的使用時間，并且減少動力能源的浪費，達到綠色環(huán)保的目的。

3結語

此設計圍繞“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力，船型采用小水面型多體船，節(jié)能方面從提高推進效率和減小阻力兩方面優(yōu)化改進。設計出一艘真正實現(xiàn)廢氣污染物及PM2.5顆粒零排放的船舶。在能源越來越緊缺的今天，“綠色”船舶的出現(xiàn)符合時代的需求，是大勢所趨。望本設計能給更多的人靈感，共同推動船舶行業(yè)以及社會的發(fā)展。

課題項目：

國家級（天津市級）大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助（項目編號140382019060）