小型清漂船動(dòng)力能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張博駿

摘 要：港口垃圾和污油會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染，港口海域狹小，不容易清洗，限制了常規(guī)清洗船的使用。需要一種環(huán)保、靈活的小型垃圾清理船。本課題首先介紹了該小型清漂船具體參數(shù)以及船舶推進(jìn)系統(tǒng)和收運(yùn)系統(tǒng)的組成，分析計(jì)算了電機(jī)的特性和船舶軸的功率，確定了電機(jī)的類型和能量系統(tǒng)的組成，并進(jìn)一步分析計(jì)算了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。結(jié)果表明，以鋰電池為主要能源，太陽(yáng)能為輔助能源的模式能夠滿足小型清潔船的動(dòng)力需求，符合相關(guān)環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：清漂船;推進(jìn)系統(tǒng);收運(yùn)系統(tǒng);功率計(jì)算

1 清漂船系統(tǒng)概述

1.1 船舶總體參數(shù)

小型垃圾清理船是中間有傳送帶的雙體船結(jié)構(gòu)，船舶的具體參數(shù)如下：船長(zhǎng)L=1.8 m;船寬W=0.9 m;船體深度h=0.43 m;浮體寬度B=0.3 m;浮體間距K=0.6 m;水下深度d=0.17 m;工作行駛速度為V=0.514 m/s;工作速度下的運(yùn)行時(shí)間為t1=4 h;最大行駛速度為Vs=1.029 m/s;最大速度下的運(yùn)行時(shí)間為t2=1 h;弗勞德系數(shù)是Fn=0.263;方形系數(shù)Cb=0.64;從實(shí)驗(yàn)中得到的船在水中的總阻力是R=26.378 N;海水密度為ρ=1 020 kg/m3;船上裝有兩個(gè)軸驅(qū)動(dòng)的槳葉作為螺旋槳，螺旋槳的額定轉(zhuǎn)速n=1 100 r/min;螺旋槳的直徑D=0.14 m;螺距比為0.5。

1.2 推進(jìn)系統(tǒng)和垃圾收運(yùn)系統(tǒng)組成

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由電源、配電系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、收運(yùn)電機(jī)和收運(yùn)器組成，垃圾收運(yùn)系統(tǒng)由回收裝置、垃圾箱、傳送帶、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成[1]，推進(jìn)系統(tǒng)和收運(yùn)系統(tǒng)共有同一組動(dòng)力系統(tǒng)，該動(dòng)力系統(tǒng)由電源提供給船舶的主電源，依靠配電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力作為船舶使用的輔助，以提高續(xù)航能力。根據(jù)電機(jī)負(fù)載，將上述兩種功率通過控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為滿足頻率、電壓、電流等條件的功率，使船舶在安全參數(shù)范圍內(nèi)正常工作，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)整。調(diào)節(jié)電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)船舶的各種工作要求[2]。

2 船舶功率分析與計(jì)算

2.1 船舶軸功率的計(jì)算

3.2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的分析與計(jì)算

為了增加一些航程，在船舶外部安裝太陽(yáng)能電池板吸收能量，然后將吸收的能量?jī)?chǔ)存在電池中，為船舶的電力收運(yùn)系統(tǒng)提供能量，從而達(dá)到改善航程的目的。太陽(yáng)能電池板不僅可以在船舶工作時(shí)儲(chǔ)存能量，還可以在船舶待機(jī)時(shí)儲(chǔ)存能量，不僅可以增加船舶的壽命，還可以減少岸電的使用和消耗，節(jié)約能源。

垂直于太陽(yáng)能光伏板的太陽(yáng)輻射約為1 000 W/m2，如果太陽(yáng)輻射角偏離光伏板一個(gè)角度，光伏板上的太陽(yáng)輻射為1 000cosα W/m2，因此太陽(yáng)能光伏板的輸出功率如等式（7）所示：

其中S是太陽(yáng)能電池板的表面積，nq是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率。這艘船使用三塊太陽(yáng)能板，一塊矩形板和兩塊梯形板。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，兩塊梯形面板的水平角余弦值為0.6，矩形面板平行于水平面，梯形面板的面積為0.325 m2，矩形面板的面積為0.15 m2。因此可以計(jì)算出三塊面板的輸出功率p=54 W。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力可以提供給船舶收運(yùn)系統(tǒng)，以提高船舶的續(xù)航工作能力。

4 結(jié)論

通過對(duì)小型船舶電池電力垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的研究，得出了以鋰離子電池為主要能源、太陽(yáng)能光伏發(fā)電為輔助能源的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在小型垃圾清理漂流船舶上應(yīng)用的可行性。為今后船舶的優(yōu)化提供了依據(jù)。同時(shí)，電動(dòng)船舶給港口清理漂浮污染物的工作帶來了便利。與其他種類的船舶垃圾收運(yùn)系統(tǒng)相比，這種電池電力推進(jìn)系統(tǒng)更適合小型或微型船舶使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]余加俊，駱文韜，徐飛鴻，等.智能清漂船河道邊界圖像識(shí)別算法[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（13）：132-136.

[2]周群，李岳洋，管義鋒.35 m多功能水上全自動(dòng)清漂船設(shè)計(jì)[J].江蘇船舶，2015，32（1）：18-20.