馬浩然，管義鋒，胡晨澍，顏崢嶸，徐 恬

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

超級(jí)電容渡船—城市內(nèi)河交通新構(gòu)想

馬浩然，管義鋒，胡晨澍，顏崢嶸，徐 恬

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

提出了一種將超級(jí)電容與渡船相結(jié)合的構(gòu)想，通過對(duì)超級(jí)電容的特性和渡船航行特點(diǎn)的介紹，詮釋了超級(jí)電容渡船的內(nèi)涵，并在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)其可行性及實(shí)用性進(jìn)行了分析，具有一定的參考價(jià)值。

渡船；超級(jí)電容；內(nèi)河交通

0 引言

渡船是城市內(nèi)河水運(yùn)交通中的重要角色，同時(shí)也是城市污染來源之一。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)保和節(jié)能要求的提高，需要對(duì)傳統(tǒng)意義上的渡船進(jìn)行改造。其中，電動(dòng)渡船是最具有潛力的節(jié)能環(huán)保型船舶，而超級(jí)電容內(nèi)河渡船是一種適合渡船線路特點(diǎn)的新型電動(dòng)渡船，具有很大的應(yīng)用前景。超級(jí)電容內(nèi)河渡船完全以超級(jí)電容為動(dòng)力源，具有充電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電效率高、安全系數(shù)大及綠色環(huán)保、長(zhǎng)期使用免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適合大中城市內(nèi)河交通的短距離固定路線。鑒于此，本文將超級(jí)電容的特性與渡船的航行特點(diǎn)相結(jié)合，用渡船的相對(duì)短途航行特點(diǎn)來彌補(bǔ)超級(jí)電容放電快，體積大的缺點(diǎn)，從而促成了一個(gè)契機(jī)，開發(fā)出具有實(shí)用性和創(chuàng)新性的超級(jí)電容渡船。

1 超級(jí)電容

隨著石油資源的日趨短缺，以及燃燒石油產(chǎn)生的尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，研究能替代內(nèi)燃機(jī)的新型能源裝置成為當(dāng)下的一個(gè)熱門。雖然混合動(dòng)力電池、燃料電池、化學(xué)電池等產(chǎn)品不斷被開發(fā)研究，并取得了一定成果，但是由于它們存在的使用壽命短、溫度特性差、污染環(huán)境及系統(tǒng)復(fù)雜等一些重大弱點(diǎn)，一直沒有很好的方法加以解決。而超級(jí)電容器則以其優(yōu)異的特性異軍突起，因?yàn)槠渚哂谐潆姇r(shí)間少、容量大、溫度特性好、安全系數(shù)大、使用壽命長(zhǎng)和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)電容電池是通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能。由于在其儲(chǔ)能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲(chǔ)能過程是可逆的，所以超級(jí)電容器可反復(fù)充放電達(dá)數(shù)十萬次。其基本原理和其他種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。超級(jí)電容目前在新能源汽車中已有廣泛使用，并且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途。

2 超級(jí)電容渡船

本文構(gòu)述的超級(jí)電容內(nèi)河渡船是將超級(jí)電容作為動(dòng)力裝置應(yīng)用到渡船上來,將渡船短程航行及強(qiáng)調(diào)安全性的特點(diǎn)來彌補(bǔ)超級(jí)電容的放電速率高的缺點(diǎn)，極大的提高了船舶的安全性、環(huán)保性，能夠節(jié)省大量化石能源的使用，減少CO2排放，并能從長(zhǎng)遠(yuǎn)意義上為航運(yùn)公司帶來很大收益。該船采用雙體船型，由兩細(xì)長(zhǎng)片體和連接橋架構(gòu)成，保證了船舶的穩(wěn)性；具有可旋轉(zhuǎn)的雙槳推進(jìn)器，可在任何需要的方向產(chǎn)生推力，不需要舵和側(cè)推器，提高了船舶的操縱性和機(jī)動(dòng)性；減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(電動(dòng)機(jī)和變流器)的單機(jī)容量；去除了尾軸、減速器和舵機(jī)等，簡(jiǎn)化安裝和節(jié)省船艙空間，使船體設(shè)計(jì)和空間布置靈活；降低船舶振動(dòng)和噪音；減少船體阻力10%左右，提高運(yùn)輸效率達(dá)15%(包括：提高航速、降低油耗和減少造價(jià))；在船中部安置超級(jí)電容電池組，由于其體積較大，故也提升了船舶的穩(wěn)性，減少了橫搖。

2.1 超級(jí)電容渡船基本系統(tǒng)

超級(jí)電容渡船的基本系統(tǒng)可分為4個(gè)子系統(tǒng)：主能源系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及充電控制系統(tǒng)。具體而言，主能源子系統(tǒng)由超級(jí)電容器、能量管理系統(tǒng)構(gòu)成；輔助控制子系統(tǒng)為渡船提供動(dòng)力轉(zhuǎn)向、船上用電以及輔助裝置的動(dòng)力供給等功能；電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由電子單元、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和螺旋槳組成。充電控制系統(tǒng)由充電升降機(jī)構(gòu)、主從控制器和充電器等構(gòu)成。根據(jù)從制動(dòng)踏板和加速踏板輸入的信號(hào)電機(jī)控制器發(fā)出相應(yīng)的控制指令來控制功率轉(zhuǎn)換器的功率裝置的通斷。

2.1.1 主能源系統(tǒng)

主能源系統(tǒng)圖，如圖1所示。

圖1 主能源系統(tǒng)圖

2.1.2 輔助控制系統(tǒng)

具有可旋轉(zhuǎn)的雙槳推進(jìn)器，可在任何需要的方向產(chǎn)生推力。另設(shè)，一臺(tái)90kW的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，在超級(jí)電容器出故障或電力不足等緊急情況下保證船舶的正常航行。

2.1.3 電力系統(tǒng)

簡(jiǎn)要工作原理:主變壓器與驅(qū)動(dòng)器、超級(jí)電容組和計(jì)算機(jī)成了一個(gè)變頻電源主回路，通過整流器、穩(wěn)壓電容向主電機(jī)提供所需的直流穩(wěn)壓電源。另一方面，計(jì)算機(jī)通過超級(jí)電容、恒流源和穩(wěn)壓電容、輸出電路、線性放大分別檢測(cè)比較超級(jí)電容電壓變動(dòng)和主電機(jī)電壓變動(dòng)，實(shí)時(shí)進(jìn)行變頻脈寬調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)超寬幅穩(wěn)壓的目標(biāo)，即超級(jí)電容電壓寬幅變化和負(fù)載較大時(shí)，仍能向主電機(jī)提供恒定的工作電壓。

2.1.4 充電控制系統(tǒng)

1）船體超級(jí)電容匹配設(shè)計(jì)

對(duì)于30m左右的內(nèi)河渡船，經(jīng)測(cè)算得出所匹配的超級(jí)電容使用方案，如表1所示。

表1 超級(jí)電容使用方案

2）船體充電系統(tǒng)

目前研究的充電系統(tǒng)分為兩種，一種是感應(yīng)式充電，另一種是接觸式充電。感應(yīng)充電是利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式進(jìn)行能量傳遞從而充電。而在接觸式充電系統(tǒng)中，通常在船身上設(shè)計(jì)一個(gè)接觸拱，通過與船塢或碼頭的充電元件相接觸，接觸拱便可獲得瞬時(shí)高電流從而進(jìn)行充電。在實(shí)踐操縱中，由渡船工作人員將充電裝置搬下來，插到碼頭的充電器中充電。根據(jù)大小不同，充電10s～10min即可達(dá)到超級(jí)電容額定容量的 95%以上，因此充電過程完全可在渡船上下客的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，不會(huì)耗費(fèi)額外時(shí)間，這也是普通電力推進(jìn)渡船所無法比擬的。

目前研究的充電系統(tǒng)分為兩種，一種是感應(yīng)式充電，另一種是接觸式充電。感應(yīng)充電是利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式進(jìn)行能量傳遞從而充電。而在接觸式充電系統(tǒng)中，通常在船身上設(shè)計(jì)一個(gè)接觸拱，通過與船塢或碼頭的充電元件相接觸，接觸拱便可獲得瞬時(shí)高電流從而進(jìn)行充電。在實(shí)踐操縱中，由渡船工作人員將充電裝置搬下來，插到碼頭的充電器中充電。根據(jù)大小不同，充電10s～10min即可達(dá)到超級(jí)電容額定容量的 95%以上，因此充電過程完全可在渡船上下客的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，不會(huì)耗費(fèi)額外時(shí)間，這也是普通電力推進(jìn)渡船所無法比擬的。

3 超級(jí)電容渡船與傳統(tǒng)渡船的比較

3.1 超級(jí)電容渡船的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

圖2為超級(jí)電容渡船和傳統(tǒng)柴油機(jī)渡船結(jié)構(gòu)。

超級(jí)電容渡船

螺旋槳 ←電動(dòng)機(jī)←超級(jí)電容電池組

傳統(tǒng)柴油機(jī)渡船

圖2 超級(jí)電容渡船和傳統(tǒng)柴油機(jī)渡船結(jié)構(gòu)

1）操縱靈活，安全性高

主船體采用可調(diào)槳，即主推進(jìn)器可調(diào)節(jié)，對(duì)不同的情況可產(chǎn)生不同大小的推力，滿足船舶操縱和推進(jìn)的要求。因而當(dāng)船舶靠岸時(shí)將會(huì)更加地方便、安全。對(duì)于城市內(nèi)河這樣的水域情況，超級(jí)電容電池組+雙可調(diào)槳的組合在渡船靠岸時(shí)，其對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的控制能力明顯，保證了渡船這種頻繁靠離碼頭船舶的安全。

2）故障率更低，維護(hù)方便

由于使用全電力推進(jìn)系統(tǒng)，相對(duì)于柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械零部件要少得多，而且超級(jí)電容電池壽命特別長(zhǎng)(理論10年～20年)，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，不受氣溫影響，可多次反復(fù)充電達(dá)數(shù)十萬次。

3）船型得到優(yōu)化，布置更靈活，能耗降低

由于取消了傳統(tǒng)的軸系和舵系，能使船體尾部線形不再受傳統(tǒng)舵系的約束，故可按照流體力學(xué)的客觀知識(shí)加以優(yōu)化；機(jī)艙布置也不再受傳統(tǒng)軸系的約束，動(dòng)力裝置的布置更加靈活，從而可提高艙內(nèi)空間的利用率，使單次載客量增加，因而使總體能耗降低，收入增加。

4）環(huán)保性好

超級(jí)電容電池完全是物理反應(yīng)供電，全程無污染。對(duì)于傳統(tǒng)渡輪來說，以從江蘇鎮(zhèn)江到揚(yáng)州為例，假設(shè)渡輪的雙主機(jī)功率為2×200kw，油耗210g/(kw?h)，鎮(zhèn)江到揚(yáng)州以30min/次出發(fā)，每次航行15min，夜間不出航，則按12h計(jì)算；一天航行時(shí)間：2×12=24次，則15min的渡船航行一天需要的柴油量為：

400×(15/60)×24×210/1000=504kg

渡輪燃油以柴油(16烷)計(jì)算，1kg的柴油所產(chǎn)生CO2的質(zhì)量為：

1×192/226×44/12=3.115kg

輪渡一年所消耗柴油產(chǎn)生的CO2體積為：

365×504×(3.115/1.977)=289851m3

而超級(jí)電容渡船將很少或者幾乎不產(chǎn)生CO2氣體，將會(huì)給環(huán)保帶來很大貢獻(xiàn)。

5）營(yíng)運(yùn)成本低，經(jīng)濟(jì)性好。

6）振動(dòng)小，噪音低

超級(jí)電容渡船的推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械零件少、噪音小、運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)，增加了旅客的舒適度。減少了機(jī)械零件和電器元件的損壞，降低了維護(hù)周期及費(fèi)用，提高了船舶的使用壽命，同時(shí)，在航行時(shí)具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)良性能。

3.2 SWOT分析

表2 SWOT表分析

4 結(jié)論

要使超級(jí)電容渡船能夠真正投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，需要解決的最主要問題就是它的配套充電系統(tǒng)及相關(guān)碼頭設(shè)施?，F(xiàn)已生產(chǎn)出能與超級(jí)電容渡船匹配的超級(jí)電容，但唯一的問題就是目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電容的成本較高，因此建造超級(jí)電容渡船的成本也相對(duì)較高。 但是隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，超級(jí)電容的造價(jià)必然會(huì)降低，并且伴隨著超級(jí)電容渡船試點(diǎn)的成功運(yùn)營(yíng)及柴油船改造為超級(jí)電容船的技術(shù)成熟，超級(jí)電容渡船的市場(chǎng)占有率將會(huì)大幅提高，其作為一種新的內(nèi)河交通工具也會(huì)被越來，越多的航運(yùn)公司使用并繼續(xù)發(fā)展。相信不久的將來超級(jí)電容渡船將會(huì)從城市內(nèi)河交通的一種構(gòu)想變成現(xiàn)實(shí)航行于我國(guó)的各個(gè)流域，綻放它的風(fēng)采。

致謝：使用的超級(jí)電容電池組由上海奧威科技開發(fā)有限公司提供，感謝他們對(duì)本項(xiàng)目的支持與幫助。

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致謝：本文使用的超級(jí)電容電池組由上海奧威科技開發(fā)有限公司提供，感謝他們對(duì)本項(xiàng)目的支持與幫助

Ultracapacitor Ferry—New Concept of Urban Inland River Transport

MA Hao-ran,GUAN Yi-feng,HU Chen-shu,YAN Zheng-rong,XU Tian
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212000,China)

A new concept which combines the ultracapcacitor with the ferry is proposed .The meaning of Ultracapacitor ferry by presenting the performance of ultracapacitor and the sailing feature of ferry is introduced.The feasibility and practicability on these bases is analyzed.It also has some practical and reference value.

ferry; ultracapacitor; inland river transport

TV52

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.007

馬浩然（1993-），男，本科在讀，研究方向：船舶制造。