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(zhuǎn)推進系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)槳代舵，簡化機械結(jié)構(gòu)，達到環(huán)保目的。

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

1 引言

隨著“海上絲綢之路”的建設(shè)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(guān)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(guān)注的焦點。國際海事組織（IMO）不斷地提升船舶相關(guān)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(yīng)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(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

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(cè)加上4個提供穩(wěn)性的小浮體，船靜浮時后側(cè)兩個浮體有稍許浸沉，前側(cè)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(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。英國和挪威的研究機構(gòu)（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(jié)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(shè)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(shè)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(cè)四個附體靠近船首一側(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，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(zhuǎn)化為電能，儲存在儲能設(shè)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(shè)備中。

2.2.3風能

船上所設(shè)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(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(shè)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(shè)備，用于收集波能及太陽能所轉(zhuǎn)化成的電能，在船舶航行期間，當儲能設(shè)備儲存電能達到某一設(shè)定值時，儲能設(shè)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(shè)備提供，所以儲能設(shè)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(shè)計

本船采用吊艙式對轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)作為動力裝置，吊艙式對轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)語

此設(shè)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(shè)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(shè)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）