2. Translation of the article

АНОТАЦИЯ

Гибридизация судов в последнее время вызвала интерес с целью достижения цели по выбросам к 2050 году. Однако проектирование и оптимизация гибридной двигательной установки является сложной проблемой. Определение размеров компонентов и оптимизация управления энергопотреблением связаны друг с другом. В этой статье применяется вложенная двухуровневая архитектура оптимизации для оптимизации размеров и управления энергопотреблением гибридного морского судна поддержки. Рассматриваются три различных источника энергии, а именно дизельные двигатели, аккумуляторы и топливные элементы, что увеличивает сложность задачи оптимизации. Проиллюстрированы оптимальные размеры компонентов и соответствующие им стратегии управления энергопотреблением. Влияние эксплуатационных профилей и целевых показателей сокращения выбросов на конструкцию гибридизации изучается для этого конкретного типа судна. Результаты доказывают, что небольшая цель по сокращению выбросов, составляющая около 10 %, может быть достигнута за счет повышения эффективности дизельного двигателя при использовании только аккумуляторов, в то время как достижение более высокой цели по сокращению выбросов в основном зависит от количества водорода и/или заправки на берегу, потребляемая электроэнергия. Для этого конкретного корабля разработаны некоторые рекомендации по проектированию гибридизации, которые могут быть применимы и для других судов с аналогичными эксплуатационными характеристиками.

Политика изменения климата создает существенные ограничения на выбросы парниковых газов в транспортной отрасли [1]. Выбросы судоходства занимают от 2,76% в 2012 г. до 2,89% в 2018 г. в мировых антропогенных выбросах парниковых газов [2]. Этот сектор промышленности находится под большим давлением, чтобы достичь цели по сокращению выбросов как минимум на 50% к 2050 году [2]. Электрификация — один из многообещающих способов сокращения выбросов CO2выбросы. Поэтому в последнее время большой интерес вызывают гибридные и электрические суда. Инжир.1показаны на практике некоторые распространенные силовые установки гибридных и электрических судов. Хорошо известные механические двигательные установки широко применяются на судах. Основанный на оригинальных механических двигательных установках, затем применяются дизель-электрические силовые установки для разделения выработки и потребления энергии [3]. Рабочую точку дизель-генератора можно даже отделить от скорости вращения главного вала с помощью шины постоянного тока [4], [5], что в конечном итоге повышает эффективность дизельных двигателей. Электрические двигательные системы были разработаны быстро после того, как батареи, особенно литий-ионные (Li-ion), были интегрированы в двигательные системы [6], [7]. В последнее время водородные топливные элементы привлекают интерес из-за их относительно высокой плотности энергии [8] и полного отсутствия выбросов [9], [10]. Они широко исследовались для применения в автомобилестроении [11], [12]. Однако они практически не изучены для морских применений [10], [13]. В [14] рассмотрены несколько различных типов водородных топливных элементов для морского применения. Низкотемпературный топливный элемент с мембраной из полимерного электролита (PEMFC) наиболее перспективен для кораблей с продолжительностью полета до десятка часов [14].

Высокотемпературные топливные элементы, такие как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), могут обеспечить более высокую общую эффективность системы. Однако ТОТЭ еще не полностью готов к морскому применению из-за его плохих динамических характеристик [15]. Рис. 1 Также показана гибридная двигательная установка, в которой гребной винт приводится в движение различными типами движителей и/или электрическая система питается от разных источников энергии [16]. Гибридная силовая установка обеспечивает более гибкие режимы работы, такие как отбор мощности, отбор мощности и отбор мощности домой [17]. Подробные преимущества гибридизации были исследованы на восьми типах судов с различными эксплуатационными профилями [18]. Однако, с другой стороны, гибридизация приводит к усложнению конструкции и оптимизации двигательной установки. Процесс проектирования представляет собой многокритериальную задачу оптимизации, охватывающую топологию [19], определение размеров и управление (управление энергопотреблением). К счастью, в автомобильной промышленности стратегии оптимизации на уровне системы хорошо изучены и применены к электромобилям [20]. Рис. 2 показаны архитектуры оптимизации, которые широко используются в автомобильной промышленности. Самая популярная архитектура оптимизации — это проект управления (внутренний уровень), вложенный в проект предприятия (внешний уровень). Наибольшие различия между различными двухуровневыми оптимизациями заключаются в алгоритмах, применяемых к этим двум слоям. Метод исчерпывающего поиска применяется для решения проблемы проектирования электростанции на ранней стадии [21], в то время как многокритериальный генетический алгоритм (GA) или оптимизация роя частиц (PSO) больше подходят для обработки очень большого пространства проектирования [22], [23]. Для задачи проектирования управления на внутреннем уровне динамическое программирование (например, смешанно-целочисленное линейное программирование (MILP)) более перспективно для поиска оптимальной политики управления [24], чем традиционный алгоритм, основанный на правилах (RB) [22].

Возвращаясь к морским приложениям, в таблице 1 перечислены несколько справочных материалов, касающихся определения размеров и управления энергопотреблением источников питания. Например, несколько целей, таких как расход топлива, количество запусков/остановок генераторных установок и часы работы, были сформулированы в одну цель [25]. При этом может быть упущен компромисс между различными целями. Сложная трехэтапная оптимизация с единственной целью для каждого этапа применяется для оптимизации полностью электрических судовых энергетических систем в [27]. Однако для данной конструкции судовой энергетической установки, в которой номинальная мощность и емкость накопителя энергии были известны с самого начала, решается только проблема управления.

Оптимальный размер генератора и управление им изучаются с использованием ГА в [28]. Эта проблема определения размеров не так сложна, поскольку рассматривается только один источник питания. Двухэтапная оптимизация с единственной целью применяется для оптимизации размера батареи электрического парома [29]. Но все ограничения просто формулируются линейно, а затем задача решается методом фминкон функция в MATLAB, а не в других более продвинутых алгоритмах. Следует отметить, что не все доступные алгоритмы перечислены в таблице.1. Более полный обзор, но для автомобильного применения, можно найти в [20]. В недавней литературе [32] представлена оптимизация схемы преобразования энергии для автономных приложений, которая также может быть интересна для поставляемых приложений.

Анализ всех вышеупомянутых исследований позволяет выделить два факта. Во-первых, большее количество источников энергии, таких как дизельные двигатели, дизель-генераторные установки, аккумуляторы и топливные элементы, усложняет конструкцию силовой установки гибридных судов. Во-вторых, архитектуры оптимизации системного уровня, разработанные для автомобильных приложений, можно попытаться решить проблему проектирования для морских приложений [32].

Этот проект направлен на изучение возможности гибридизации кораблей на основе водорода для нескольких различных типов судов, а также влияние гибридизации на сокращение выбросов CO2 выбросы. В этой статье представлена часть нашей текущей работы по применению методологии многоцелевой двухуровневой оптимизации для определения размеров и управления гибридной силовой установкой корабля. Цель данной статьи заключается, во-первых, в том, чтобы сформулировать разработанную методологию и показать ее эффективность для поиска оптимальных решений, основанных на некоторых определенных целях. Данное тематическое исследование проводится на морском судне обеспечения с особыми эксплуатационными характеристиками. Таким образом, второй вклад заключается в разработке некоторых рекомендаций по проектированию гибридизации на основе водорода для кораблей со схожими эксплуатационными характеристиками.

Данная статья начинается с краткого описания исследуемого морского судна обеспечения. Объясняются параметры корабля, эксплуатационные профили и предлагаемая гибридная двигательная установка. Далее иллюстрируется процедура двухуровневой оптимизации с последующей формулировкой целей и ограничений оптимизации. Впоследствии гибридные двигательные установки оптимизируются с использованием предложенной методологии для четырех различных эксплуатационных профилей.

Обсуждается влияние эксплуатационных процедур и целевых показателей по сокращению выбросов на схему гибридизации. Наконец, делаются выводы.