II. Описание судна и предположения
А. ПАРАМЕТРЫ СУДНА
Исследуемое судно представляет собой морское судно обеспечения, как показано на рис. 3. Таблица 2 дает основные параметры судна. Рис. 4 (а) показана оригинальная механическая двигательная установка. Вся необходимая энергия обеспечивается дизельным топливом, которое хранится в резервуарах. Два гребных винта фиксированного шага приводятся в движение двумя дизельными двигателями. Они имеют одинаковую номинальную мощность 720 кВт каждый. Рис. 5 показана кривая винта оригинальной механической двигательной установки с высокооборотными дизельными двигателями. Должен быть установлен редуктор, расположенный между двигателем и винтом. Он просто опущен на рис. 4 (а) для простоты. Вспомогательные нагрузки питаются от отдельного дизель-генератора, который не будет рассматриваться в данном исследовании.
Б. ГИБРИДНАЯ ТЯГА И РЕЖИМ РАБОТЫ
Существующая силовая установка считается гибридной для достижения целевого показателя выбросов. Береговое электричество может быть заряжаются в аккумуляторах и используются для движения. Литий-ионные батареи получили распространение из-за их высокой плотности мощности/энергии по сравнению с другими типами батарей [33]. Водород может стать еще одним источником энергии с нулевым выбросом CO2. Хранение водорода может осуществляться в виде жидкого водорода, сжатого водорода или гидридов металлов [15]. На практике чаще встречаются первые два варианта. В данном тематическом исследовании выбран жидкий водород, учитывая его относительно более высокую плотность энергии.
Как упоминалось выше, PEMFC используется потому, что он работает при относительно низких температурах и широко доступен на текущих коммерческих рынках. Инжир.4(b) дает предлагаемую гибридную двигательную установку в соответствии с опытом судостроителя. Система содержит системы хранения энергии, включая баки для дизельного топлива и водорода, а также один комплект аккумуляторов. Он также содержит два дизельных двигателя, два электродвигателя/генератора и топливные элементы для преобразования энергии.
Дизельные двигатели и электродвигатели могут приводить в движение гребные винты независимо или совместно в зависимости от потребляемой мощности. Двигатели могут питаться от батарей или топливных элементов по отдельности или одновременно в зависимости от стратегии управления энергопотреблением. Двигатели также могут работать как электрогенераторы, передавая избыточную мощность, передаваемую от двигателей, к гребным винтам. Батареи могут заряжаться или разряжаться через двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный.
Первоначально это морское вспомогательное судно использовалось для перевозки экипажа. Соответствующие рабочие характеристики потребляемой мощности измеряются основными дизельными двигателями в два разных дня и приведены на рис. 6. Общее время в пути составляет около 12 часов. Судну требуется около 1,5 часов, чтобы прибыть в рабочую зону, а затем оставаться там около 7 часов. Наконец, требуется 1,5 часа, чтобы вернуться. Как мы могли видеть из рис. 6, максимальная мощность достигается, когда корабль отправляется в рабочую зону и возвращается из нее. Имеется небольшое количество мощности, требуемой в рабочей зоне. Здесь было бы полезно упомянуть про пики мощности на рис. 6 (а). Вероятно, это случайные операции из-за разных командиров, поскольку на рис. 6 (б) пиков нет. Чтобы соответствовать другим операционным профилям, изученным в этой статье, на рис. 6 упрощается до рабочего профиля I, как показано на рис.7 (а). Динамические характеристики в масштабе времени в пару секунд в следующей оптимизации не учитываются.
Это морское судно поддержки может иметь различные оперативные задачи, соответствующие разным оперативным профилям. Одной из целей данной статьи является исследование влияния эксплуатационных профилей на конструкцию гибридной трансмиссии. Рис. 7 дает изученные эксплуатационные профили. Предполагается, что судно будет совершать одинаковые рейсы туда и обратно, но разные миссии в середине. Как упоминалось выше, рабочий профиль I представляет собой исходный измеренный. Это указывает на эксплуатационную задачу с низким энергопотреблением и энергопотреблением в рабочей зоне. Эксплуатационный профиль II требует немного большей мощности и более длительного времени в пути. Это представляет собой миссию с относительно низким энергопотреблением, но высоким энергопотреблением. Рис. 7(в) показан рабочий профиль III, который точно такой же, как профиль I, но с тремя пиками мощности посередине. Это указывает на какое-то быстрое, но непродолжительное движение в рабочей зоне. Этот профиль представляет собой миссию с кратковременно высоким потреблением энергии, но относительно низким потреблением энергии. Исследовательское судно имеет аналогичный рабочий профиль, показанный на рис. 7(d). Оно движется со средней скоростью в рабочей зоне для выполнения задачи исследования. Этот рабочий профиль IV представляет миссию с высокой потребностью в мощности и энергии.
Используя метод, разработанный в разделе III-Б, расход дизельного топлива с исходной механической двигательной установкой прогнозируется для этих четырех режимов работы и приведен на рис.8. Они являются ориентирами для последующей оптимизации.