超級電容渡船—城市內河交通新構想

馬浩然，管義鋒，胡晨澍，顏崢嶸，徐 恬

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

超級電容渡船—城市內河交通新構想

馬浩然，管義鋒，胡晨澍，顏崢嶸，徐 恬

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

提出了一種將超級電容與渡船相結合的構想，通過對超級電容的特性和渡船航行特點的介紹，詮釋了超級電容渡船的內涵，并在這個基礎上對其可行性及實用性進行了分析，具有一定的參考價值。

渡船；超級電容；內河交通

0 引言

渡船是城市內河水運交通中的重要角色，同時也是城市污染來源之一。隨著現代社會對環保和節能要求的提高，需要對傳統意義上的渡船進行改造。其中，電動渡船是最具有潛力的節能環保型船舶，而超級電容內河渡船是一種適合渡船線路特點的新型電動渡船，具有很大的應用前景。超級電容內河渡船完全以超級電容為動力源，具有充電速度快、循環壽命長、充放電效率高、安全系數大及綠色環保、長期使用免維護等優點，適合大中城市內河交通的短距離固定路線。鑒于此，本文將超級電容的特性與渡船的航行特點相結合，用渡船的相對短途航行特點來彌補超級電容放電快，體積大的缺點，從而促成了一個契機，開發出具有實用性和創新性的超級電容渡船。

1 超級電容

隨著石油資源的日趨短缺，以及燃燒石油產生的尾氣排放對環境的污染越來越嚴重，研究能替代內燃機的新型能源裝置成為當下的一個熱門。雖然混合動力電池、燃料電池、化學電池等產品不斷被開發研究，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、污染環境及系統復雜等一些重大弱點，一直沒有很好的方法加以解決。而超級電容器則以其優異的特性異軍突起，因為其具有充電時間少、容量大、溫度特性好、安全系數大、使用壽命長和節能環保等特點。超級電容電池是通過極化電解質來儲能的，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。由于在其儲能的過程中并不發生化學反應，因此這種儲能過程是可逆的，所以超級電容器可反復充放電達數十萬次。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組成的雙電層結構獲得超大的容量。超級電容目前在新能源汽車中已有廣泛使用，并且具有比傳統的化學電池更加廣泛的用途。

2 超級電容渡船

本文構述的超級電容內河渡船是將超級電容作為動力裝置應用到渡船上來,將渡船短程航行及強調安全性的特點來彌補超級電容的放電速率高的缺點，極大的提高了船舶的安全性、環保性，能夠節省大量化石能源的使用，減少CO2排放，并能從長遠意義上為航運公司帶來很大收益。該船采用雙體船型，由兩細長片體和連接橋架構成，保證了船舶的穩性；具有可旋轉的雙槳推進器，可在任何需要的方向產生推力，不需要舵和側推器，提高了船舶的操縱性和機動性；減少驅動系統(電動機和變流器)的單機容量；去除了尾軸、減速器和舵機等，簡化安裝和節省船艙空間，使船體設計和空間布置靈活；降低船舶振動和噪音；減少船體阻力10%左右，提高運輸效率達15%(包括：提高航速、降低油耗和減少造價)；在船中部安置超級電容電池組，由于其體積較大，故也提升了船舶的穩性，減少了橫搖。

2.1 超級電容渡船基本系統

超級電容渡船的基本系統可分為4個子系統：主能源系統、輔助控制系統、電力驅動系統及充電控制系統。具體而言，主能源子系統由超級電容器、能量管理系統構成；輔助控制子系統為渡船提供動力轉向、船上用電以及輔助裝置的動力供給等功能；電力驅動子系統由電子單元、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置和螺旋槳組成。充電控制系統由充電升降機構、主從控制器和充電器等構成。根據從制動踏板和加速踏板輸入的信號電機控制器發出相應的控制指令來控制功率轉換器的功率裝置的通斷。

2.1.1 主能源系統

主能源系統圖，如圖1所示。

圖1 主能源系統圖

2.1.2 輔助控制系統

具有可旋轉的雙槳推進器，可在任何需要的方向產生推力。另設，一臺90kW的應急發電機組，在超級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

簡要工作原理:主變壓器與驅動器、超級電容組和計算機成了一個變頻電源主回路，通過整流器、穩壓電容向主電機提供所需的直流穩壓電源。另一方面，計算機通過超級電容、恒流源和穩壓電容、輸出電路、線性放大分別檢測比較超級電容電壓變動和主電機電壓變動，實時進行變頻脈寬調節，從而實現超寬幅穩壓的目標，即超級電容電壓寬幅變化和負載較大時，仍能向主電機提供恒定的工作電壓。

2.1.4 充電控制系統

1）船體超級電容匹配設計

對于30m左右的內河渡船，經測算得出所匹配的超級電容使用方案，如表1所示。

表1 超級電容使用方案

2）船體充電系統

目前研究的充電系統分為兩種，一種是感應式充電，另一種是接觸式充電。感應充電是利用電磁感應原理通過非接觸的耦合方式進行能量傳遞從而充電。而在接觸式充電系統中，通常在船身上設計一個接觸拱，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高電流從而進行充電。在實踐操縱中，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。根據大小不同，充電10s～10min即可達到超級電容額定容量的 95%以上，因此充電過程完全可在渡船上下客的時間內進行，不會耗費額外時間，這也是普通電力推進渡船所無法比擬的。

目前研究的充電系統分為兩種，一種是感應式充電，另一種是接觸式充電。感應充電是利用電磁感應原理通過非接觸的耦合方式進行能量傳遞從而充電。而在接觸式充電系統中，通常在船身上設計一個接觸拱，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高電流從而進行充電。在實踐操縱中，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。根據大小不同，充電10s～10min即可達到超級電容額定容量的 95%以上，因此充電過程完全可在渡船上下客的時間內進行，不會耗費額外時間，這也是普通電力推進渡船所無法比擬的。

3 超級電容渡船與傳統渡船的比較

3.1 超級電容渡船的競爭優勢

圖2為超級電容渡船和傳統柴油機渡船結構。

超級電容渡船

螺旋槳 ←電動機←超級電容電池組

傳統柴油機渡船

圖2 超級電容渡船和傳統柴油機渡船結構

1）操縱靈活，安全性高

主船體采用可調槳，即主推進器可調節，對不同的情況可產生不同大小的推力，滿足船舶操縱和推進的要求。因而當船舶靠岸時將會更加地方便、安全。對于城市內河這樣的水域情況，超級電容電池組+雙可調槳的組合在渡船靠岸時，其對船體運動的控制能力明顯，保證了渡船這種頻繁靠離碼頭船舶的安全。

2）故障率更低，維護方便

由于使用全電力推進系統，相對于柴油機推進系統機械零部件要少得多，而且超級電容電池壽命特別長(理論10年～20年)，長期使用免維護，不受氣溫影響，可多次反復充電達數十萬次。

3）船型得到優化，布置更靈活，能耗降低

由于取消了傳統的軸系和舵系，能使船體尾部線形不再受傳統舵系的約束，故可按照流體力學的客觀知識加以優化；機艙布置也不再受傳統軸系的約束，動力裝置的布置更加靈活，從而可提高艙內空間的利用率，使單次載客量增加，因而使總體能耗降低，收入增加。

4）環保性好

超級電容電池完全是物理反應供電，全程無污染。對于傳統渡輪來說，以從江蘇鎮江到揚州為例，假設渡輪的雙主機功率為2×200kw，油耗210g/(kw?h)，鎮江到揚州以30min/次出發，每次航行15min，夜間不出航，則按12h計算；一天航行時間：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)計算，1kg的柴油所產生CO2的質量為：

1×192/226×44/12=3.115kg

輪渡一年所消耗柴油產生的CO2體積為：

365×504×(3.115/1.977)=289851m3

而超級電容渡船將很少或者幾乎不產生CO2氣體，將會給環保帶來很大貢獻。

5）營運成本低，經濟性好。

6）振動小，噪音低

超級電容渡船的推進系統機械零件少、噪音小、運轉較平穩，增加了旅客的舒適度。減少了機械零件和電器元件的損壞，降低了維護周期及費用，提高了船舶的使用壽命，同時，在航行時具有低轉速、大轉矩的優良性能。

3.2 SWOT分析

表2 SWOT表分析

4 結論

要使超級電容渡船能夠真正投產運營，需要解決的最主要問題就是它的配套充電系統及相關碼頭設施。現已生產出能與超級電容渡船匹配的超級電容，但唯一的問題就是目前國內生產電容的成本較高，因此建造超級電容渡船的成本也相對較高。 但是隨著科技的進步和社會的發展，超級電容的造價必然會降低，并且伴隨著超級電容渡船試點的成功運營及柴油船改造為超級電容船的技術成熟，超級電容渡船的市場占有率將會大幅提高，其作為一種新的內河交通工具也會被越來，越多的航運公司使用并繼續發展。相信不久的將來超級電容渡船將會從城市內河交通的一種構想變成現實航行于我國的各個流域，綻放它的風采。

致謝：使用的超級電容電池組由上海奧威科技開發有限公司提供，感謝他們對本項目的支持與幫助。

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致謝：本文使用的超級電容電池組由上海奧威科技開發有限公司提供，感謝他們對本項目的支持與幫助

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。