小型清漂船動力能源系統設計

張博駿

摘 要：港口垃圾和污油會對海洋環境造成污染，港口海域狹小，不容易清洗，限制了常規清洗船的使用。需要一種環保、靈活的小型垃圾清理船。本課題首先介紹了該小型清漂船具體參數以及船舶推進系統和收運系統的組成，分析計算了電機的特性和船舶軸的功率，確定了電機的類型和能量系統的組成，并進一步分析計算了太陽能發電系統。結果表明，以鋰電池為主要能源，太陽能為輔助能源的模式能夠滿足小型清潔船的動力需求，符合相關環保要求。

關鍵詞：清漂船;推進系統;收運系統;功率計算

1 清漂船系統概述

1.1 船舶總體參數

小型垃圾清理船是中間有傳送帶的雙體船結構，船舶的具體參數如下：船長L=1.8 m;船寬W=0.9 m;船體深度h=0.43 m;浮體寬度B=0.3 m;浮體間距K=0.6 m;水下深度d=0.17 m;工作行駛速度為V=0.514 m/s;工作速度下的運行時間為t1=4 h;最大行駛速度為Vs=1.029 m/s;最大速度下的運行時間為t2=1 h;弗勞德系數是Fn=0.263;方形系數Cb=0.64;從實驗中得到的船在水中的總阻力是R=26.378 N;海水密度為ρ=1 020 kg/m3;船上裝有兩個軸驅動的槳葉作為螺旋槳，螺旋槳的額定轉速n=1 100 r/min;螺旋槳的直徑D=0.14 m;螺距比為0.5。

1.2 推進系統和垃圾收運系統組成

船舶電力推進系統主要由電源、配電系統、太陽能光伏發電系統、控制系統、收運電機和收運器組成，垃圾收運系統由回收裝置、垃圾箱、傳送帶、驅動電機等組成[1]，推進系統和收運系統共有同一組動力系統，該動力系統由電源提供給船舶的主電源，依靠配電系統利用太陽能光伏發電系統的電力作為船舶使用的輔助，以提高續航能力。根據電機負載，將上述兩種功率通過控制系統轉化為滿足頻率、電壓、電流等條件的功率，使船舶在安全參數范圍內正常工作，然后驅動電機帶動螺旋槳旋轉，并根據工況進行調整。調節電機速度，實現船舶的各種工作要求[2]。

2 船舶功率分析與計算

2.1 船舶軸功率的計算

3.2 太陽能發電系統的分析與計算

為了增加一些航程，在船舶外部安裝太陽能電池板吸收能量，然后將吸收的能量儲存在電池中，為船舶的電力收運系統提供能量，從而達到改善航程的目的。太陽能電池板不僅可以在船舶工作時儲存能量，還可以在船舶待機時儲存能量，不僅可以增加船舶的壽命，還可以減少岸電的使用和消耗，節約能源。

垂直于太陽能光伏板的太陽輻射約為1 000 W/m2，如果太陽輻射角偏離光伏板一個角度，光伏板上的太陽輻射為1 000cosα W/m2，因此太陽能光伏板的輸出功率如等式（7）所示：

其中S是太陽能電池板的表面積，nq是太陽能轉化為電能的效率。這艘船使用三塊太陽能板，一塊矩形板和兩塊梯形板。根據設計要求，兩塊梯形面板的水平角余弦值為0.6，矩形面板平行于水平面，梯形面板的面積為0.325 m2，矩形面板的面積為0.15 m2。因此可以計算出三塊面板的輸出功率p=54 W。太陽能電池產生的電力可以提供給船舶收運系統，以提高船舶的續航工作能力。

4 結論

通過對小型船舶電池電力垃圾收運系統的研究，得出了以鋰離子電池為主要能源、太陽能光伏發電為輔助能源的電力驅動系統在小型垃圾清理漂流船舶上應用的可行性。為今后船舶的優化提供了依據。同時，電動船舶給港口清理漂浮污染物的工作帶來了便利。與其他種類的船舶垃圾收運系統相比，這種電池電力推進系統更適合小型或微型船舶使用。

參考文獻：

[1]余加俊，駱文韜，徐飛鴻，等.智能清漂船河道邊界圖像識別算法[J].電子設計工程，2018，26（13）：132-136.

[2]周群，李岳洋，管義鋒.35 m多功能水上全自動清漂船設計[J].江蘇船舶，2015，32（1）：18-20.