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2015年发展中国家和合并经济体替代能源国际会议
使用电机作为小船推进系统的可能性
Ratthakrit Reabroya, Yodchai Tiaplea, Sathit Pongduanga, Tewarat Nantawonga, Phansak Iamraksaa*
泰国，Chonburi，Sriracha校区，Kasetsart大学国际海事学院，20230
摘要
本研究旨在利用电机替代化石燃料消耗发动机。通过对电力推进系统 (eps) 的发展, 需要找到与4米长的船型兼容的电机。这一发展的目标是设计可达到5节的电动驱动。eps 的电力由4个电池供电, 提供24伏直流电, 而容器的推力则由3相 2.2 kw 松鼠笼感应电机提供。内部设计的逆变器从直流系统转换为三相系统, 在电池之间耦合。现场实验是在校园以西的斯里拉查湾的公海上进行的。结果表明, 该系统的最大速度可在1公里距离内达到5节。
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2015年AEDCEE组织委员会负责的同行审查,由2015年AEDCEE组织委员会负责。
关键词: 电力推进;电动船;逆变器;电动驱动;画眉
作者联系方式，电话： 0-663-835-2606；传真： 0-663-835-2608；
电子邮箱：srcpis@ku.ac.th.
1876-6102copy;2015 Elsevier有限公司出版。这是一篇获得CC BY-NC-ND许可的开放访问文章。
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2015年AEDCEE组委会负责同行评审
内政部：10.1016/j.egypro.2015.11.601
- 引文
自21世纪以来, 替代能源成为研究人员和工程师更感兴趣的话题。化石燃料的高价不仅促使政府, 而且敦促学术界和个人寻找另一个可持续的能源。在人类使用的各种能源中，电是主要的可利用能源，从照明到汽车驾驶等多种应用中，电可以由风、海浪甚至阳光等不同性质的可再生能源衍生而来。
不同的小组开发了几次将普通的船外发动机替换为电动机的尝试 [1-3]。对市场上可用的普通电动机, 如永久同步电机、鼠笼式异步电动机和直流电机进行了测试和报告 [1-3]。与柴油发动机或汽油发动机不同, 与相同尺寸的发动机相比, 电机的功率输出较小, 因此电力推进的性能受到限制;这可能意味着, 如果用户想获得与汽油相同的驱动功率, 就需要更大的电机。由于电机较大导致更大的重量影响性能, 外置电动发动机的尺寸成为主要障碍之一;然而, 不同的船舶设计导致轻微的改进, 例如双体船可以比单壳船更好地执行时, 当它使用电力推进系统 [2-3] 另一方面, 轻材料也可以取代传统的, 以减轻重量。
本文主要研究了三种主要目标: 第一, 探讨了如何为各种类型的船舶选择电动机;这将成为选择电动船外的基本原则, 这是任何类型的船的套件。其次, 研究了实际应用的电动船外和驱动系统的行为, 第三, 测试了系统在船舶上应用时的性能。 为了实现所有目标, 开发了包括驱动系统在内的电动外船电机, 并选择小型通用船作为性能测试对象。
术语
LOA 总长度
BOA 总体梁
LWL 水线长度
EPS 电力推进系统
SVPWM空间矢量脉宽调制
GPS 全球定位系统 HP 马力
- 实验设置
本报告的试验船是单壳船, 如图1所示, 它是用玻璃纤维材料制造的;电机驱动安装在船尾, 而船的机动是通过直接转向船外电动马达进行的。船的主要尺寸见表1。
图1.用于电动船外电机应用的船
表1船的尺寸调查
|
船的主要尺寸 |
长度(m) |
体积(m3) |
|
LOA |
4 |
- |
|
BOA |
1.235 |
- |
|
LWL 吃水量 位移量 |
3.214 0.417 - |
- - 0.77 |
由于获得了船的尺寸, 因此使用船舶阻力基本来计算移动船舶所需的驱动或推力: 在给定的航速 (节) 下, 船舶的流体动力阻力取决于湿表面积的几何形状、水粘度和空气密度;它被称为范奥特默森的方法 [4] 如方程1所示。
Rt = RF RR RA (1)
Rt是总电阻， RF 是摩擦阻力， RR是残余阻力， RA 是空气阻力。摩擦阻力是流体环境下抵抗运动物体的力；这取决于潮湿的区域, 也就是船的船体。残余阻力是根据船在运动过程中的水波和湍流情况的影响来考虑的, 而空气阻力则是由阻碍移动船只的力决定的, 这取决于空气密度等因素水线面积
有了这种模型和船信息, 驾驶船只所需的力或推力可以估计, 如表2所示。
表2 试验船的预计行驶距离
|
速度（节） |
van oortmerssen 电阻功率 (千瓦) |
|
0.5 |
0 |
|
1.0 |
0.2 |
|
1.5 |
0.013 |
|
2.0 |
0.032 |
|
2.5 |
0.10 |
|
3.0 |
0.20 |
|
3.5 |
0.29 |
|
4.0 |
0.70 |
|
4.5 |
1.5 |
|
5.0 |
1.80 |
从表2可以看出，船能达到的速度越高，阻力就越大；因此，为了达到给定的速度，电动机的功率必须与阻力功率匹配。对于本报告，最大速度设定为5节，因此获得的电机和逆变器功率应至少为1.8kw，这在市场上很容易找到。
由于获得了所需功率的估计值，外侧电力推进系统（EPS）由三相2.2kW鼠笼式感应电动机与3HP空间矢量脉宽调制（SVPWM）逆变器耦合组成。该系统可由12至48V电源供电。系统的储能由4个12V深循环电池组成的电池组提供，可提供高达120Ah的恒流。EPS的速度可以通过SVPWM产生的信号宽度来控制；此外，该逆变器还可以顺时针和逆时针旋转螺旋桨。所有电气设备如图2所示。EPS装置的布置如图3所示：电池放置在两者的中心位置，以保持良好的稳定性，电机、逆变器和控制装置安装在船尾。
图2 EPS中使用的电气设备包括电动外侧（左上）、逆变器（右上）、方向/速度控制（左下）和深循环电池（右下）
图3 EPS安装在船上时的布局
- 结果与讨论
图4所示，性能测试在距离校园西侧10公里处的sriracha湾进行（坐标13.1849064、10092.85025）。试验内容包括：10P%、70%和100%不同速度设定下电机的航行速度、加速度和使用功率试验。通过正向和反向跳闸时记录的平均速度调查速度，同时在速度运行跳闸期间进行电气测量，现场试验结果如表3所示。请注意，速度和时间由GPS模块确定，而电气测量则由钳形万用表确定。
图4.使用谷歌地图提供的位置（星标）进行开放式海上性能测试
表3. 在不同功率设置下记录速度
|
功率设置(%) |
记录平均速度（节） |
|
10 |
1.9 |
|
50 70 100 |
3.58 4 5.02 |
从表3中可以看出，该EPS达到的最高速度与目标接近；但是，由于船的尺寸、有效载荷的重量和螺旋桨直径等各种原因，最高速度可能高于或低于预期。当选择发动机以适应给定的船只时，必须考虑这些参数。根据船的尺寸和几何结构计算的阻力分析是选择合适的发动机的主要方法之一，发动机的机械功率应接近阻力，以获得给定的速度。考虑表4所示的最大速度下的电气调查。
表4. 最大速度下的电气参数
|
运行次数 |
速度（节） |
功率(kW) |
距离(km) |
时间 (s) |
|
1 |
5.1 |
1.72 |
0.075 |
68 |
|
2 |
5.05 |
1.68 |
0.07 |
62 |
|
3 |
4.9 |
1.73 |
0.065 |
55.5 |
5节的电力接近计算出的船在1.8 千瓦的速度下的阻力。这表明, 电机提供的推力功率与船的阻力相匹配。
- 结论
通用电机可以改装成舷外发动机的小船有几个问题。首先，必须对给定的船舶进行阻力等水动力参数研究，以确定其推力要求。其次，由于难以预测电机的功率并将其转换为航海速度，可能需要对几种类型的电机进行推力测试。当造船工人想把燃料发动机换成电力发动机时，这个过程可能会给他们带来麻烦。然而，正常估计既可用于电动模式，也可用于燃油模式，例如电动机的马力可被视为燃油发动机的相同马力。EPS实施的另一个问题是螺旋桨与电机转速的匹配。此外，由于EPS需要电池，因此需要很多电池来满足每次航行的行驶距离，并且会导致比普通燃油发动机更重的重量。
致谢
作者感谢国际海事研究学院的研究身份计划和卡塞茨艺术大学锡拉查校区的研究委员会的资助和支持。
参考文献
[1] Spagnolo GS, Papalillo D, Martocchia A, Makary G. 太阳能船。《运输技术》2012；2:144-149。
[2] Utama IKAP, Santosa PI, Chao R-M, Nasiruddin A. 太阳能催化剂的新概念.2013年第七届亚洲和帕西夫海岸问题国际会议论文集；903-909
[3] Ferry M, Wan Nik WB, Fitriadhy A, Amaheka S, Muzathik AM. 库阿地登干江无效率和污染的电子催化剂.海洋技术国际会
资料编号：[3162]
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