التطورات في نظم الدفع الكهربائي العالي الفولط للسفن

A New Era for Maritime Propulsion

وتخضع صناعة النقل البحري العالمية لضغوط هائلة لتطهيرها من الكربون مع الحفاظ على الكفاءة والموثوقية في العمليات، وتبرز نظم الدفع الكهربائي ذات الفول المرتفع كقاعدة أساسية في هذا الانتقال، حيث تتجاوز التطبيقات المتخصصة لتصبح بديلا صالحا لمجموعة واسعة من أنواع السفن، وهذه النظم التي تعمل في مجموعات تتجاوز عادة 000 1 فولت، تمثل تحولا أساسيا من القطارات الآلية التقليدية التي تقدم خدمات إعادة البناء، وتوفر لمالكي السفن والمشغلين مسارا نحو أكثر هدوءا.

Understanding High-Voltage Electric Propulsion

إن الدفع الكهربائي العالي التوليد يغير بشكل أساسي كيف يتم توليد الطاقة وتسليمها إلى مدافع السفينة بدلا من وجود صلة ميكانيكية مباشرة بين محرك الديزل وجهاز للتشغيل، تستخدم نظم HVEP محركات كهربائية لدفع محركات الدفع، مع توفير الكهرباء من المولدات، والبطاريات، أو مزيج من المزايا،

الهيكل الأساسي والمكونات

ويضم نظام نموذجي للشبكة عددا من العناصر الرئيسية العاملة في إطار التنسيق، حيث يمكن أن يكون محركات الديزل أو توربينات الغاز أو حتى خلايا الوقود، ويقود المولدات الكهربائية إلى إنتاج الطاقة الكهربائية، ثم يوزع هذا الطاق من خلال لوحة مفاتيح ذات دفعة عالية إلى محركات كهربائية أو أكثر، مقترنة بمحركات احتياطية للشحنات، كما أن محركات توليد الطاقة الكهربائية، التي تعمل على تحديد درجات الذروة، تسمح بضبط دقيق

صفات فولتاج في التطبيقات البحرية

وعادة ما تصنف الصناعة البحرية نظما ذات نفوذ عال إلى نطاقات محددة، فالنظم المتوسطة المدى بين مركبة واحدة و11 كيلو فولطية شائعة بالنسبة للسفن التجارية الكبيرة مثل السفن السياحية وسفن الحاويات وأجهزة الصهاريج، وتصبح النظم في الطرف العلوي من هذا النطاق، حتى 10 كيلوفولت أو حتى 11 كيلوفولت، أكثر انتشارا حيث يسعى مصممو المركبات إلى إدارة المطالب الهائلة من السفن الحديثة التي تقاوم ارتفاع حجمها.

بــاء - عمليات الإفطار في مجال الإلكترونيات واللافتات

ولعل أهم العوامل التي أدت إلى التقدم الذي أحرز مؤخرا في مبادرة " HVEP " هي التطور السريع لمحولات الطاقة في الدول الصلبة، وهذه الأجهزة هي أدمغة وعضلات نظام الدفع الكهربائي، وتحويل الطاقة وتكييفها بين عناصر الجيل والتخزين والدفع.

السلف في تكنولوجيا مترجمات ثنائيبولار ذات الغواصة

وتعتمد المحولات الحديثة ذات الحركة العالية اعتمادا كبيرا على مترجمات ثنائيات الأقطاب غير المجهزة، ويمكن لهذه الأجهزة شبه الموصلة أن تتحول إلى تيارات وفولاذات عالية بقدر كبير من الكفاءة، وقد أسفرت التطورات الأخيرة عن نماذج لأفضل التقنيات البيئية ذات درجات أعلى من حيث الحجم، وخسائر أقل في التحويل، مما يتيح تحويلات أكثر تماسكا وكفاءة، وهذا يترجم مباشرة إلى غرف كهربائية أصغر، ويقلل من متطلبات صيانة السفن، ويزيد من مستوى الكفاءة.

Silicon Carbide and Wide-Bandgap Semiconductors

إن المواد شبه الموصلية الكبيرة مثل قنبل السيليكون تزيد من حدود الأداء، ويمكن للمحولات التي تتخذ من سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي أن تعمل في درجات حرارة أعلى، وترددات، وفولط من الجيل التقليدي من الـ إي جي بي تي، وهذه القدرة واعدة بشكل خاص للجيل القادم من السفن البحرية والتجارية التي تكون فيها كثافة الطاقة عالية،

المتعهدون المتعددو المستويات

وتمثل المحولات المتعددة المستويات المتنقلة ابتكارا رئيسيا آخر، فخلافا للمحولين التقليديين من المستويين أو من ثلاثة مستويات، يمكن أن تقوم الشركات المتعددة الأطراف بتجميع موجات فولتية قريبة من سطح البحر عن طريق تركيب خلايا متعددة ذات سمات منخفضة الحركة في سلسلة، مما يؤدي إلى الحد من التشويه الوئامي في قدرة الإنتاج، مما يعني تقليل الضغط الكهربائي على المركبات الريحية والكابلات.

إدماج تخزين الطاقة للعمليات الكهربائية الهجينة والكاملة

وقد تطورت تكنولوجيا البطارية إلى حد لم يعد تخزين الطاقة مفهوما في المستقبل، بل هو واقع عملي بالنسبة لنظم النقل البحري للطائرات ذات الصلصة الليثيوم - الأيون، حيث تحولت عمليات السفن، لا سيما بالنسبة للتطبيقات ذات المواصفات المتغيرة للشحن.

بياك شافينج و لود سموزين

ومن أكثر الاستخدامات فعالية لتكامل البطاريات سلاسة الحمولة، فالأعشاب مثل الأنابيب، وسفن الدعم البحرية، والأسمدة تواجه متطلبات شديدة التغير في الطاقة، وبدون البطاريات، يجب أيضا أن تُخصم من المحركات الرئيسية لمعالجة عبء الذروة، وكثيرا ما تكون غير فعالة في الحمولات المنخفضة لفترات طويلة، وباستخدام البطاريات لتوفير الطاقة القصوى أثناء المناورات العالية الطلب، يمكن للمولدات الكهربائية العاملة في شكل كميات من الوقود القريب من التشغيل.

عمليات ميناء صفر - إيفور

وتزيد الموانئ في مناطق كثيرة، ولا سيما في أوروبا وأمريكا الشمالية، من صرامة أنظمة الانبعاثات بالنسبة للسفن التي تتجه نحو البيرث وأثناء النهج، إذ تتيح نظم البطاريات ذات الصبغة العالية للسفن دخول الموانئ ومغادرةها تحت الطاقة الكهربائية الصامتة الخالية من الانبعاثات، وتزيل هذه القدرة المادة الجسيمية، وأجهزة النيتروز، وأجهزة الاكس، وثاني أكسيد الكربون أثناء العمليات الحساسة، وبالنسبة للأسمدة على الطرق القصيرة، فإن نظم الرحلات السريعة تعمل بالفعل.

القدرة على المنافسة

وقد كان توسيع البنية التحتية للوصلات العالية الفولطية الساحلية، التي كثيرا ما تسمى الحديد البارد، مكملا لنظم البطاريات المتحركة، ويمكن للسفن المجهزة بشبكة HVEP أن تتواصل مع الطاقة الساحلية من خلال وصلة وصل موحدة، وإعادة شحن البطاريات، وتوليد الطاقة في الفنادق دون تشغيل محركات مساعدة، مما يقلل من الانبعاثات في الموانئ ويخفض تكاليف الوقود.

المنافع التشغيلية والاقتصادية للمشغلين

وتترجم المزايا التقنية لنظم HVEP مباشرة إلى فوائد ملموسة لشركات النقل البحري، وفي حين أن تكاليف رأس المال الأولية يمكن أن تكون أعلى من النباتات الميكانيكية الديزلية التقليدية، فإن التكلفة الإجمالية للملكية كثيرا ما تُفضي إلى الدفع الكهربائي، لا سيما عندما تؤخذ أسعار الوقود والامتثال التنظيمي في الحسبان.

كفاءة الوقود وخفض الانبعاثات

نظم الـ "إف بي" تسمح للحركات الرئيسية بالركض في أكفأ نقاط تشغيلها بغض النظر عن سرعة السفينة، سرعة المحرك الكهربائي في قطارات الدفع من سرعة الدفع، مما يتيح للمولدات أن تعمل بشكل ثابت ومثلي في إدارة السيارات بينما تتكيف محركات الدفع مع الطلب، وهذا الترتيب عادة ما يولد وفورات في الوقود تتراوح بين 10 و 20 في المائة مقارنة بنظم الديزل التي تعمل على الدفع المباشر، وهذه الوفورات تقلل مباشرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون

تعزيز القابلية للتنقيب والتكرار

ويمكن لمحركات الدفع الكهربائي أن تتطور بشكل كامل من سرعة الصفر، وتوفر قدرة استثنائية على المناورة منخفضة السرعة، وتقترن بحملات متحركة متعددة السرعة، ويمكن للعديد من سفن الرحلات البحرية الحديثة والسفن المتخصصة أن تجهز بأقل قدر ممكن من المساعدة على التذاكر، وتكاليف الادخار، وتحسين السلامة، كما أن إعادة تجديد منشأة كهربائية متعددة الوسائط، إذا فشلت مجموعة واحدة من المولدات الكهربائية، فإنها يمكن أن تعزز أيضا الموثوقية.

انخفاض الصيانة وتحسين مستوى كروز

كما أن عدم وجود قوارب آلية مباشرة يخفض من الاهتزاز والإزعاج في جميع أنحاء السفينة، مما يشكل ميزة كبيرة بالنسبة للسفن السياحية وعبوات الركاب، حيث يُعتبر راحة الركاب من المختلفين الرئيسيين، كما أن عدم وجود قوارب آلية مباشرة يقلل من الاهتزاز والإزعاج في جميع أنحاء السفينة، مما يؤدي إلى زيادة قيمة عمليات السفر بالسفن وعبارات الركاب.

التصدي للتحديات العملية في التنفيذ

وعلى الرغم من الفوائد الجبارة، فإن اعتماد الدفع الكهربائي العالي التقلبات يتطلب اهتماما دقيقا للتحديات الهندسية والتشغيلية، وقد وضعت الصناعة البحرية حلولا قوية، ولكن هذه الاعتبارات يجب أن تؤخذ في الاعتبار في أي تقييم للجدوى.

التدريب على السلامة الكهربائية وشؤون الموظفين

وتواجه النظم ذات التأثير العالي مخاطر خطيرة، بما في ذلك مخاطر الوميض والصدمات الكهربائية، إذ أن تدابير السلامة المناسبة إلزامية، بما في ذلك التبديل المزروع، وتصميم المعدات المقاومة للقوس، وإجراءات الغلق/التركيب الصارمة، كما أن التدريب على الطاقم يتسم بنفس القدر من الأهمية، ويجب أن يكون المهندسون مؤهلين في إجراءات السلامة العالية المولدات وتشغيل النظم.

السمسرة ونوعية الطاقة

يمكن لمحولي الطاقة، في الوقت الذي يسمح بالعملية المتغيرة السرعة، أن يُدخلوا تيارات متناسقة إلى شبكة الكهرباء للسفينة، هذه التناسقات يمكن أن تسبب زيادة في تسخين المحولات، وتضاعف أجهزة الحماية، والتدخل في معدات الملاحة أو الاتصالات الحساسة، واتباع مخططات مجتمعية حديثة ومتطورة من خلال مرشحات متجانسة، وتشكيلات متعددة النبضات، وتقنيات تصميم متطورة من المحولات.

اعتبارات المقاصة والتركيب

وتتطلب الكابلات ذات التأثير العالي تقنيات متخصصة للإنهاء واختبارات صارمة، إذ يتطلب وجود حقول كهربائية عالية اهتماماً دقيقاً لطرق الكابلات، والفصل عن الدوائر ذات الفولط المنخفض، والممارسات البرية، ويجب أن يقوم بتنصيب فنيين مصدقين باستخدام الإجراءات المعتمدة، مما يزيد من تعقيدات البناء الأولية، غير أن انخفاض رقعة الكابلات في ارتفاع الفولط، يقابل هذا التحدي جزئياً، نظراً لأن الكابلات الأصغر حجماً يسهل السير عبر تصميم السفن الفضائية الحديثة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ويشير مسار تنمية برنامج العمل الإنساني إلى ارتفاع عدد الفولط، وزيادة تكامل مصادر الطاقة المتجددة، واعتماد هياكل التوزيع الحالية المباشرة.

DC Distribution Grids

وفي حين أن معظم نظم تجهيزات المركبات البحرية تستخدم توزيعاً من المواد الكيميائية، فإن شبكات الميكروفيدز في العاصمة تكتسب زخماً، وتقضي نظم العاصمة على الحاجة إلى التزامن بين المولدات الكهربائية، وتبسيط تكامل تخزين البطاريات، وتفادي فقدان القدرة الاستباقية، وقد نشرت عدة جمعيات تصنيف قواعد للنظم البحرية ذات التأثير العالي، وتثبت الجهات التي تعتمد في وقت مبكر قدرتها على البقاء، ويمكن لنظم البلدان النامية أن تحقق كفاءة أكبر، لا سيما عندما تقترن بمولدات البطاريات المتغيرات.

خلايا الوقود كمصدر للطاقة الأولية

ويجري تطوير خلايا وقود أكسيد الفول السوداني الصلب وخلايا الوقود المحتوية على البروتونات للتبادل، وذلك لأغراض التطبيقات البحرية، مما يتيح إمكانية توليد الطاقة الكهربائية القريبة من الصفر، وعندما تكون هذه الخلايا مدمجة مع نظم HVEP، يمكن أن توفر خلايا الوقود الطاقة الكهربائية للشحنات وشحنات الفنادق، مع توفير البطاريات التي توفر استجابة دينامية، وفي حين أن المنشآت الحالية لخلايا الوقود البحري محدودة في المشاريع التجريبية، فإن التمويل التجاري المتاح قد يُ.

المحركات والمولدات الكهربائية

فالأجهزة الكهربائية التي تعمل في درجات حرارة مسببة للبرد، توفر كثافة طاقة استثنائية عن طريق إزالة الخسائر المقاومة في الرياح، ويمكن لهذه الآلات أن تتيح نظماً للدفع بالارتطام والوزن الخفيف للسفن البحرية الكبيرة أو السفن التجارية ذات السرعة العالية، كما أن التحديات التقنية المتمثلة في الحفاظ على التبريد البكائي في بيئة بحرية هائلة، ولكن جهود التنمية المستدامة مستمرة، ولا سيما في القطاع البحري حيث تبرر مزايا الأداء المحتملة التعقيد.

الملاحة في العملية الانتقالية

فالتحول إلى الدفع الكهربائي العالي التوليد ليس مجرد تحديث تكنولوجي؛ بل يمثل إعادة التفكير الاستراتيجية في تصميم السفن وعمليات الأسطول؛ وينبغي لمالكي السفن الذين ينظرون في هذا الانتقال أن يقيّموا ملامحهم التشغيلية المحددة وأنماط الطرق والتعرض التنظيمي؛ إذ أن وجود ناقلات تعمل بالجملة على طرق ثابتة طويلة الأجل قد يفيد بشكل مختلف عن التحولات في تشغيل الحوض، وأن يكفلوا المشاركة المبكرة في جمعيات التصنيف، وأن تكون خدمات النقل الكهربائية ذات خبرة