تأثير التصريف الكهربائي على سرعة السفينة والمناورات

مقدمة: التحول نحو الدفع الكهربائي في الشحنات الحديثة

وتقف الصناعة البحرية على مفترق طرق محوري، مدفوعا بتشديد الأنظمة البيئية، وارتفاع تكاليف الوقود، والدفعة العالمية لتطهير الكربون، ومن بين أكثر التكنولوجيات تحولاً التي تعيد تشكيل تصميم السفن وتشغيلها، هو الدفع الكهربائي، وفي حين أن المفهوم نفسه ليس محركات جديدة قد زود بأجهزة غواصة وسفن صغيرة على مدى عقود من التقدم في كيميائيات البطاريات، وأجهزة الدفع الكهربائية، ونظم الدفع الرئيسية الأوسع نطاقاً

وعلى عكس قطارات الميكانيكية التقليدية التي تُستخدم فيها أجهزة التداول بالديزل الكبيرة مباشرة إلى محرك الدفع، فإن نظم الدفع الكهربائي تُبطل الحركات الرئيسية للدافعين عن المحركات، وهذا الفصل يُطلق المرونة التشغيلية التي تترجم مباشرة إلى تحسينات قابلة للقياس في كيفية تعجيل السفينة وتحولها وتحافظ على سرعة عملها، وهذه المادة توفر تحليلاً موثوقاً ومتعمقاً للآليات التي تؤثر من خلالها على سرعة ومعالجة السفن.

ما هي الرش الكهربائي؟ المكونات الرئيسية والهيكلات النظامية

ومن أجل تقدير أثر نظام الدفع الكهربائي على السرعة والمناورات، يجب أولا فهم التشريح الأساسي لنظام الدفع الكهربائي، وفي جوهره، يتألف نظام الدفع الكهربائي من ثلاثة عناصر رئيسية: محرك رئيسي (يمكن أن يكون مولدا للديزل أو توربينا أو خلية الوقود) ومولد كهربائي أو مصرف للبطاريات، ومحركا كهربائيا أو أكثر يقود محركات الدفع، قد تكون محركات ثابتة أو متغيرة الدفع.

هناك ثلاثة هياكل رئيسية تستخدم اليوم:

• Full Electric (All-Electric): The prime movers are used solely to generate electricity, which powers all shipboard loads including propulsion. This structure, common in cruise ships and naval vessels, allows opt loading of electricitys and eliminates the need for a separate propulsion motor.
• ]Hybrid Electric:] A combination of traditionalميكانيكية propulsion and electric motors, often with batteries. The ship can operate in different modes-diesel-only, electric-only, or both — to optimize efficiency and speed for specific operating conditions.
• Plug-in Hybrid / Battery-Electric:] Batteries are the primary or sole source of propulsion power, with electricitys acting as rangeers.

وبغض النظر عن البنيان، يحل الدفع الكهربائي محل الصلة الميكانيكية الجامدة بين المحرك والزواحف بالحافلة الكهربائية المرنة، وهذه المرونة هي السبب الجذري لمزايا السرعة والمناورات المبينة في الفروع التالية.

لمزيد من المعلومات عن تعاريف النظام، يشير إلى سجل لويد لنظم الدفع الكهربائي .

أثر الإجبار الكهربائي على سرعة السفينة

إن سرعة السفن هي وظيفة من وظائف الطاقة التي تُسلَّم إلى المياه مقابل المقاومة، إذ إن الدفع الكهربائي يؤثر على جانبي هذه المعادلة، وغالباً ما يكون ذلك بطريقة مضادة للدبابات الميكانيكية التقليدية، ولا تُلاحظ أشد الآثار تأثيراً على السرعة الثابتة، وإنما خلال التسريع، والمراحل الانتقالية، والعمل في حمولات غير آلية.

خصائص السلوك والتسريع

وتُنتج المحركات الكهربائية أقصى قدر من الضجيج شبه الأطلسي من الصفر، وهذا فرق أساسي من محركات الاحتراق الداخلي، التي تتطلب حدا أدنى من الرش المميت، من أجل تطوير مقلب ذي مغزى، وهذا يعني بالنسبة للسفينة أن نظام الدفع الكهربائي يمكن أن يتسارع من التوقف المميت إلى سرعة أكبر بكثير من نظام ميكانيكي مكافئ للديزل، وفي عمليات الموانئ التي تتطلب مضاعفات محسنة.

(أ) النظر في استخدام عبّارة رو-رو نموذجية تقوم بمكالمة ميناء مدتها 15 دقيقة؛ وقدرة التأقلم إلى الطاقة الكاملة في ثوان بدلاً من عشرات ثواني يمكن أن توفر عدة دقائق لكل نداء، مما يزيد تراكماً من سرعة الخدمة السنوية، وتشير البيانات المستمدة من العبّارات العاملة في النرويج إلى أن الدفع الكهربائي يقلل من وقت تعجيل الوصل إلى الماء بنسبة تصل إلى 30 في المائة مقارنة بسابقات الديزل - ميكانيكية.

الحد من سرعة وثبات القوة

وفي حين أن قاذفات السيارات الكهربائية في مضيق منخفض، فإن السرعة العالية لا تزال تتطلب طاقة مستمرة عالية، ففي حالة وجود قوة تركيبية معينة، يمكن للمحركات الكهربائية أن تضاهي السرعة القصوى لنظير الديزل الميكانيكي، ولكن العامل المقيد كثيرا ما يصبح مصدر الطاقة، ولا سيما السفن التي تعمل بالبطارية وتواجه عبوة متبادلة بين النطاق والسرعة، لأن كثافة الطاقة في البطاريات (KWh/kg) أقل بكثير من تلك التي تستخدمها البطارية

ومع ذلك، فإن السيارات الكهربائية ذات الطاقة العالية (في نطاق الميغاوات) أصبحت الآن تكنولوجيا ثابتة، إذ أن نظم ABB Azipod ، على سبيل المثال، قد زودت ناقلات الجليد بسرعات مستمرة من خلال الجليد البلطيقي، مما يدل على أن المحركات الكهربائية يمكنها أن تسلم الطاقة اللازمة لتلبية الاحتياجات بسرعة عالية عندما تقترن بتوليد كهربائي كاف.

تحقيق الاستخدام الأمثل من خلال إدارة الطاقة

ومن بين الآثار الأقل وضوحاً، ولكن بنفس القدر من الأهمية، القدرة على تحميل المولدات على النحو الأمثل، وفي ترتيب تقليدي، يجب أن يعمل المتحرك الرئيسي بجزء كبير من طاقته المقيدة لتجنب الإفراط في استهلاك الوقود وعدم الكفاءة، ويمكن لهذا القيد أن يرغم السفينة على أن تسرع أكثر من أن تحافظ على المحركات المتحركة، وعلى النقيض من ذلك، يسمح للمولدات الكهربائية بالركض في أكفأ، بغض النظر عن سرعة استهلاكها.

وتحسب نظم إدارة الطاقة المتقدمة باستمرار أكثر مزيج من المولدات والبطاريات وعبء الدفع كفاءة، ونتيجة لذلك، " مظروف سريع " حيث يمكن للسفينة أن تعمل بالسرعة المطلوبة دون أي حل وسط لصحة المحرك، وقد أظهرت الدراسات التي أجرتها مجتمعات التصنيف مثل DNV أن مثل هذا الاستخدام الأمثل يمكن أن يحقق وفورات في الوقود بنسبة تتراوح بين 15 و 20 في المائة بالسرعة المثالية للخدمات، مما يعني زيادة غير مباشرة في استهلاك الوقود نفسه.

السرعة في الظروف الدينامية: البحار والمياه الضحلة

كما أن المحركات الكهربائية تستجيب بسرعة أكبر لظروف الحمولة المتغيرة، وعندما تصادف السفينة بحراً رأساً أو مياه ضحلة، تزداد المقاومة، وترتفع حركة الطلب على الوقود، ويمكن للمحرك الكهربائي أن يعدل ناتجه البطاري فوراً تقريباً، ويحافظ على السرعة التي يُحتذى بها أكثر دقة من محرك الديزل، الذي يُعزى إلى استجابة المشغلين وديناميات المحافظين، مما يؤدي إلى تحسين قدرة سفن حفظ البضائع على سرعة الحركة في جو بحري.

تحسين القابلية للتشغيل من خلال الإرسال الكهربائي

المناورات تشمل قدرة السفينة على تغيير المسار، والاحتفاظ بالمكان، والعمل بأمان في المجاري المائية المحصورة، والكهرباء توفر عدة آليات تعزز هذه القدرات بشكل كبير.

رد الفعل الثابت على التغييرات في الدورة السريعة

أكثر فائدة فورية هي سرعة الاستجابة للضغط، تحويل السفينة يتطلب تغييراً في جهاز الدفع، عن طريق تغيير ملعب الدافع، تغيير العجلات، أو استخدام القاذورات، مع السيارات الكهربائية، الوقت من القيادة إلى توصيل العجلات يمكن أن يكون منخفضاً حتى 20 ميلاً ثانية، وهذا يسمح للجهاز الآلي أو الكمائن بإحداث تغييرات مُضادة

Azipod and Podded Drives: 360-Degree Thrust

وتشكل نظم الدفع المزودة بالكهرباء، التي تحتوي على المحرك الكهربائي في قاعدة مبسطة يمكن أن تتناوب 360 درجة، محركاً للمناورة الكهربائية، ويتيح ABB Azipod مثالاً معروفاً جيداً يستخدم في كل شيء من السفن السياحية إلى أجهزة تحطيم الجليد، لأن القاع يمكن أن يتحول في أي اتجاه، أي حاجة إلى توجيه أفقي.

• Lateral movement] (خَرْق) دون مساعدة.
• التناوب في الموقع (يتحول نصف قطري).
• وضع الديناميكية بدون محركات مُكرّسة

وأصبحت الحركات الكهربائية المزودة بأجهزة محمولة معياراً للسفن العالية التكافؤ مثل سفن الإمداد البحرية، وسفن الرحلات البحرية، وسفن البحث، ويتيح التحكم المستقل في قطع الغيار المتعددة دفعاً متمايزاً يمكن أن ينتج لحظات تحول أكبر بكثير من تلك التي تنجم عن سجاد واحد.

مواقع الديناميكية ومحطة الإنقاذ

إن الدفع الكهربائي يكاد يكون مرادفا لقدرات دينامية على تحديد المواقع، وهي القدرة على الحفاظ على موقع ثابت وتوجه باستخدام المدافع وحدها، وتعتمد نظم إدارة الدعم على تعديلات دقيقة وسريعة في الدفع، وتوفر المحركات الكهربائية التحكم الدقيق اللازم لمواجهة الريح والحاليات والقوى الموجية في الوقت الحقيقي، وتستعمل النظم الحديثة لإدارة الدعم في مجال الحفر في الخارج وسحب الدعم - التفوق الكهربائي دائما بسبب سرعة التصريف.

ويزيد إدماج تخزين البطاريات من أداء إدارة شؤون الإعلام، إذ يمكن للبعثات أن تستوعب تقلبات الحمولة السريعة التي تحدث عندما يُأمر المدافعون بتغيير اتجاههم بشكل متواتر، وحماية المولدات من خطوات الشحن المفاجئة، والسماح للسفينة بالإبقاء على مواقعها بدقة شديدة، وقد أظهرت التجارب الميدانية على سفينة الدعم البحرية " الأميرة الماكنة " أخطاء في تحديد المواقع في إطار متر واحد في ولايات بحرية معتدلة باستخدام الدفع الكهربائي المكثف.

المراقبة المستقلة للمشرطين من أجل الرواسب المترية

وعلى متن السفن التي تحمل عدة مدافع (مثلاً، الخرسانة المزدوجة، أو الخرسانة الثلاثية، أو المثبتة)، يسمح الدفع الكهربائي لكل مدفع بأن يُدفع بالسرعة والتوجيهات المستقلة، مما ييسر استراتيجيات المناورات المتقدمة مثل:

• معارضة تناوب المروحة لتوليد لحظة تحول نقية (مثلاً، واحدة أمامية، واحدة كبديلة).
• دفعة غير متماثلة لمواجهة التوائم أثناء التنظيف
• نهج الدقة المنخفض السرعة في المرافئ أو المنصات الخارجية.

هذا المستوى من التحكم مستحيل تقريباً مع الحركات الميكانيكية التي تستخدم علبة التروس أو التقلبات الثابتة أنظمة الدفع الكهربائي يمكن أن تستخدم قوالب الترددات المتغيرة لتكييف كل سيارة بشكل مستمر وتصليحها بشكل مستقل، مما يعطي حامل السفينة قدرة غير متكافئة.

تعزيز الرقابة على الحد من الضوضاء والحد من الاحتباس الحراري

المناورة ليست فقط حول تحويل الشعاع، بل تشمل أيضا قدرة المشغل على الشعور باستجابة السفينة، والمحركات الكهربائية أكثر هدوءاً وتوليد يقظة أقل من محركات الديزل، خاصة بالسرعة المنخفضة، وهذا يقلل من قناع الكوكائين الهيدروكية ويتيح للطاقم أن يشعر بتغييرات خفية في حركة السفن، بالنسبة للسفن البحرية العاملة في مجال الحرب ضد الغواصات، أو لسفن البحث التي تتطلب ضوضاءاً طفيفاًاًاًاً.

التحديات والحدود التي تواجه التبريد الكهربائي لأغراض السرعة والمناورات

وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن الدفع الكهربائي ليس رصاصة فضية، ويجب التصدي للعديد من التحديات التقنية والاقتصادية لتحقيق كامل إمكاناته في مجال السرعة والمناورة.

كثافة الطاقة وضغوط الرانج

وكما سبقت الإشارة، فإن البطاريات تقل كثافة الطاقة بدرجة كبيرة عن الوقود الأحفوري السائل، إذ أن مجموعة البطاريات العادية لليثيوم تحتوي على كثافة طاقة تبلغ نحو 0.15 إلى 0.25 كيلوواط/كغم، مقارنة بوقود الديزل بحوالي 12 كيلوواط/كغ (عندما تُمثل كفاءة المحرك) وبالنسبة لسفينة تتطلب سرعة عالية على مسافات طويلة، فإن إيجاد حل حقيقي للوقود في مخازن البترولية غير عملي.

التكلفة الأولية للرأس المال والهياكل الأساسية

إن نظم الدفع الكهربائي أكثر تكلفة لتركيب نظم الميكانيكية التقليدية بسبب تكلفة أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، والسيارات، والبطاريات، وعلى سبيل المثال، قد تكلف دفعة محفورة أكثر من تكلفة ترتيب الطوافات والزوارق التقليدية، كما أن البنية التحتية للشحن للسفن التي تعمل على البطاريات ستكون باهظة التكلفة وتتطلب عمليات فرعية ذات جانب الساحل ووصلات عالية من الطاقة.

تعقيد إدارة الطاقة

كما أن نظم إدارة الطاقة المتطورة التي تتيح مزايا السرعة والمناورات تنطوي على تعقيدات، ويجب أن تنسق هذه النظم مولدات متعددة وبطاريات ومحركات وحمولات مع الاحتفاظ بحافلة كهربائية مستقرة، ويمكن أن تؤدي حالات الفشل إلى انقطاع الكهرباء أو فقدانها، وهو خطر بالغ الأهمية بالنسبة للسلامة، ويلزم إعادة الإمداد، ولكن ذلك يزيد من الوزن والتكاليف، كما أن متعهدي التدريب على معالجة نظم الدفع الكهربائي يشكل تحديا إضافيا بالنسبة للتعليم البحري.

الإدارة الحرارية في مواقع عالية

وتولد المحركات الكهربائية والإلكترونيات الكهربائية الحرارة، خاصة عندما تولد توترات عالية بالسرعة المنخفضة (العمل أثناء المناورة) أو طاقة عالية مستمرة (بسرعة عالية) وتستلزم نظم التبريد الفعالة، التي تستخدم في كثير من الأحيان مياه البحر أو الهواء القسري، لمنع التدمير، وفي حالات شديدة مثل كسر الجليد أو التخصيب، يمكن أن يتجاوز الحمولة الحرارية قدرة التبريد، مما يحد من السرعة العملية أو دورة العمل الإلكترونية.

التوقعات المستقبلية: التبريد الكهربائي للسرع والصلاحية

إن مسار الدفع الكهربائي يرتفع بشكل لا يوصف، وعد العديد من التكنولوجيات الناشئة بزيادة تعزيز نفوذها على سرعة السفن والمناورات.

البطاريات التابعة للدولة الصلبة وخلية الوقود

وستوسع البطاريات الجيل القادم التي تزيد كثافة الطاقة )تستهدف ٥,٠-١,٠ كيلوواط/كغ( نطاق جميع السفن الكهربائية، مما يجعل المرور العابر الكهربائي السريع على المسافات المتوسطة أمرا ممكنا، وفي نفس الوقت توفر خلايا الوقود الهيدروجينية حلا تكميليا للمحركات الرئيسية، وتوفر توليدا كهربائيا نظيفا دون فرض عقوبة على المصارف الكبيرة للبطارية، وستسمح هذه التكنولوجيات للسفن الأكبر حجما - بما في ذلك سفن الصمامات.

المحركات المتفوقة

ويمكن أن تحقق المحركات الكهربائية المبردة المبردة بشكل متجانس كثافة عالية جدا في الطاقة (حتى 20 ميغاواط في شكل مدمج) وهذه المحركات أخف وأكثر كفاءة من السيارات التقليدية التي تستخدمها الحركة، مما يمكن أن يؤدي إلى زيادة سرعة المقاتلين البحريين والأسمدة السريعة، وتقوم البحرية الأمريكية بتطوير محركات خارقة للسفن السطحية التي ستستخدمها مستقبلاً في جميع مراحلها، بهدف سرعة أكثر من 35 عقدة ذات قدرة أعلى على المناورة.

نظم التنفيذ والمراقبة المتكاملة

فالتوجه نحو الهيكل المتكامل للسفن والمنظومات حيث يتحكم في كل من الدافع والقوى المحركة والتثبيت بواسطة حاسوب مركزي يتسارع، والضغط الكهربائي هو الميسر الطبيعي لهذا التكامل لأنه يستخدم حافلة كهربائية مشتركة، ويمكن للسفن المقبلة أن تُظهر ذكاء اصطناعي يخطط تلقائياً لتسلسل السرعة والمناورات الأمثل على أساس حالة البحر في الوقت الحقيقي، والحركة، وقيود الطاقة.

العمليات الذاتية وعمليات المراقبة عن بعد

التحكم الدقيق في الدفع الكهربائي هو شرط أساسي للسفن المستقلة، الرطوبة الآلية، تجنب الاصطدام، الخوارزميات التي تُستخدم في حفظ المسار تعتمد على القدرة على التحكم في إحداث تغييرات في الدفع الفوري، ومع نضج الاستقلال البحري، فإن السفن التي تحمل محركات كهربائية ستكون لها ميزة مميزة في المناورة، على سبيل المثال، سفينة اليارا بيركلاند، سفينة الحاويات المستقلة في العالم، تُستخدم في دفعات الكهربائية.

الاستنتاج: الملاءمة الكهربائية في السرعة والمناورات

وقد انتقلت عملية الدفع الكهربائي من تطبيقات النيتش إلى خيار رئيسي للسفن الجديدة، مدفوعاً باللوائح البيئية والفوائد التشغيلية، وتؤثر على سرعة الشحن متعددة الأوجه: في حين تواجه السفن ذات النطاق الكهربي قيوداً تحد من السرعة العالية المستمرة عبر المسافات الطويلة، فإنها تعرض تسارعاً أعلى، وتحسن سرعة حفظها في الظروف القاسية، وقدرة على تحقيق أقصى قدر من الاستهلاك من خلال نظم الطاقة المرنة.

وفيما يتعلق بالتشغيل الكهربائي، فإن القدرة على التحكم بصورة مستقلة في الدفعات المتعددة، وإدماج المحركات المأهولة، قد وضعت معايير جديدة للقابلية للذوبان في المياه المحصورة، والوضع الدينامي، وتجنب الطوارئ، وبالنسبة للمهندسين البحريين والمهندسين البحريين، والتصميم البحري للسفن الأساسية، فهم هذه القدرات.

ومع تحسن تكنولوجيا البطاريات، تدخل الهيدروجين مزيج الوقود، ويصبح التشغيل الآلي القاعدة، فإن دور الدفع الكهربائي في تحديد السرعة والمناورات لن ينمو إلا، والصناعة البحرية مهيأة لتحويل سيرى السفن التي تكون أسرع وأكثر استجابة، بينما تكون أيضا أنظف وأكثر كفاءة، والدفع الكهربائي هو حجر الزاوية في ذلك التحول.