תפקיד הכוח מסתכם במערכות הנעה של סירות חשמליות

הנעה חשמלית צוברת תאוצה כמו תעשיות ימיות מבקשות לנפץ ולהקטין את ההסתמכות על דלקים מאובנים. בלב כל כלי חשמלי הוא אספקת החשמל - המערכת שמאחסן ומספקת את האנרגיה החשמלית הדרושה כדי להניע את המנוע.ללא אספקת חשמל מעוצבת כראוי, אפילו המנוע החשמלי המתקדם ביותר לא יצליח לספק ביצועים אמינים.

הכוח מספק את הלב של מערכת הנעה חשמלית

בכלי בעירה פנימית קונבנציונלי, דלק נשרף במנוע לייצור חשמל מכני.בסירה חשמלית, אספקת החשמל מחליפה את מיכל הדלק והמנוע עם ערכת סוללות, ערימה תא דלק, או שילוב היברידי.התפקוד העיקרי של אספקת החשמל הוא להמיר כימיקלים או חשמל לתוך מתח יציב, מבוקר DC אשר מזין את מערכת הנהיגה.

(ב) ⁇ 0) אחסון בינוני (FLT:1) - סוללות, תאי דלק, supercapacitors, או שילוב.
(FLT:0Battery Management System (BMS)igtureFLT:1) - צגים מתח, זרם, טמפרטורה ומצב של תשלום; מבטיח איזון תאים ומגן מפני תשלום יתר, יתר על המידה, וברח תרמי.
(FLT:0)Power ElectronicsigtureFLT:1) - מהפךים DC-DC שמעמידים את הכוח להתאים לדרישות מוטוריות.
(ב) ,0) ⁇ ⁇ (ב) , אספקת מים או קירור אוויר כדי לנהל חום שנוצר במהלך פריקה גבוהה או הטעינה.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יכולת אספקת החשמל (kWh) ותפוקה כוח (kW) באופן ישיר להכתיב את טווח כלי השיט, מהירות ופרופיל תפעולי.ספקת כוח מופעלת היטב חייבת לאזן את צפיפות האנרגיה, צפיפות החשמל, משקל, נפח, חיי מחזור, עלות ובטיחות.הסעיפים הבאים לבחון את סוגי החשמל הנפוצים ביותר בשימוש כיום בסירות חשמליות.

סוגי חשמל מצטמצמים למניעה של חיל הנחתים החשמלי

סוללות מערכות

סוללות ליתיום-יון (Li-ion) שולטות בשוק ההנעה החשמלי הימי בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן (150-270 Wh/kg עבור תאים), חיי מחזור ארוכים (1,000-5,000 מחזורים בהתאם לכימיה), וירידה בעלויות.

(FLT:0) ליתיום ניקל מנגנזה קובלט Oxide (NMC) MPEGFLT:1 - צפיפות אנרגיה גבוהה (200-270 Wh / kg) אבל יציבות תרמית נמוכה יותר; בשימוש בסירות ביצועים גבוהים המבקשים טווח מקסימלי.
(FLT:0) ליתיום ברזל פוספט (LFPIRLT) 1:1 - מעט צפיפות אנרגיה נמוכה יותר (120-160 Wh / kg) אבל בטיחות גבוהה יותר, חיי מחזור ארוכים יותר, וסובלנות טובה יותר לטמפרטורות גבוהות; הופך לבחירה המועדפת עבור מעבורות מסחריות וספינות עבודה.
(FLT:0) ליתיום מנגן Oxide (LMOOVA) 1 - צפיפות אנרגיה מתונה עם משלוח חשמל מעולה; נפוץ יישומים היברידיים.
(FLT:0) ליתיום טיטניט (LTO)veFLT:1) - צפיפות גבוהה מאוד כוח ויכולת טעינה מהירה אולטרה מהירה אבל צפיפות אנרגיה נמוכה; בשימוש בכלי הדורש האצה מהירה תכופה וזינוק מחדש.

ערכות סוללות מוגדרות בסדרה ומקבילה כדי להשיג את המתח nominal הרצוי (בעיקר 48V, 96V, 400V, או גבוה יותר עבור כלי גדול) וקיבולת (מכמה קילוואט בקידודים קטנים למספר MWh במספר ferries בגודל מלא) BMS הוא קריטי עבור ניטור, estimation המדינה, ומאזן.מערכות ניהול עשיר הם לעתים קרובות נוזל כמו פריקה ימית יכול להיות חום או חום גדול.

דוגמאות של מערכות סוללות ימיות ייצור כוללות Torqeedo Power 48-5000V, 5 קילוואטה, Flux Marine Lithium Packs, ופתרונות מותאמים אישית של יצרנים כמו Corvus אנרגיה, Spear Power Systems, ו Lithium Werks. רבים מן המערכות האלה לציית לכללים הסיווגים של החברה הימית (DNV, ABS, הרשמה של לויד) לבטיחות ואמינות.

מערכות דלק

תאי דלק מייצרים חשמל באמצעות תגובה אלקטרו-כימית בין מימן (מעודכן על הסיפון) וחמצן (מאוויר) הסוג הנפוץ ביותר עבור יישומים ימיים הוא תא דלק של proton Exchange membrane (PEM) שפועל בטמפרטורות נמוכות יחסית (60-80 ° C) ומציע צפיפות גבוהה של דלק (0.5-1.0/kg) , דלק לייצר אפס פליטות בשלב של שימוש - רק מים פנויים וספקים יותר של דלק (ב) בטמפרטורה גבוהה יותר מאשר דלק (0.5 דקות) במקום זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, כאשר מערכת דלק).

עם זאת, מערכות דלק להתמודד עם אתגרים: אחסון מימן היברידי הוא עצום כבד (אפילו בלחץ גבוה), תשתיות לתדלוק הוא ספיידר, ועלות ערמות תא דלק נשאר גבוה (כ 200 $- $ 300 /kW), עם זאת, כמה כלי שיט הדגמה נבנו, כגון מעבורת דלק H2 Marine בסקוטלנד וקרן המטבע Aura Ziner בנורווגיה לטווח ארוך, גדול, סוללות כי הם גם תאים גמישים עבור סוללות.

מערכות היברידיות

ציוד היברידי של כוח משלב שני מקורות אנרגיה או יותר כדי להתאים ביצועים, יעילות וגמישות.

(FLT:0Battery + תא דלק 1) - תא דלק מספק כוח קבוע תוך סוללות מכסה שיא האצה; סוללות ניתן לטעון גם באמצעות תא הדלק כאשר מבודד.
(FLT:0Battery + גנרטור הבעירה הפנימית (מדיזל או בנזין)FLT:1 - הגנרטור מסמן את סוללות או ישירות את המנוע החשמלי; לעתים קרובות נקרא הרחבה היברידית או טווח סדרה.זה מקטין את שעות ריצה המנוע ומאפשר אזורי אפס.
(ב) ,0)חומרי + פאנלים סולאריים + ראט" 1 (צילום: ⁇ ) , טעינה את הסוללה במהלך אור היום, המשתרעת על פני טווח עבור כלי רכב קטנים או עומסי בית.

מערכות היברידיות דורשות מערכת ניהול אנרגיה (EMS) כי באופן אינטליגנטי פיצול מקורות כוח על בסיס הביקוש, מצב המטען, ואופן התפעולי של EMS יש לתכנן כדי למזער צריכת דלק, להפחית את פליטות, ולהגן על בריאות הסוללה. ferries מסחריים רבים, כגון אלה בצי הרכב של נורבגיה, לפעול כמו היברידיות Plug-in: הם רצים על סוללות בזמן נמל וסמוך לחוף, ולאחר מכן לעבור על גנרטורים ארוכים יותר.

ראשי התיבות של The Marine Power Supply

כדי להעריך ולהשוות את אספקת החשמל, מהנדסים מסתמכים על מספר מדדים:

(FLT:0) צפיפות הדחיסות (Wh/kg, Wh/L)Felo1FLT – קובעת כמה אנרגיה ניתן לאחסן עבור משקל או נפח נתון; השפעות ישירות על טווח ועיצוב הסירה.
(FLT:0) צפיפות כוח (W/kg, W/L)BuildFLT) 1 - קובע את קצב השחרור המקסימלי; חשוב האצה ותמרונים בעומס גבוה.
(FLT:0C-ratesFLT:1) - מידה של פריקה ביחס לקיבולת (למשל, 1C = יכולת מלאה בשעה אחת) סוללה המסוגלת ל 5C פריקה רציפה יכולה לספק 5x את יכולתה בכוח.
(FLT:0) יעילות ה-Round-trip יעילות של LT:1, אחוז האנרגיה שנבעה במהלך השחרור ביחס לאנרגיה שהוצבה במהלך תשלום. סוללות לייון להשיג 90-98%, תאי דלק סביב 40-60% (כאשר חשבונאות לייצור מימן), אבל מערכות תאי דלק עדיין יכולות להיות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ברמת המערכת על פני מחזור מלא.
(FLT:0Cycle Life vs. עומק השחרור (DoDrea)FLT:1 - פריקות עמוקות יותר להפחית את המחזורים הכולל. עבור יישומים ימיים, סוללה טיפוסית מוקרן בין 20% ל 80% DoD כדי להאריך את תוחלת החיים.
(ה)ה-החוק של בריאות (SoH)FLT:1) - יכולת מעקב דעכת לאורך זמן; חיוני לחיזוי מרווחי חילוף ויישומים של חיים אחרים.

יש לאמת את המדדים הללו בתנאים ימיים כולל רטט, פעילות נוטה (עד ±15 מעלות סט/roll), חשיפה לערפל המלח וקיצוניות הטמפרטורה.חברות סיווג יש פרוטוקולים ספציפיים לסוללות ימיות ולתאים דלק.

אינטגרציה Power Electronics ו Motors

אספקת החשמל אינה ספיןבת ישירות את המדחף.הוא מאכיל מהפך (DC ל- AC) או בקר מנוע (DC למשתנה DC) שמניע את המנוע החשמלי.המנער חייב להתמודד עם זרמים גבוהים (המכונים לאלפים של אמפסים) ומייצרת גלים נינואידים נקיים או הדופק-מחושים כדי למנוע נזק רוחי ולהפחית את הנזקים האלקטרוניים.

(FLT:0)DC-DC ממירראטרמ"ל:1 - צעדי מתח סוללה גבוה למתח נמוך (12V או 24V) עבור עומסי בית.
(FLT:0) InvertercioFLT:1 - להמיר DC ל- AC עבור אינדוקציה או מגנטי קבוע synchronous מנועים (PMSMs).
(FLT:0) inverter / ChargercioFLT:1 - מאפשר בריחת רגנרטיבית (הכריזה על הסוללה במהלך deceleration) וטעינה כוח החוף.

סוגי מנועים המשמשים סירות חשמליות כוללים:

(FLT:0)Permanent magnetless DC (BLDC)אנדרט 1:1 - יעילות גבוהה (85-95%), תחזוקה נמוכה, קומפקטית בסירות קטנות עד בינוניות.
(FLT:0PM synchronous Motor (PMSM)OVAFLT:1) - בדומה ל- BLDC אך עם Synoidal back-EMF; המשמש ביישומים בעלי ביצועים גבוהים.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שילוב תקין בין אספקת החשמל וכונן המנוע מבטיח האצה חלקה, פעולה שקטה ויעילות מערכת גבוהה.תדירות המעבר של מופנם חייב להיות נבחר כדי למזער את ההתערבות האלקטרומגנטית (EMI) תוך שמירה על הפסדים נמוכים.

בטיחות והסתמכות על הסביבה הימית

כוח ימי לספק סכנות ייחודיות לא קיימות ביישומים מבוססי קרקע: מים מלוחים קורוזיה, רטט קבוע, חללים מוגבלים, סיכונים בטיחותיים אנושיים בשעת חירום.

(ב) ⁇ :0;267 או יותר מחסנים: הגנה מפני אבק ואנתרופולוגיה זמנית; יש לחתום על קשר עם מחברים ברמה ימית.
(FLT:0) Thermal Runaway PreventionFLT:1 - נביחות ברמה התאית, אוורור, מחסומים תרמיים, וקירור פעיל.
(ב) ⁇ :0) סביב זיהוי ו ניטור ניטור ניטור ניטור של FLT:1 - חיוני כי אפילו זרם דליפה קטן בסביבה רטובה יכול לגרום קורוזיה או הלם.
(FLT:0)BMS עם חיישנים מחוסנים 1FLT) - לפקח על הטמפרטורה במספר נקודות, מתח של כל תא, ונוכח. BMS חזק יכול לנתק את החבילה במכלות אם ניתן לזהות את הבעיה.
(FLT:0) שיתוף עם סטנדרטים של ההרחבה 1:1 - כגון ABYC TE-13 (Lithium Battery Systems on Boats), ISO 26262 (בטיחות תפקודית), וכללי החברה המעמדית (למשל, DNV GL CG-0339, ABS עבור מערכות סוללות).

תחזוקה רגילה כוללת בדיקה חזותית של קשרים, בדיקת טורק של קווירים, בדיקות איזון מתח, בדיקות קיבולת (למשל, כל שישה חודשים), ועדכון קושחה BMS. מפעילי צריך גם לוודא כי תשתית הטעינה מתאימה לפרוטוקול מתח הסוללה והתקשורת (אוטובוס CAN, SAE J1772 וכו ').

ניהול תשתיות ותחזוקת כוח

הפעלת אספקת חשמל של סירה דורשת תכנון זהיר.עבור מערכות סוללות, קיימים שלושה מצבי טעינה עיקריים:

(FLT:0)Slow AC הטעינה (רמה 1/2) ראט" 1 - 120V /240V AC, 1-10 קילוואט, בדרך כלל לילה מתאים לספינות קטנות עם יכולת סוללה צנועה.
(FLT:0) Fast DC הטעינה (רמה 3)FIRLT:1) - 50-350 קילוואט DC, באמצעות סטנדרטים כגון CCS או CHAdeMO. מאפשר תפנית מהירה עבור ferries וכלי שיט גדולים.
(ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניהול כוח על הסיפון משתרע מעבר למניעה.ספקת הכוח חייבת גם לספק אנרגיה עבור אלקטרוניקה ניווט, תאורה, משאבות, HVAC, ומתקנים צוות. אוטובוס בית DC עם ממיר DC-DC נפרד הוא אופייני.אינטגרציה עם מערך סולארי (למשל, לוחות על גגות תא או bimini העליון) יכול להפחית את צריכת האנרגיה הנקייה (FLT:0Energy Management Systems (EMS) מעקבים מראש, טעינה על סוללות.

שיקולים כלכליים וסביבתיים

עלות מלאה של בעלות (TCO) עבור אספקת חשמל של סירות צנחה באופן משמעותי בעשור האחרון.עלויות הסוללה ירדו מ-1,000 $ /kWh בשנת 2010 ל- 150/kWh ב-2024. בעוד שהוצאות ההון הראשוניות נשארות גבוהות יותר ממנועי דיזל, עלויות תפעול נמוכות יותר (חשמליות לעומת דיזל, תחזוקה מופחתת) מספקות לעתים קרובות תשלום בתוך 3-7 שנים עבור כלי דלק מסחריים.

מנקודת מבט סביבתית, סירות המופעלות על סוללות לייצר אפס פליטות ישירות.עם זאת, ניתוח מחזור חיים חייב לשקול ייצור סוללות, ייצור חומרי גלם (lithium, cobalt, ניקל), ומחזור חיים מקצה-חיים של תאים דלק באמצעות מימן ירוק יכול להיות פחמן-ניטרלי הכולל, אבל יעילות אלקטרוליטית והפסדי תחבורה להפחית יעילות רב-ל-פרור.

פיתוח עתידי ב- Marine Power Supplies

מספר טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות לשפר עוד יותר את אספקת החשמל של סירות חשמל:

(FLT:0) סוללות של מדינות האולידותFLT:1, השתמש אלקטרוליט מוצק במקום נוזל, המציע צפיפות אנרגיה גבוהה יותר (400–500 Wh / kg), שיפור הבטיחות, וטעינה מהירה יותר.
סוללות ליתיום-סולפור 1 (FLT:0) - יכולות להגיע ל-500 Wh / ק"ג עם עלויות חומריות נמוכות יותר, אך חיי מחזור עדיין עניים.
(FLT:0) תאי דלק מימן ירוקים (FLT:1) - מחסניות בקנה מידה ואחסון טוב יותר (מימן נוזלי קריגני, הידרוידים מתכת) יכול להפוך תאים תחרותיים עבור כלי בינונית לגדול.
(FLT:0) מערכות סוללות זמינות סוללות ,FLT:1, מודולים סטנדרטיים שניתן להחליף בתחנות הרציפים תוך דקות, תוך ביטול הטעינה כבר פיילוט עבור מעבורות קטנות בהולנד.
(FLT:0) ⁇ Wireless ChargeFLT:1 - הפיכה מפתה או חוזרת עבור סטטי (דפוק) ודינמי (בזמן) הטעינה דינאמית של סירות חשמליות עדיין ניסיונית, אך עלולה להפחית את גודל הסוללה באופן משמעותי.
(FLT:0) אינטגרציה עם אנרגיה מתחדשת FLT:1 - מערך סולארי גדול יותר, טורבינות רוח ואפילו ממירי אנרגיה גל יכולים להשלים על כוח, יצירת כלי סולארי / היברידי אמיתי עבור פנאי ותפעול מרחוק.

לחץ רגולטורי גם מניע שינוי: ארגון הים הבינלאומי (IMO) הציב מטרות להפחית את עוצמת הפחמן של המשלוח בלפחות 40% עד 2030 ו-70% עד שנת 2050, יחסית למניעה של חשמל המופעלת על ידי אנרגיה נקייה, היא דרך עיקרית לעמוד ביעדים אלה.

מסקנה

אספקת החשמל היא הרבה יותר ממקור אנרגיה פשוט בסירה חשמלית - היא מערכת מתוחכמת המשפיעה על כל היבט של ביצועי כלי שיט, בטיחות וקיימות. מחבילות סוללות ליתיום-יון לתאים דלק מימן ותצורה היברידית, הבחירה של אספקת חשמל קובעת טווח, משלוח כוח, חיוב אסטרטגיה, תחזוקה, ועלויות תפעוליות.

Designers and operators must stay informed about the latest technologies, standards, and best practices to make sound decisions. The future of marine transportation is electric, and the power supply is the cornerstone of that transformation.(ב) .