Marine Propulsion için Kablosuz Güç Transferine Giriş

Küresel nakliye endüstrisi, karbonatın düşmesi için artan baskı altında, Uluslararası Deniz Örgütü'nün 2050 yılına kadar sera gazı emisyonlarını yüzde 50 azaltımı hedeflediği, elektrik deniz tahriki, yüksek deniz ortamlarındaki enerji sağlayarak, elektrikle ilgili tüm yüklerin şarj edilmesi ve liman-yolların taşınmasıyla ilgili tüm güç transferleri sınırlı bir şekilde ortaya çıkmıştır.

Bu teknoloji ilkede yeni değildir; Nikola Tesla, bir yüzyıldan önce kablosuz enerji transferini öncüledi. Ancak, güç elektroniklerinde modern ilerlemeler, rezonans devreleri ve kontrol algoritmaları deniz kullanımı için uygun yüksek verimli, çok-kilowatt sistemler yaptı.

Deniz Ayarlarında Kablosuz Güç Transferinin Temelleri

Deniz tahrikinde kablosuz güç transferi genellikle geminin içine monte edilmiş bir manyetik alan oluşturur.The kiss are melodi to the same resonant frequency, maxing Energy transfer over Distance of several santimetre to metres to the larger columns, multiple verici-receiver çiftleri, toplam güç boyunca yükseltilebilir.

Deniz WPT sistemlerindeki temel performans ölçümleri şunlardır:

  • [FONT:0)Transfer verimliliği[[Dönetici: 1) En İyi Uyumda 90-95, ancak yanlışlık veya artan boşlukla düşüş.
  • [FONT=0)Power seviyesi[DÜT:1] - Mevcut sistemler, büyük feryatlar için birkaç megawatta kadar küçük fırlatmalar için onlarca kilovat aralığında.
  • [FONT:0)Yönergesel uyumluluk[[[Dönergesel uyumluluk standartları ile gemi elektronik ve deniz navigasyon sistemleri ile müdahale etmekten kaçınmaları gerekir.

Karasal elektrikli araç şarjına karşılaştırıldığında, deniz WPT, gelgitleri, dalgalar, gemi hareketi, tuz su korozyonu ve biyofouling. Bantlar, mühürlenmiş ve dayanıklı olmalıdır ve düşük hızlarda varlığa ve gemi hareketine neden olan yanlışlığa ve tekneye tahammül etmek için tasarlanmıştır.

Son Teknolojik Gelişmeler

Son beş yıl üç kritik alanda büyük atılımlar gördü: anahtar tasarım, güç elektronik ve sistem kontrolü. Bu gelişmeler WPT'nin laboratuvar prototiplerinden feribotlarda ticari pilot kurulumlara, tugboats ve araştırma gemilerine taşınmasına olanak sağlıyor.

Bant Mimarisi ve Malzeme

Geleneksel dairesel spiral tırnakları daha sonra sınırlı toleransa sahiptir. YeniÜye:0)DDD (çift-D) ve dört dörtlü bant geometrileri ), daha geniş bir yanlışlık aralığına sahip daha iyi bir darbe sağlar. deniz uygulamaları için, boks şekilleri tam konumlandırma ihtiyacını azaltır.

Litz tel - birçok ince, bireysel olarak zincirlenmiş filamentler ortaya çıktı - yüksek frekanslarda cilt ve yakın etkiler (tipik olarak 20-100 kHz deniz WPT için). Epoxy veya poliurethanede yapılan düzenlemeler, tuzlu sulara karşı koruma sağlar. Bazı tasarımları, ferrite çekirdeğinin manyetik florelere konsantre olmasını ve darbesini artırmak için içerir; ancak, ağırlık ve maliyet kısıtlamaları ferritenin seçici olarak kullanılır.

Aşırı deniz ortamları için, [[0) Konsertif darbe[Dönetici] alternatif olarak araştırılıyor. Manyetik indüksiyon yerine, kapasitif WPT, plaka elektrotları arasındaki elektrik alanları kullanır ve bu yaklaşım, metalik nesnelere daha az etkilenebilir ve tuz spreyi ile etkilenebilir.

Resonant Inductive Coupling Systems

Resonant inductive coupling (RIC) deniz WPT. Içinde RIC için baskın yaklaşım olarak kalır, her iki verici ve alıcı bant aynı frekans için% 97 verimlilikle bir araya gelir.Bu, verimli bir enerji transferini 10-40 cm'nin üzerinde sağlar, ki bu da Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda yapılan son çalışma, 15 cm boşluk için% 97 verimlilikle elde edilebilir.

Gelişmiş tazminat topolojileri - seri serisi, seri para birimi ve LCC (inductor-kapı-kapı) gibi - sabit tepki tepki ve en aza indirmek için, yüksekoloji seçimi, gerilim kazançlarını ve yükleme parametrelerini etkiler.For deniz sistemleri değişken batarya eyaletleri kullanarak geçiş noktaları veya değişken ayarlayıcı bankaları veya değişkenleri gerçek zamanlı olarak korumak için uyarlanabilir ayarlayıcılar.

Manyetik Resonance ve Capacitive Hybrids

Bazı araştırma grupları, hibrit çiftleri oluşturmak için manyetik rezonansı birleştirir. Bu sistemler ana güç yolu için birincil manyetik alan kullanırken, kapasitör plakalar kenarlarda ek darbe sağlar, toleransı yanlış hale getirir.Tokyo'nun erken sonuçları, bir hibrit sistemin% 90 verimliliğini 200 mm'nin üzerinde tutabilir ve 50 mm dikey boşluk sağlar, önemli ölçüde saf manyetik veya kapasitif tasarımları sağlar.

Başka bir umut verici yön, mürettebat güvenliği için ICNIRP yönergelerine uymak için elektromanyetik emisyonlar azaltmaktadır. 100 kW deniz prototipi üzerinde testler, genel sistemi% 93'ün üzerinde genel sistemi verimliliğini korurken, aktif kalkanların% 85'i azalttığını gösterdi.

Power Electronics ve Control Systems

Verimli güç dönüşümü yüksek güç WPT. Modern sistemler, daha küçük transformatörler ve filtrelerle birlikte yüksek çözünürlükte çalışan silikon kullanılmaktadır.Sally Electronics[D)

Kontrol algoritmaları, yönetmek için basit açık-loop operasyonundan gelişmiş kapalı-loop sistemlere gelişti:

  • Gemi yaklaşımı ve kilitleme sırasında sürekli güç çıktısını korumak için mevcut yönetmelik.
  • batarya şarj profili ile eşleştirmek için ikincil-side voltaj kontrolü (CC-CV).
  • Güvenlik sıkışıklıkları, hata algılaması ve planlama arasındaki iletişim.
  • Yanlıt veya pilot sinyalleri kullanarak yanlış algılama algılama - Gemiyi şarj başlamadan önce otomatik olarak iyi bir şekilde iyi duruma sokmak.

Wi-Fi tabanlı kablosuz iletişim, uzay iletişimi (NFC) kanallarının şarj pedine entegre edilmesi, metal süper yapılar tarafından bloke edilebilir radyo bağlantılarına bağımlılığı ortadan kaldırmaktır. Bu zorlanan yaklaşım deniz siber güvenlik gereksinimleriyle karşı karşıyadır.

Deniz Altyapısına Entegrasyon

WPT'yi ölçeklendirmek liman elektrik sistemleri, gemi dağıtım gücü dağıtım ve dağıtım işlemleri ile entegrasyon gerektirir: Birkaç konfigürasyon önerildi ve test edildi:

Feribot Terminalleri

Elektrikli feribotlar kısa bir süre ile (10-30 dakika), yüksek güç WPT pedleri zaten 1 MW'lık bir dizi şarjda bulunuyor, ancak Wärtsilä ve ABB, 500 kW kablosuz sistemle benzer bir feribotu geri alıyor, mekanik konektörler ve hızlamalar üzerinde takmayı hedefliyor.

Tugboats and Service Gemis

Tugboats, 2023 yılında gemi şarjı için önemli zaman harcıyor veya atamaları bekliyor. WPT, Rotterdam'daki üç limanda aktı şarj sağlar. Avrupa ortaklarının bir konsorsiyumu vericiye başladı:0)Wireless Marine Şarj (WMC) [Döneticileri için% 40 indirimi gösterdi.

Özerk Su Araçları (AUVs)

AUVs için WPT, sualtı tırtma istasyonlarının 50 kHz'de çalışan şarjlı, ıslak bağlantılı bağlantıların ihtiyaçlarını ortadan kaldırmaktadır. ABD Donanması'nın 03:0)XR-1) aracı programı, 5 cm'de çalışan 1.2 kW WPT sistemi kullanıyor, baskı dolu petrol dolu muhafazalarda bulunan kilitler ile.

Meydanlar ve Engeller

Hızlı ilerlemeye rağmen, WPT ticari nakliyede standart hale gelmeden önce birkaç engel aşılmalıdır.

Marine Life ve Crew için güvenlik

Güçlü manyetik alanlar su organizmalarını etkileyebilir ve navigasyon ekipmanlarını engelleyebilir. Uluslararası Radyasyon Koruma (ICNIRP) daha önce tartışılma limitleri için kılavuzlar sunar. Marine WPT sistemleri, deniz suyuna giriş alanının 6,25 μT'nin altında genel halka ve daha önce tartışılmazken, karşılıklı olarak yüksek güç alanları için özel standartlar geliştirmelidir.

Elektromanyetik Uyumluluk (EMC)

Yüksek güç WPT güçlü harmonik akımlar ve radiated emisyonlar yaratır. Bunlar gemi iletişim, radar ve GPS ile müdahale edebilir. San Diego'daki 300 kW3 dB-STD-461), filtreler hem birincil hem de ikincil güç elektronikleri için gereklidir. Bazı sistemler, liman operasyonları için limitleri altında 300 kW dB'ye kadar içeriği iptal edebilir.

Standartlaştırma ve Interoperability

Şu anda, deniz WPT için küresel standart yoktur. Farklı üreticiler farklı bant boyutları, rezonans frekansları (tipik olarak 20-100 kHz), ve iletişim protokolleri. Bu aynalar SAE J2954 standardına kadar şarj edilen elektriksel araçların ilk günlerini kabul etti. IEC, 600 mm genişlikte (IEC 63183) ve Avrupa feribot operatörlerinin 2026'da beklenen bir grup tarafından önerilen bir tedarikçiye özel olarak tasarlanmış.

Maliyet ve Scalability

Mevcut WPT yüklemeleri, yüksek performanslı pantograf bağlantılarına kıyasla maliyetle maliyetle, ancak mülkiyet maliyetinin azaltılmasına bağlı olarak, 1 MW feribot şarj sistemi, 150.000 $ - 300,000 $ 'a mal olabilir ve yüksek performanslı pantograf konektörlere kıyasla daha pahalıya mal olur. ancak daha pahalıya dayalı şarjlar için maliyet azaltılır (görüntüler üzerinde hiçbir kablo kullanımı yoktur), daha hızlı bir şekilde geri dönüş (görüntülemez) ve elektrik kazaları riski (no maruz kalan iletkenler) SiC bileşenleri ve standart bant ölçeklendirmeler olarak, önümüzdeki 30 ila% 50 $ arasında şarj edilir.

Future Prospects ve Devam Eden Araştırma

Önümüzdeki beş yıl WPT güç seviyelerinin yüzlerce kilovattan birkaç megawatta yükseleceğini görecek, Danimarka ve Norveç arasında faaliyet gösteren hibrit roll-on /roll-off feribotu için etkinleştirilen 3 MW kablosuz şarj sistemi göstermeyi amaçlamaktadır.

Araştırma ayrıca dinamik in-motion şarjına odaklanır - tekneler bir yol şarj altyapısından bir yana, kilitlere yaklaşarak veya geçmek için bir şarj altyapısından güç alır.A University of Cambridge study published inurFLT:0) Nature Energy). (2023) önerilen, elektrik barges için kanal yataklarını kanalize etmek, 5 düğümde transfer edilen 45 kW'ı gösteren test sonuçları ile.

Başka bir sınır:0) Danimarka'da DTU tarafından iki yönlü elektrik transferi) (V2G), gemi bataryalarının 2 saat boyunca şebekeye geri dönebileceğini tahmin etti. Bu, iki yönlü güç elektronik ve sağlam iletişim protokolleri gerektirir. Danimarka'da DTU tarafından bir fizibilite çalışması, 10 MW'lık bir batarya kapasitesinin filosunun 2 MW'lık bir filonun 2 saat boyunca 2 MW'lık bir ağ desteği sağlayabileceğini tahmin etti.

Son olarak, otonom navigasyon ile entegrasyon büyük bir sürücüdür. Tam olarak otonom gemiler görev profilinin bir parçası olarak şarj gerektirir. WPT, 7/24 insan müdahalesine ihtiyaç duyar, uzaktan denetimli projelerle 7/24 operasyona izin verir.Projeler gibi [Dönetici:0Roboship).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Kablosuz güç transferi, gerçek dünya deniz ortamlarında test edilen, WPT, feribotlar için engelleri azaltabilir ve sonunda kalan zorluklarla - güvenli standartlar, maliyet ve interoperability - aktif olarak araştırmacılar tarafından ele alınabilir, düzenleyiciler ve endüstriler tarafından ele alınabilir.

Batarya maliyetleri düşer ve emisyon düzenlemeleri sıkıya devam ettikçe, elektrik tahrik ve kablosuz şarj kombinasyonu, sıfır emisyonlu deniz taşımacılığına karşı zorlayıcı bir yol sunar. WPT altyapısına yatırım yapan Ports, bir sonraki temiz deniz limanlarından ve daha temiz havadan yararlanacak.

  • [FONT:0)IEEE: Deniz Uygulamaları için Yüksek Lisans Teşviki).
  • [0]Doğa Enerjisi: Inland Waterway Gemileri için Dinamik Telsiz Şarj[Dönemli: 1)
  • [0]ABB Marine: Feribotlar için Telsiz Şarj Pilotu).
  • [0]Wärtsilä Kablosuz Deniz Şarj Projesi).