1．目的及意义

1 目的及意义

1.1 研究的目的和意义

运河船舶运输在我国运输体系中占有重要的地位。以江汉运河为例，江汉运河位于江汉平原，通航里程为67 km，进口位于荆州市龙洲垸，途经荆门市沙洋县，出口位于潜江市高石碑，并于此汇入汉江。江汉运河作为一条连接长江中游和汉江中游间的千吨级航道，缩短了船舶绕道水运里程680 km，将沿途城市的810 km^[1]千吨级航道有机的连接在一起，极大缩短了长江、汉江间航行所需时间。然而，在提供了便利的同时，运河上通航的船舶也带来了一系列环境问题。当前内河船舶95%使用柴油机驱动^[2]，这些船舶在航行时会产生漏油、噪声与大量的CO₂，NO_x，SO_x废气及PM颗粒物等空气污染物^[3]，对运河环境造成严重破坏，对运河周边城市人民的健康造成不良影响。因此减少运河船舶污染物的排放，实现了运河船舶的减排是很有必要的。

与大部分水路上的船舶一样，陆地上的内燃机汽车的污染也同样严重。以公共汽车为例，全国的公共汽车每年会排放出大量的CO、CO₂等污染物^[4]，对城市空气质量造成了严重污染。在公共汽车中，无轨电车采用岸基电力和推进电动机取代柴油机来提供动力，该方式对环境的污染很小，其动力原理具体为首先在马路两边架设线网，电车通过集电杆将线网上的电能输送到车上的储能电池之中，储能电池为电动机供电，进而由电动机为公共汽车提供动力。同时无轨电车的寿命比普通公共汽车长50%，故障率低于普通公共汽车，营运成本也只有普通公共汽车的1/2。相比内燃机提供动力的公交车，无轨电车噪音和排放都大幅度降低。无轨电车在提高乘车舒适度的同时实现了较低污染与排放保护了城市环境。

假如将无轨电车相关的动力推进系统应用到水文特征相对稳定的运河，利用岸基能源（岸电）推进船舶航行，则可降低船舶产生的噪音和排放，同时能够提高经济效益。采用岸基电力推进系统的具体优势如下：①以岸电为动力源，船上不在需要柴油机发电，解决了运河船舶的废气排放及舱底水排放问题。②以电动机代替柴油机，降低机舱噪音改善了机舱的环境。③由于机舱设备的减少，增大了船舶舱容，可以提高船舶载重量。

综上所述，若将运河船舶的动力源由传统柴油机转变为岸基能源，则可降低有害物质的排放量，实现运河船舶的绿色运行，同时还能提高船舶营运效益。因此研究基于岸基能源的运河船舶是对于实现运河船舶的减排是很有意义的。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岸基能源船舶

岸基能源船舶是指以岸基能源（岸电）为动力源的船舶。其在国外已有应用，国内也有相关设计方案。在国外，德国Straussee湖上的Steffi渡轮采用基于岸基能源的电力推进形式，船舶的额定功率为7.5 kW，采用170 V的电压，船舶所需电能由位于湖面上的接触线提供，通过水实现电流的回路^[5]，如图1所示。同时，法国的Mauvages隧道也通过接触网提供600 V直流电给电动拖船，如图2所示。在美国的canby渡轮也是岸基能源船舶的一员，其采用的输电方式为三线制，不需要通过水来实现回路，从而避免了船壳的电化学腐蚀。2016年，挪威Fiskarstrand船厂制造了一艘观光渡船，它既可以使用混合动力，也可以使用岸电系统。据报道该渡轮拥有容纳60辆汽车和250名乘客的能力。此外，环境友好型电力与能源方案提供商ABB，将为Color Line公司的客滚渡船“SuperSpeed1”号供应整套岸船电力系统，具体构想如图3所示。

图1 德国Steffi渡轮 图2 Mauvages 运河船舶

图3 ABB船舶岸基供电系统

在国内严新平教授等提出了一种基于岸基能源的运河船舶系统^[6]。该系统以京杭大运河船舶为研究对象，将电车的接触网技术应用于运河船舶上，通过在运河船舶上增设受电连接装置^[7]，在运河上空架设接触网，通过受电连接装置从接触网获取电能并传输至船舶，从而为运河船舶提供推进的主动力，达到取代传统的柴油机动力系统的目的，具体如图4所示。

图4 接触网供电船舶模型

1.2.2 超级电容

超级电容器是介于传统蓄电池与传统静电电容器之间的储能器件。在国外，由Maxwell Technologies公司生产的Power Cache超级电容器^[8]，已由通用汽车公司Allison Transmission Division组成并联混合电源系统和串联电源系统用在卡车和轿车上。在德国巴伐利亚州政府的支持下，MAN 和Siemens、EPSOS公司合作开发了欧洲第一辆采用柴油－电驱动和双层电容器作为大功率储能装置的城市公交车。与常规柴油机驱动的车辆相比，燃料消耗减少10-15%，而且舒适性较高，噪音和空气污染大幅度降低。日本开发的第三代和第四代燃料电池电动车FCXV3和FCXV4中分别使用了自行开发研制的超级电容器代替二次电池，减少汽车的质量和体积^[9]，使系统效率增加。

在国内，由上汽股份工程研究院、上海申沃客车有限公司、上海交通大学联合开发的并联式混合动力汽车“申新动1号”成功应用超级电容来提高启动功率。2006年8月，装载了奥威公司生产的超级电容的公交车正式开通^[10]，结束了公交车拖着“辫子”的时代。2015年上海交通大学机器人研究所参与研制的Cyber C3-0无人驾驶电动汽车将超级电容作为为动力并获得成功^[11]。

1.2.3 蓄电池

蓄电池是指把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能的一种电池。当前，国内外以锂电池的研究与应用较多。在国外，2016年韩国Yoon SeokJun教授与首尔国立大学的.Seng M.Oh教授牵头的研发团队开发出一种全固态锂电池^[12]，这种电池相比于液态锂离子来讲优点非常明显，在循环性、安全性、寿命以及能量密度上都有明显的优势，而且电压更高。在美国，麻省理工学院发现了具有导电性的金属-有机框架化合物MOF材料（Metal-Organic-Frameworks，MOF），这种新型材料具有极高的储能密度^[13]，很可能成为超级电容/电池技术的核心材料。韩国光州科学技术院材料科学与工程系教授 Eom Gwang-sup和麻省理工学院电子研究实验室博士后研究员^[14] LeeJung-tae携手合作，研发出最新款锂电池，若跟市面上的产品相比，新的锂电池储电量达到 4 倍。

在国内，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员及其团队研发出新型高储能、低体积电池技术。该新型电池为铝—石墨双离子^[15]电池，是一种全新的高效、低成本储能电池。华为中央研究院瓦特实验室宣布在锂离子电池领域实现重大研究突破，推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示，以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10 ℃，使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

1.2.4 岸基能源船舶受电连接装置

岸基能源船舶受电连接装置是指将岸基电能输送到船舶用电设备的装置，是连接岸基电能与运河船舶推进系统的纽带。当前，该装置国内外均有应用或研究。在国外，以美国的Canby渡轮和德国的Steffi渡轮较为典型。美国Canby渡轮采用三脚架结构的受电连接装置获得岸基电能，同时在船底增加铁链，该铁链同时与两岸相连，从而防止渡轮偏移航线^[16]。这种受电连接装置的三个脚架分别与三根线接触，最上端的线承受了这个受电连接装置的大部分重量，具有很高的安全性稳定性^[17]。具体如图5所示。位于德国Straussee湖上的Steffi渡轮，它的受电连接装置是由一根柔性输电线和吊钩组成的，如图6所示。采用了单线制的设计通过水实现电流的回路。使用的吊钩式受电连接装置结构简单，重量轻易且拆卸。

图5 canby渡轮受电连接装置 图6 Steffi渡轮受电连接装置

国内，由武汉理工大学严新平教授及其团队设计出了一套受电连接装置，该装置是由无轨电车的集电杆改进而成的，主要由集电头、集电杆、液压控制子模块、缓冲弹簧、旋转电机、升降平台等组成。在该受电连接装置中，集电杆可以在压缩气缸的作用下进行垂直方向的偏移，可以适应水位变化的范围为 0 - 0.831 m。此外，当水位大幅度变化时，可通过装置中升降平台的升降来补偿，其补偿范围是0.8 - 2.2 m。同时，在水平方向上此受电连接装置还存在左右各4 m的偏移量。这种受电连接装置可跨越接触网的吊弦等悬挂设施，并可持续地从接触网为运河船舶输送电能，能满足岸基能源船舶远距离航行的需求。具体如图7所示。

图7 受电装置效果图

1.2.5 国内外研究现状分析

在将当前岸基能源船舶设计方案工程化实施的过程中，发现仍存在以下几个问题：①受电连接装置对水位变化和水流波动的适应性差。当水位、水流波动较大或者船舶偏移量发生较大改变时，脱线的可能性较大。②目前采用硬质集电杆设计的受电连接装置会增加船舶能耗。硬质集电杆是通过弹簧将硬质电杆压在线网上，线网对硬质集电杆的反作用力会作用在水体上，使船舶的阻力增加，能耗增加。同时水位变化时，会对接触线和集电杆造成损坏。③船端受电装置结构过于复杂。之前严新平及其团队设计方案中受电装置由液压控制机构、缓冲弹簧、旋转电机、升降平台等组成，该机构结构和控制较为复杂，成本较高。④船舶负荷突变时出现的大电流对船舶电网造成冲击。现有岸基能源船舶的设计由电动机驱动，在电动机启动瞬间，转子因惯性还未转起，旋转磁场以最大的切割速度使转子绕组感应起较高电势，从而在转子导体中产生很大的电流，大电流冲击会造成电网电压下降，使船舶电力设备不能正常工作。

因此研究基于岸基能源的江汉运河船舶系统设计具有实际的意义，这为基于岸基能源的运河船舶的工程化应用奠定了基础。

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2. 研究的基本内容与方案

{title} 2 研究的目标，基本内容，拟采用的技术方案及措施

2.1 研究目标

以江汉运河千吨级散货船为研究对象，设计一种以岸基电能、蓄电池及超级电容取代柴油机作为船舶动力源的江汉运河船舶系统。

2.2 研究的基本内容

⑴基于岸基能源船舶的国内外研究现状。

⑵基于岸基能源的江汉运河船舶系统需求分析。

⑶基于岸基能源的江汉运河船舶系统设计。

2.3 拟采用的技术方案及措施

（1）通过在武汉理工大学图书馆查阅国内外关于岸基能源船舶的资料，了解岸基能源船舶国内外进展，分析存在的不足之处。

（2）通过江汉运河航道管理处公布的相关数据及江汉运河的其他相关资料，分析江汉运河的航道、水文等特征，并对基于岸基能源的江汉运河船舶进行需求分析。

（3）通过分析江汉运河航道特征、通航要求、水文条件及运河船舶特征，确定船舶受电连接装置偏移量，结合系统需求分析，并参考机械设计原理、工程力学、材料力学，完成受电连接装置的设计及优化。

（4）通过分析运河船舶的电压、电流和运行功率等得出新型电池和超级电容的容量及设计中所需要的其他相关参数，设计出运河船舶储能装置并优化。

（5）完成基于岸基能源的江汉运河船舶系统设计并进行优化。

本论文的技术方案流程见图8。

图8 技术流程图 3. 参考文献
4 参考文献

[1] 江汉运河航运发展存在的问题及对策 詹斌，肖庆 (武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063)

[2] 周松, 肖有洪, 朱元清. 内燃机排放与污染控制[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2010：175-186.

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[17] 孙震洋.哈大线牵引供电技术特点分析.铁道标准设计,2004.6.

1．目的及意义

1 目的及意义

1.1 研究的目的和意义

运河船舶运输在我国运输体系中占有重要的地位。以江汉运河为例，江汉运河位于江汉平原，通航里程为67 km，进口位于荆州市龙洲垸，途经荆门市沙洋县，出口位于潜江市高石碑，并于此汇入汉江。江汉运河作为一条连接长江中游和汉江中游间的千吨级航道，缩短了船舶绕道水运里程680 km，将沿途城市的810 km^[1]千吨级航道有机的连接在一起，极大缩短了长江、汉江间航行所需时间。然而，在提供了便利的同时，运河上通航的船舶也带来了一系列环境问题。当前内河船舶95%使用柴油机驱动^[2]，这些船舶在航行时会产生漏油、噪声与大量的CO₂，NO_x，SO_x废气及PM颗粒物等空气污染物^[3]，对运河环境造成严重破坏，对运河周边城市人民的健康造成不良影响。因此减少运河船舶污染物的排放，实现了运河船舶的减排是很有必要的。

与大部分水路上的船舶一样，陆地上的内燃机汽车的污染也同样严重。以公共汽车为例，全国的公共汽车每年会排放出大量的CO、CO₂等污染物^[4]，对城市空气质量造成了严重污染。在公共汽车中，无轨电车采用岸基电力和推进电动机取代柴油机来提供动力，该方式对环境的污染很小，其动力原理具体为首先在马路两边架设线网，电车通过集电杆将线网上的电能输送到车上的储能电池之中，储能电池为电动机供电，进而由电动机为公共汽车提供动力。同时无轨电车的寿命比普通公共汽车长50%，故障率低于普通公共汽车，营运成本也只有普通公共汽车的1/2。相比内燃机提供动力的公交车，无轨电车噪音和排放都大幅度降低。无轨电车在提高乘车舒适度的同时实现了较低污染与排放保护了城市环境。

假如将无轨电车相关的动力推进系统应用到水文特征相对稳定的运河，利用岸基能源（岸电）推进船舶航行，则可降低船舶产生的噪音和排放，同时能够提高经济效益。采用岸基电力推进系统的具体优势如下：①以岸电为动力源，船上不在需要柴油机发电，解决了运河船舶的废气排放及舱底水排放问题。②以电动机代替柴油机，降低机舱噪音改善了机舱的环境。③由于机舱设备的减少，增大了船舶舱容，可以提高船舶载重量。

综上所述，若将运河船舶的动力源由传统柴油机转变为岸基能源，则可降低有害物质的排放量，实现运河船舶的绿色运行，同时还能提高船舶营运效益。因此研究基于岸基能源的运河船舶是对于实现运河船舶的减排是很有意义的。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岸基能源船舶

岸基能源船舶是指以岸基能源（岸电）为动力源的船舶。其在国外已有应用，国内也有相关设计方案。在国外，德国Straussee湖上的Steffi渡轮采用基于岸基能源的电力推进形式，船舶的额定功率为7.5 kW，采用170 V的电压，船舶所需电能由位于湖面上的接触线提供，通过水实现电流的回路^[5]，如图1所示。同时，法国的Mauvages隧道也通过接触网提供600 V直流电给电动拖船，如图2所示。在美国的canby渡轮也是岸基能源船舶的一员，其采用的输电方式为三线制，不需要通过水来实现回路，从而避免了船壳的电化学腐蚀。2016年，挪威Fiskarstrand船厂制造了一艘观光渡船，它既可以使用混合动力，也可以使用岸电系统。据报道该渡轮拥有容纳60辆汽车和250名乘客的能力。此外，环境友好型电力与能源方案提供商ABB，将为Color Line公司的客滚渡船“SuperSpeed1”号供应整套岸船电力系统，具体构想如图3所示。