文摘
可持续迁移是最具挑战性的问题之一客运内部环境保护区和生态脆弱的环境。减少污染物排放,工艺采用电动或混合动力解决方案推进绿色导航是一个合适的选择。然而,操作限制盆地也导致特定船舶航行的关键问题,如处理浅或限制水域和运输在低气隙桥梁。这些约束的组合采用混合动力推进系统增加了一个小的设计困难也工艺,要求使用先进的仿真模型来评估该船表演。这项工作提出了一个仿真模型对小乘客工艺操作级的泻湖。操纵的模型结合了水动力问题和推进在限制水的模拟电负荷和容量的能量存储系统上安装。开发仿真系统的仿真执行期间按照数据测量试验船的一个原型。开发模型是一个功能强大的工具,设计师为了快速评估新项目的绿色功能自早期设计阶段。
1。介绍
环境保护与提高公众意识,从船舶废气排放空气污染物是解决越来越多的关注1,2]。许多研究提出,氮氧化物(NOx),硫氧化物(x)、可吸入颗粒物(PM)发出国际航运占13%,12%3),1% (4的全球总没有x,所以x,分别和PM排放。此外,在港口船舶排放可能产生重大影响当地的空气质量,人口暴露,在港口城市,因此,人类健康。此外,人们不应忘记,在许多领域的行星,船舶交通不仅涉及海上航线还内陆水道,旅游的目的,特别敏感的自然河流和湖等领域。除此之外,大多数的科学研究报告地面测量收集在偏远内陆观察斑点。公众舆论的主要结果是,船只可以被认为是空气污染的最大来源之一。特别是,空气污染物释放的船只在河港口,内陆水道,并限制流域有一个直接影响当地的空气质量和对居民的健康造成威胁,游客和动物物种(5]。
由于气候变化挑战的重要性,国际海事组织(IMO)强烈开发和实施新的措施来解决船舶排放的污染物。然而,由于这些法规(6)事实上的强制船舶只用于国际旅行,进一步的标准已经发行的国际,国家和地方机构(7]。
这个新的监管框架的引入解决当前研究新的设计和管理方法更加高效和环保的推进系统。最近文献报道许多技术的选择,主要是基于采用混合动力系统与车载储能系统。小乘客工艺品,情况更严重一旦请求操作接近城市或自然保护区。采用混合动力推进尤其适合在这种情况下(8,9),不需要高功率需求由于速度限制在受限制的地区,让所谓的零排放模式(ZEM)可能10,11]。
典型的系统架构认为上一代系统必须满足推进和电子负载;它由热机械和电气部分。热机的部分通常是由热原动力,如柴油发动机,而同步的电气部分通常包含机器,提供交流或直流配电系统(12];一般来说,整个伴随着能量存储系统,通常电池。特别是,能量储存在机载电力系统的存在可以增加原动力的效率以减少燃料消耗和污染物排放。
这种改进导致乘客工艺品的建设可持续保护和城市地区的导航。然而,为了使ZEM导航,有必要预测电力需求选定的路线,考虑到速度限制和容器必须面对的特定环境。沿海地区,内陆水道航行在受限水域或在泻湖意味着操作(13]。在这里,决心推进负载不是一件容易的任务。浅水影响电阻/推进和操纵船舶,制作一个专门的模拟真实的工作环境所必需的设计问题(14]。的决心推进载荷影响的选择能源存储系统安装在执行ZEM导航在特定的路线。通过这篇论文,从一个活动执行的调查试验中一个真正的内河客运工艺原型,内陆和沿海航行的路线模拟模型(15)已得到增强,包括评估电池电荷状态的安装上,考虑到实际电力需求在路线。的主要服务航线旅客工艺模拟,确保合规的电池组容量与手术的单位,考虑到需要有足够的能量完全执行服务在ZEM概要文件的能力。
由于验证和试验测量,所开发的仿真模型可以被认为是一个可靠的工具绿色工艺设计师用于新项目的早期设计阶段,为了评估ZEM船的性能。
2。工作环境
一个泻湖为导航提供一个特定的环境。由于领土的构象,泻湖内,可能有开放区域的特点是浅水没有侧局限性和小通道存在的地方16]。在第一种情况下,还有可能面对风力波发展在浅水区。的小通道,可以观察到电流的存在引起的潮汐变化或河口的存在(17]。所有这些方面使泻湖环境更难模型对标准内河(河流、渠道或湖泊),有更多的问题来解决一个合适的容器的设计。亚得里亚海北部地区,湖也很频繁,通常包括城市地区,例如著名的威尼斯泻湖。级的泻湖(见图1)是小相比,一个在威尼斯。然而,它提出了几个城市和旅游的兴趣点。此外,级的泻湖也直接与小通航河流,结合相关的问题与特定的泻湖的纯内河航行。由于小尺寸的泻湖,波的形成可以被认为是可以忽略不计,注册极端事件,不超过0.5米高的海浪18]。然而,相关方面海底和river-induced趋势不容忽视。如前所述,在级泻湖,有几个旅游的兴趣点,可以与对方通过可持续的绿色客运系统使用泻湖水道。
2.1。主要航线
先前的研究发现超过级的泻湖内一个可能的途径;他们之间,三是客运(参见图有趣2)。运输服务的主要枢纽级的村庄,和线路连接村庄的旅游地区Anfora迪波尔图足丝(路线1)和普里梅罗河(路线2)和阿奎莱亚⑥的考古区(路线3)。表1报告路线的主要特点,突显出长度,平均水深 ,最小水深 。
每个路线提出了一些特点由于特定的构象的泻湖在选定的曲目和基础设施,可以位于路线的结局。路线1是最长的一个。它开始在主大频道的泻湖通过较小的渠道和发展特点是浅吃水但没有特别重方面的局限性。此外,通过这种途径,有可能只在级安装岸电连接。因此,这条路线对电池容量的确定至关重要。路线2是最短的一个,主要在小窄渠道。在这里,承压水影响更相关,可能存在一些问题与船舶的操纵能力而不是范围。路线3是特殊的,因为到达阿奎莱亚⑥,最后一部分是在一个狭窄的河流。然而,在这种情况下,主要的问题是有关船舶的机动性。范围的问题是可以忽略的,可以安装一个岸边连接阿奎莱亚⑥。 Based on these considerations, Route 1 has been identified as the most critical for the vessel operation in ZEM navigation. Therefore, Route 1 has been selected by operators for the first tests on the passenger craft prototype.
3所示。乘客工艺
作为参考案例研究,一个客房内河船的客运级泻湖内被认为是(见图3)。环境单位面临运营期间的生活导致的必要性浅吃水和,因此,为了不丢失内部空间,平底。然而,船舶设计也在无限水域航行,可能达到最高时速超过10节。这两个问题指的是完全不同的水动力机制有不同的船体形式作为最优解。结果,最后的船型是一种妥协两单位应该履行的义务。在图4,身体计划允许看到两个操作配置文件导致的组合船型窄水线进入角减少兴波阻力,加上一个小通风,避免包括搁浅在浅水区。由于相对较高的设计速度,aft-body提出一种深深沉浸横梁不适合航行以低利率在浅水区。在艉鳍aft-body也在场,给课程保持稳定。表2总结了该船的主要特征,在图5总布置的概述。
3.1。推进和综合电力系统
操作的必要性与浅吃水不允许安装传统的推进系统与轴,螺旋桨和舵。而不是标准的解决方案,配置有两个电动可操纵的豆荚已经安装上,有一个固定螺距三叶的螺旋桨直径0.4米。采用这种系统意味着使用专用的造型的推进器,它不同于标准螺旋桨,是必要的和适当的精度估计推进电力需求在转移。需要一个绿色的概要文件的容器,建议采用全电动推进系统的解决方案。综合电力系统安装在满足能源需求,初步确定负载的粗略估计由于辅机安装上。在这种情况下,负载增加推进是由于操纵系统,控制,和电池充电器。操纵负荷,估计约0.5千瓦,可以添加到推进的。关于控制的,他们不相关,指的是一个独立的低电压24 V电路连接到一个专用的电池。第一上浆,设计师采用1千瓦的推进负载3节,7 kW 6节,假设深水条件。
根据上述初步考虑,由外部供应商提供的IPS乘客工艺导致低压直流(LVDC)分配制度,选择基本从容的电池组安装。48 V直流总线电压连接以下子系统:(我)柴油发电机的功率16千瓦(2)AC / DC电源转换器与LVDC总线接口的柴油发电机(3)2电池提供1124啊,53.95千瓦时(iv)2电池充电器充电电池内置生成器和岸边插件(v)2直流/交流电源转换器提供电动推进发动机的可操纵的豆荚(12每千瓦)(vi)2直流/交流电源转换器pods转向系统提供电力(七)2接触器配置ip
概述ip数据所示6和7,强调协调行动的两个接触器,可以获得不同的操作配置文件:(我)电池充电在岸边(2)推进与电池充电(3)ZEM推进
推进系统的设计目标是ZEM导航。为此,设计者准尺寸的电池包,以确保ZEM导航Grado-Porto足丝跟踪四旅行。参考速度,设计师认为是常数平均值5节,也保持一个常数水深2米。这导致电池放电的估计约25%的旅行。这种假设是简单的因为船速度和水深变化在旅行。为了这个目的,更好地评估电力需求,因此,电池的充电状态,有必要建立一个更详细的仿真模型的乘客工艺。
4所示。路由仿真模型
正如前面提到的,乘客根据工艺设计并确定尺寸一般指南,和没有特定的仿真进行了概念设计阶段。在本节中,主要为浅水操纵模型的细节和推进驱动器的造型将描述。概述全球给出仿真系统图8,而船舶仿真模型的细节图9。
4.1。操纵模型
捕捉和繁殖行为的船沿着特定的路线,在服务不仅需要模拟标准提前充分条件(如在早期的设计阶段执行船)也在转变过程中出现的所有中间状态操作。出于这样的原因,至少是三个自由度(3自由度)动力船的水平应该描述地下水位。在这里,下面的方程被用来描述船舶运动在水平面: 在哪里米船的质量,转动惯量在吗z设在,u和速度分量吗x -和y方向,r旋转的速度在吗z设在,(与我,我在 )添加的质量和转动惯量补充道。在方程(1),的力量X,Y和时刻N表达关于重心G根据图的参考系统10。在传统操纵模型,X,Y部队和N时刻分为具体的贡献由船体、螺旋桨和舵。这里的船是不配备常规舵+螺旋桨推进系统但可操纵的豆荚。因此,螺旋桨的贡献和淹没的豆荚的一部分可以被视为一个综合力量,修改系统方程(1)如下:
豆荚部队可以模仿从标准螺旋桨曲线,然后纠正模拟舱的存在住房用同样的方法用于模型可操纵的推进器在动态定位应用程序(19]。系统内的方程(2)集成4th考虑一个固定的时间步阶龙格-库塔方法0.01秒,足以充分捕获船动态。
4.2。水动力的力量
详细和准确的描述流体动力是至关重要的有一个可靠的乘客工艺模拟方法。特别是,一旦一个操纵模拟器开发,阻力在标准条件和上升的力量在操纵必须预测。在这种特定的情况下,考虑到工作环境在一个泻湖,预测复杂水动力部队的浅的附加效果和限制水域。发达国家可以以不同的方式管理水动力力量评估模型,从实证方法(20.)收养的力量来源于CFD计算(21]。在任何情况下,系统内的流体动力必须插入在方程(2)根据以下无量纲公式: 在哪里 , ,和的无量纲水动力导数可以从实证评估方法或来自CFD计算。赫尔维部队插入方程(2)然后得到如下: 在哪里V船的速度,是水的密度,l船的长度。如果一个浅水情况下应该调查,那么的微分方程(3),(4)和(5)应适当修正22]。CFD计算衍生品不需要进一步正确计算已经包括浅水造型。
方程(3)是指操纵力量,这意味着总阻力在考虑速度也应该被添加到方程。同时,阻力,统计方法可以用于首先对浅水效应估计和修正。在CFD派生的曲线,不需要校正。
在目前的研究中,使用了CFD计算测定的浅水操纵力和阻力。
如果有一个额外的当前存在于水中,它有一个效果只在粘性阻力的船的一部分,这意味着抵消当前没有影响船舶兴波阻力。在这种情况下,也纠正了考虑限制水的效果根据实现方法(23,24]。当前也影响操纵力,所以速度考虑方程(6),(7)和(8)也正在考虑当前的影响。
4.3。自动驾驶仪、转向和革命控制
模拟线路,一个简单的自动驾驶仪模型实现。路线是离散的路径点的船。路径点与纬度和经度值意义明确的确认。第一个航点的起始位置的路线,与容器的初始状态有关,这意味着初始速度航向和初始状态的所有驱动器和设备上。除了路径点,有必要提供速度剖面的自动驾驶仪,必须遵循。速度剖面可以实施与时间函数或离散阵列选择连续两个锚点之间的目标速度。在这项研究中,第二个选项被选中执行路由模拟。然后自动驾驶算法评估标题必须到达下一个路标和相关的目标速度。一旦船到达距离小于该船从路径,自动驾驶仪自动选择下一个路标作为目标。仿真停止当最后一个路标。
正如前面提到的,自动驾驶仪给作为输出目标航向和目标速度。这两个值传播转向系统和推进。每个系统是由两个控制器的PID型(25]。控制是基于瞬时错误e由实际值之间的差异,需要一个在每一个仿真时间步。然后改正实际值是评价根据以下公式: 在哪里 , ,和是控制常数误差成正比,导数,还是错误的积分e,分别。以下乘客工艺分析,进行了测试调优参数必须再现转向装置性能和传动系统。
4.4。IPS模式
提高乘客的详细的水动力模型开发工艺,添加了IPS的简化建模仿真。简化模型的评估全球系统中的功率流,将电池的电荷状态的有效功率需求推进器在ZEM导航。由于这样的原因,只有ZEM导航所涉及的组件配置文件被认为是:电动机和电池组。开发模型是基于功率平衡原则在不同的元素,考虑每个组件的效率根据制造商提供的数据。
这种造型已经选择主要有两个原因。首先,采用更复杂的方法来模拟电力系统需要更多细节的知识不是可用的组件和具体能力远离作者的科学和技术背景。第二,更详细的模型需要采用一个时间步低于必要的操纵,增加很多所需的总计算时间模拟一个完整的路线。
这两个电池是由12个铅酸电池的元素2 v和每个连接在系列600啊。采用模型(26是使电池放电模式,参考表示电池的非线性电压如下: 在哪里E0是恒压,问是啊,最大的电池容量我电池电流在吗一个,K是一个极化电阻 ,和是一个低通滤波电流。那么电荷状态(SOC)的电池可以评估在每个时间步根据以下公式:
优化电池模型,使用了电池的放电图。在图11的名义放电特征报告电池安装在一起与上述模型模拟数据。结果显示两条曲线之间的良好匹配。
关于电机,使用了由制造商提供的效率作为负载的函数。以这样一种方式,可以将螺旋桨吸收能力评估在操纵模型在电力电子模型。
4.5。模型验证
发达路由仿真模型复杂,结合几个方面的乘客工艺,推进和电气系统。此外,由于作者的背景海军建筑师的详细级别的不同的问题模拟不同,给予更多重视操纵和水动力部分电器元件。然而,有必要理解发达的可靠性模型。为此,使用了原型的数据测量的小乘客工艺,在路线航行级和波尔图足丝之间。执行的试验在设计吃水,对应的主要维度已经报道在表2。试验过程中,机载数据记录位置,速度,吸收功率和电池的充电状态。与GPS测量的位置,而其他数据来自机载仪表的讲座。同样的路线已经与发达模型,模拟设置作为输入参数的潮汐那天水平测量和强加在测试期间使用的速度剖面。
在图12之间的比较,提出了测量和模拟数据为选定的路线。特定的轨道,速度,吸收功率和电池SOC报告。乘客的速度剖面工艺复制因为测量数据作为输入的模拟实施相应的锚点。重要的是吸收功率的仿真,源自于水动力模型加上电机效率几乎是符合测量数据。同时,电池的SOC是在良好的协议与实测数据,即使提出电气系统是一个简化的模型。获得的数据相当一致的模拟,给出足够的信心对该方法的可靠性。
4.6。路线模拟结果
模拟数据与试验结果的比较突出的仿真模型适用于调查更详细的未来服务,乘客工艺将面临。试验与海岸警卫队进行特别协议,允许该船不尊重泻湖内的限速。然而,当该船执行运输服务,它将受到6节的速度限制在小的大型渠道和3节。在未来调查船将如何执行操作配置文件,所开发的仿真工具可以用来评估乘客工艺性能。在这个目的,限制由于速度限制被强加在所有三个选定的路线。特别是,路线1的第一部分追踪可以执行的最大速度6节。然后,当船进入小通道速度的目标是减少在3节。路线2,第一个和最后一个段的跟踪可以执行在6节。中间部分有尊重的极限3节的速度限制,还因为狭窄的通道。路线3,第一段是相同的按路线1泻湖的主要通道,考虑6节的最大速度。 Then the route continues through the main channel at 6 knots while entering into the Natissa river. Here the target speed should be reduced to 3 knots. All the routes have been simulated considering the lowest tide level that is possible to face in the lagoon, considering a counteracting tidal current of 0.5 knots in such a way to simulate the worst possible case for the passenger transport service.
模拟结果提出了数字13- - - - - -15对于路线1,分别路线2和路线3。在这些数据中,数据对应的吸收功率,船的速度,电池SOC。路线1,有趣的是怎样的速度剖面速度限制强加的泻湖影响电池的SOC的测试上执行相同的轨道。它可以注意到总旅行时间从1小时22分钟增加到1小时56分钟,平均速度较低。然而,电池SOC低在新的仿真,最终值的83.63%到87.93%的试验仿真。这表明,采用目标速度剖面的速度限制在泻湖不是最佳的船舶范围。这应该是在将来的研究中进一步研究专注于它。
关于其他模拟路线,它可以表示,最终的SOC总是高于路线的情况下1。有关操纵能力,能够按照既定的轨道没有问题。根据预测SOC在船的初步设计,最后SOC的最后考虑路线应该是75%,所以可能电池包安装在有点超大号的船职责的具体环境。然而,有效的确定SOC的路线可以给援助计划的在岸充电。
5。结论
采用全电动解决方案是一个不错的选择,使可持续发展在保护环境中导航,可用于交通限制流域内的乘客。特定环境由浅水域和狭窄的通道导致的需要提出一个足够精确的仿真模型来捕获水动力对船舶操纵性的影响,预测吸收功率和电池的充电状态。
本文提出了仿真模型的引用问题,一直在测试一个小乘客工艺级操作的泻湖。模型是按照测量数据上执行船舶原型,对操纵性能和能源需求。
基于验证模型,所有船的路线模拟,建立旅客的有效范围工艺在操作职责。结果的分析路线1强调了速度配置文件要求操作给少性能对速度剖面试验中采用相同的条件。这表明,进一步可以找到一个最优速度剖面优化船舶的范围选择的路线。
电气系统的简化模型,可以肯定的是,一个限制模型的电气部分的准确性。进一步的研究可以在这个意义上改善执行更多的能力为旅客工艺开发的模拟工具。
总之,尽管假设考虑电气仿真模型的一部分,它可以表示,建立了一个新的设计工具为了提供一个快速和可靠的评估ZEM表演的船,因为早期设计阶段。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持ZELAG(零排放导航拉古纳迪级)的研究项目,由自治Regione Friuli-Venezia-Giulia(意大利)POR-FESR(2014 - 2020年美国卫生工程师协会(asse) 1.3 b)。