新型绿色节能混合动力多体船的设计与研发

李伟朋?郝宁珺

摘要：本文将球鼻艏，球艉与小水线面多体船身结合，采用多种可再生清洁能源（风能、太阳能、波浪能等）作为混合动力，研发出满足真正意义的零碳排放船舶，从而有效解决船舶废气排放对海洋环境造成的影响。同时本船采用全新推進装置——吊舱式对转推进系统，以此来实现桨代舵，简化机械结构，达到环保目的。

关键词：绿色;多体船;节能;混合动力;吊舱式对转推进系统

1 引言

随着“海上丝绸之路”的建设与发展，航运业越来越受到重视，船舶作为海上的主要交通工具逐步成为社会关注的焦点。全球日益严峻的环境污染和能源匮乏的压力， 使船舶及航运业对环境污染的问题成为国际社会关注的焦点。国际海事组织（IMO）不断地提升船舶相关标准和人们环境意识的加强，使船舶行业向低碳绿色的方向发展。因此，绿色船舶的概念应际而生。如今，国内外对于绿色船舶的研究多集中在单一能源，并非最优化的应用模式，多种能源的综合利用及减排节能技术的结合才是重要的发展方向。

2 船舶特点

2.1五体船

本船的船体采用小水线面五体式，五体船由一个细长主船体两侧加上4个提供稳性的小浮体，船静浮时后侧两个浮体有稍许浸沉，前侧两个小浮体的龙骨线位于满载水线之上。

五体船船型具有如下几个显著特点：

（1）高速阻力小。高速时，船舶的兴波阻力随航速以近6次方的规律增长，而五体船瘦长主船体较大的长宽比（L/B）可以使兴波阻力降至极低。而后面一对侧体排水量占总排水量的比例通常不到10%，其阻力所占比重很小。

（2）适航性高。英国和挪威的研究机构（NGA公司和Marintek）开展的一系列针对不同航速、首向角和波频的模型试验均表明，大多数情况下五体船的耐波性要比单体船好，并且高海情下五体船的失速非常小。此外，与三体船相比，五体船高速航行时埋首现象发生的频率较低。

（3）稳性较好。与三体船相比，五体船的两对小浮体有助于提高船的破损稳性，当一个小浮体破舱进水后，船仍然能够保持稳定。另外通过灵活选择两对小浮体与主船体的纵横向相对位置，可以得到一个变化平缓的静稳性曲线。

（4）船体平台可提供宽敞的空间用来布置太阳能动力装置。 五体船加之与球艉和球鼻艏的创新结合，在保证型线光顺的前提下，充分提高船舶的各项性能。

本文以一艘传统典型交通艇为母型船，采用“母船改造法”即先确定主体尺度（主要是中横剖面）然后再根据改造前后吃水不变，以原船体中横剖面在设计水线以下的面积等于改造后船体水线以下面积的两倍，进行优化改造。

2.2船舶动力装置设计

围绕“绿色”这个主题，本船以电能为主要能源，波能，太阳能及风能为辅助能源，多种清洁能源在单船上进行系统集成和能量融合地使用，在保证“绿色”的同时，解决了纯电能驱动续航性差及单一清洁能源受环境因素制约的问题。多能源的统筹协调驱使着我们的船舶驶向更远的彼岸。

2.2.1波能

在船侧四个附体靠近船首一侧设置如同海豚鳍板一样的“振荡鳍”，此装置在船舶航行时，受船舶前进及海浪的波浪作用，来回摆动收集机械能，并将其转化为电能，储存在储能设备中。

2.2.2太阳能

船的顶层上放置两幅巨型的铝帆，在顶层后方再放置一幅巨型的铝帆，可用电力和液压将其折叠或展开，并能调整与水平面及垂直面的角度，铝帆的一面布置有太阳能板，用于在晴朗天气，在不阻碍船舶正常航行的情况下，收集太阳能并储存于船舶的储能设备中。

2.2.3风能

船上所设的铝帆，在有风时可作为风帆，以风力作为辅助动力，风帆可根据风向及航向调整与风向角度，当风向不利于船舶航行时，将铝帆折叠收起。受自然因素的影响，风能应用于本船舶，作为辅助能源。

2.2.4电能

在电能方面，以锂电池+超级电容的形式，超级电容的采用缩短了充电时间，且功率密度高，在同样的设备质量下，功率相当于电池的5到10倍，间接节约了船舶空间，而且在在生产、使用、回收时均不产生污染，符合本项目的宗旨“绿色”。其次还配有储能设备，用于收集波能及太阳能所转化成的电能，在船舶航行期间，当储能设备储存电能达到某一设定值时，储能设备将对超级电容充电，也可手动实现。因为船上生活用电需储能设备提供，所以储能设备有电能储存最小值，用于保障船舶生活用电。

2.3船舶推进装置设计

本船采用吊舱式对转推进系统作为动力装置，吊舱式对转推进系统，就是将可操纵的吊舱模块安装在标准螺旋桨之后，两桨布置在同一轴线上，但两桨之间没有任何物理连接。这样做的好处不但可以高效推进，而且起着舵的作用，还简化了机械结构，节约了材料的使用，同时优化了原动机的负荷，降低了废气排放。在运作的过程中提高了推进效率，延长了推进系统的使用时间，并且减少动力能源的浪费，达到绿色环保的目的。

3结语

此设计围绕“绿色”核心从能源、船型及节能三方面出发，能源采用多种清洁能源混合动力，船型采用小水面型多体船，节能方面从提高推进效率和减小阻力两方面优化改进。设计出一艘真正实现废气污染物及PM2.5颗粒零排放的船舶。在能源越来越紧缺的今天，“绿色”船舶的出现符合时代的需求，是大势所趋。望本设计能给更多的人灵感，共同推动船舶行业以及社会的发展。

课题项目：

国家级（天津市级）大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号140382019060）