بخشی از مقاله
چکیده
تکیه بر سوختهای کنونی و فناوریهای موجود در وسایل نقلیه در سالهای اخیر منجر به یک چالش بزرگ در رابطه با آلودگی هوا، انتشار گازهای گلخانهای، تامین امنیت انرژی و همچنین مواجهه با منابع رو به اتمام سوختهای فسیلی شده است. سیستمهای پیشرانش هیبریدی امروزه یکی از راهکارهایی است که در بسیاری از کشورها برای حل این معضل دنبال میشود. در این مقاله پس از معرفی سیستم شناور هیبریدی، طراحی مفهومی و تعیین سیستم هیبریدی مناسب برای شناورهای سطحی مورد بررسی قرار گرفته است.
سپس محاسبات و روابط حاکم بر سیستم هیبرید موازی شناور سطحی ارائه گردیده است. همچنین مدلسازی آن با استفاده از نرمافزار ADVSIOR اجرا شده در پلتفرم سیمولینک برنامه متلب برای دو سیستم شناور عادی و هیبریدی انجام شده است. نتایج نشان میدهد که شناور سطحی هیبرید مواز ی سبب بهبود %7 در بازدهی کلی و %7/1در مقدار مصرف سوحت شده است. همچنین آلایندگی ناشی از HC و CO بهترتیب به میزان %0/44 و %0/39 کاهش پیدا کرده است.
مقدمه
در دهههای اخیر، تحقیق و توسعه در زمینه حمل و نقل بر توسعه حمل و نقل پربازده، پاک و ایمن تاکید دارد. در زمینه حمل و نقل دریایی، شرکتها و ارگانهای مختلفی در سراسر جهان - همانند نیروی دریایی ایالات متحده، بتا مارین ، هیبرید مارین و اِستیر موتور - نمونههایی از موتورها و شناورهای هیبریدی خود را ارائه نمودهاند که این نشان از اهمیت این موضوع در سطح جهانی دارد .[1-7] معمولا دستهبندی سیستمهای پیشرانش هیبریدی به لحاظ نحوه چیدمان سامانه تامین توان، درجه هیبریدشدن و نوع سوخت مصرفی صورت میگیرد. از نقطه نظر چیدمان سامانه تامین توان، سیستمهای پیشرانش هیبریدی به سه دسته موازی، سری و ترکیِب سری - موازی تقسیم میگردند.
در سیستم پیشرانش هیبرییِد موازی، هر دو سامانه تولید توان به طور مستقیم به سیستم انتقال قدرت متصل شدهاند، بنابراین امکان استفاده همزمان از هر دوی آنها وجود دارد. در سیستمهای پیشرانش هیبرییِد سری، در صورتی که از باتری برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده شود، به عنوان منبع انرژی سیستمهای پیشرانش عمل کرده و موتور احتراق داخلی، پیل سوختی یا موتور دیزل وظیفه شارژ نمودن را به عهده دارند. سیستم هیبرید سری- موازی، ترکیبی از هیبردِی سری و موازی میباشد. به لحاظ درجه هیبرید شدن، سیستمهای پیشرانش هیبریدی به سه نوع هیبرید کامل، هیبرید میکرو و هیبرید معتدل تقسیم میشوند که هریک نشاندهنده میزانی از درگیری سامانه تامین توان اصلی و فرعی است.
فناوری سیستم پیشرانش هیبریدی یک فناوری نوپا در ایران محسوب میشود و به لحاظ طراحی، ساخت و توسعه این گونه سیستمها، در ایران به جز در سالهای اخیر پروژه یا طرح صنعتی خاصی انجام نگرفته است. تعدادی از پروژههایی که در زمینه ساخت وسایل نقلیه هیبریدی صورت گرفته، عبارتند از موتور سیکلت هیبریدی، مینیبوس هیبریدی پیل سوختی، سمند سورن هیبریدی پیل سوختی و قایق تفریحی با سیستم رانش هیبرید خورشیدی . این در حالی است که تقریبا 50 شرکت سازنده شناور در جهان دارای یک شناور الکتریکی یا هیبریدی میباشند. برخی از این سازندگان چندین مدل متفاوت موجود در بازار دارند، در حالیکه بقیه سازندگان، نمونههای آزمایشی با استانداردهای متفاوت را توسعه دادهاند .[8-10]
انواع شناورهای توسعه داده شده به لحاظ کاربرد میتواند قایق بادبانی، قایق تفریحی موتوری و یا قایقهای موتوری تجاری باشند. تعداد زیادی از قایقهای بادبانی تولید شده هیبرید سری هستند به طوری که از چیدمانهای دیگر در این حوزه معمولتر میباشند. در کل، ترکیبی از انرژیهای تجدیدپذیر خورشید یا باد برای چیدمان تمام این گونه سیستمها به کار میرود. در دسته قایقهای تفریحی موتوری تعداد 36 سازنده مختلف وجود دارد که 15تای آنها به تولید شناور باتری/الکتریکی، 5تای آنها هیبرید سری و 16تای آنها سازندگان نوع هیبرید موازی این قایقها هستند. این قایقها موتورهای DC سادهای دارند که اغلب 36 ولت هستند. فناوری ساخت این گونه قایقها از روی ماشینهای گلف، کپیبرداری شده است.
این شناورها به باتریهایی با اندازه و وزن مناسب مجهز شدهاند . متداولترین نوع باتری استفاده شده در این شناورها، باتریهای لیتیوم-یون میباشد. موتورهای الکتریک آنها از 25 تا 70 کیلووات توان دارند و به طور سری یا منفرد میتوانند عمل کنند. ولتاژ سیستم از 96 تا 640 ولت قابل تغییر میباشد. سازندگان مطرح در این دسته دو شرکت اتریشیفِراشر و آستریان ماریانبُت هستند که هرکدام از آنها حداقل 5 مدل کروز الکتریکی با محدوده طولی بین 5 تا 7 متر دارند. سه نوع کلی شناور هیبرید سری در شناورهای موتوری تفریحی وجود دارد؛ شناورهای با طول بیش از 50 متر، شناورهای با طول 5 تا 7 متر و شناورهای مفهومی آینده. قایقهای موتوری تفریحی هیبرید موازیاکثراً کروزرهای روزانه با طول 7 تا 10متر و اساساً دارای دو نوع چیدمان هیبرید موازی هستند:
· یک موتور الکتریکی بین موتور احتراق داخلی و سیستم انتقال قدرت روی محور بیرون رونده نصب شده است - موتور الکتریکی چرخ طیار - .
· یک سیستم پیشرانش باتری / الکتریکی منفرد بهطور جداگانه از سیستم تولید توان مکانیکی دیزل متداول نصب شده است.
به عنوان نمونهای از این دست شناورها، قایق هیبریدی گرینلاین 33 فوتساختی شرکت سِگوِی در نمایشگاه قایق دوسلدورف به عنوان قایق توانمند سال 2010 انتخاب شد. به علاوه سیستم پیشرانش هیبریدی، این قایق دارای طراحی خاص بدنه و یک صفحه بزرگ خورشیدی بر روی سقف آن میباشد. غالب بازار قایق موتوریِ تجاری، شامل حمل و نقل مسافری میشود. سایر موارد مربوط به کاربردهای نظامی و غریق نجات است. سازندگان این نوع از قایقها تقریبا به طور یکسانازسه نوعِ ممکنِ هیبرید، تولید میکنند .[18-19]
در زمینه نظامی تاکنون نیروی دریایی ایالات متحده موفق شده از اولین شناور هیبریدی خود بهره برداری کند. شناور مکین ایسلند به عنوان اولین شناور هیبریدی این نیرو به حساب میآید که بخشی از توان آن توسط سیستم هیبرید توربین گاز-الکتریک و بخشی توسط دیزل-الکتریک تامین میشود. تقریبا در %70 اوقات، این کشتی از پیشرانش دیزل-الکتریک استفاده کرده و سوخت کمتری مصرف میکند، چون موتورهای دیزل برای سرعت کروز بهینه عمل کرده و سوخت کمتری نسبت به توربین گاز مصرف میکنند. .[20-24]
طراحی مفهومی شناور هیبریدی
چیدمانهای مختلفی برای یک سیستم هیبرید دیزلی میتواند وجود داشته باشد؛ هیبرید موازی، سری یا ترکیبی. بر اساس این واقعیت که وسایل نقلیه دیزلی میتوانند به مصرف سوخت کمتری دست پیدا کنند، بازدهی سوخت در وسایل نقلیه هیبرید دیزلی بهتر از نوع بنزینی آن خواهد بود .[8] انواع سیستمهای پاکی که قابلیت هیبرید شدن با موتور دیزل شناور را دارند مزایا و معایب خود را برای بکارگیری در شناور هیبریدی دارا هستند که کارکرد پاک و مناسب شناور را تضمین خواهند کرد. برخی از مهمترین سیستمهای هیبریدی عبارتند از:
· توربین گاز
· موتور بیودیزل
· موتور احتراق داخلی بیوگاز
· موتور استرلینگ
· پیل سوختی
· موتور احتراق داخلی هیدروژنی
· سلولهای فوتوولتاییک
· توربین باد
· باتری و موتور الکتریکی
برای افزایش قدرت و سرعت شناورهای مجهز به موتور دیزل، میتوان این سیستمها را با توربینهای گازی هیبرید نمود. به دلیل اینکه توربین گازی مقیاسپذیر نیست و در هر اندازهای نمیتواندساخته شود، معمولاً چنین هیبریدی برای پیشرانش شناورها یا کشتیهای بزرگ استفاده میشود. در رابطه با موتور بیودیزل به علت مشکلاتی که برای استفاده از بیودیزل در موتورهای دیزل معمولی وجود دارد، استفاده مستقیم از بیودیزل در موتور دیزل شناور گزینه مناسبی برای استفاده از بیودیزل نخواهد بود. باید در نظر داشت که مشکلات تولید این سوخت، ظرفیت لازم برای استفاده از آن و هزینههای تولید و همچنین هزینههای جانبی استفاده از آن مساله مهمی است که سد راه تجاری شدن و استفاده وسیع از آن قرار گرفته است.
با بررسی موتور بیوگاز میتوان دید که اگرچه بیوگاز از سوخت ارزان و پاک برای پیشرانش استفاده میکند اما محتوی بالای CO2 در بیوگاز توان خروجی از موتور را کاهش خواهد داد. همچنین به علت وجود H2S اسیدی و رطوبت بالای ته نشین، کارکرد موتور دچار مشکلاتی خواهد شد. در رابطه با موتور استرلینگ میتوان گفت توسعه این موتور با اندازه بزرگ و فشار بالا دشوار است، بنابراین احتمال کمی وجود دارد که موتور استرلینگ به عنوان تنها پیشران یک کشتی بزرگ به کار گرفته شود. از طرفی، بازدهی حرارتی یک موتور دیزل دریایی با اندازه بزرگ زیاد است و افزایش این بازدهی در آیندهای نزدیک بسیار دشوار خواهد بود.
تجارب عملیاتی نشان داده است که فناوری پیل سوختی در محیط دریایی کارکرد خوبی دارد، قبل از اینکه پیل سوختی بتواند به عنوان یک سیستمپربازده و پاکِ تولید توان با فناوریهای امروزی برای شناورها رقابت کند لازم است که تحقیق و توسعه بیشتری در این زمینه انجام پذیرد، چون هزینههای تحمیلی این سیستم هنوز به لحاظ اقتصادی توجیه پذیر نمیباشد. در رابطه با موتور احتراق داخلی هیدروژنی هزینه تولید و ذخیره هیدورژن، سیستمهای جانبی و مسائل ایمنی، مشکلات بر سر راه شناور هیبریدی مورد نظر میباشند.
در حالی که بزرگترین مشکل استفاده از سلولهای خورشیدی برای استفاده به عنوان سیستم تامین توان جانبی، عدم پایدار بودن آن - قابلیت اطمینان کم برای سیستم - میباشد، محدودیت سرعت عملکردی، مشکل اساسی توربینهای بادی است. سیستم باتری/موتور الکتریکی علاوه بر پایداری، ظرفیت بالا، مقیاسپذیری، آلایندگی صوتی و زیست محیطی بسیار کم، بازدهی بالایی دارد و بنابراین میتوان بهترین گزینه برای توسعه شناورهای هیبریدی باشد.
چیدمان منتخب سیستم هیبریدی
در یک هیبرید موازی، اجزای الکتریکی سبکتر، کوچکتر و در نتیجه به طور قابل ملاحظهای ارزانتر از اجزای الکتریکی یک هیبرید سری خواهد بود. این موضوع باعث میشود در هزینه و ترکیب، سیستم هیبرید موازی از سری پیش بیفتد و به همین دلیل است که امروزه کارخانههای ساخت شناور تمرکز بیشتری برای ساخت شناورهای هیبرید موازی داشتهاند. بنابراین سیستم هیبرید موازی دیزل/الکتریکی یک سیستم مناسب برای هیبریداسیون شناور خواهد بود.
مدل سازی شناور هیبریدی
معادلات و محاسبات شناور هیبریدی شامل محاسبات مربوط به پیشرانش شناور، مصرف توان الکتریکی، موتور دیزل، باتری، جعبهدنده و مقاومت هیدرودینامیکی خواهد بود. محاسبات پیشرانش شناور هیبریدی شامل دو معادله دیفرانسیل معمولی است.
