超级电容渡船—城市内河交通新构想

马浩然，管义锋，胡晨澍，颜峥嵘，徐 恬

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003）

超级电容渡船—城市内河交通新构想

马浩然，管义锋，胡晨澍，颜峥嵘，徐 恬

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003）

提出了一种将超级电容与渡船相结合的构想，通过对超级电容的特性和渡船航行特点的介绍，诠释了超级电容渡船的内涵，并在这个基础上对其可行性及实用性进行了分析，具有一定的参考价值。

渡船；超级电容；内河交通

0 引言

渡船是城市内河水运交通中的重要角色，同时也是城市污染来源之一。随着现代社会对环保和节能要求的提高，需要对传统意义上的渡船进行改造。其中，电动渡船是最具有潜力的节能环保型船舶，而超级电容内河渡船是一种适合渡船线路特点的新型电动渡船，具有很大的应用前景。超级电容内河渡船完全以超级电容为动力源，具有充电速度快、循环寿命长、充放电效率高、安全系数大及绿色环保、长期使用免维护等优点，适合大中城市内河交通的短距离固定路线。鉴于此，本文将超级电容的特性与渡船的航行特点相结合，用渡船的相对短途航行特点来弥补超级电容放电快，体积大的缺点，从而促成了一个契机，开发出具有实用性和创新性的超级电容渡船。

1 超级电容

随着石油资源的日趋短缺，以及燃烧石油产生的尾气排放对环境的污染越来越严重，研究能替代内燃机的新型能源装置成为当下的一个热门。虽然混合动力电池、燃料电池、化学电池等产品不断被开发研究，并取得了一定成果，但是由于它们存在的使用寿命短、温度特性差、污染环境及系统复杂等一些重大弱点，一直没有很好的方法加以解决。而超级电容器则以其优异的特性异军突起，因为其具有充电时间少、容量大、温度特性好、安全系数大、使用寿命长和节能环保等特点。超级电容电池是通过极化电解质来储能的，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。由于在其储能的过程中并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，所以超级电容器可反复充放电达数十万次。其基本原理和其他种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。超级电容目前在新能源汽车中已有广泛使用，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。

2 超级电容渡船

本文构述的超级电容内河渡船是将超级电容作为动力装置应用到渡船上来,将渡船短程航行及强调安全性的特点来弥补超级电容的放电速率高的缺点，极大的提高了船舶的安全性、环保性，能够节省大量化石能源的使用，减少CO2排放，并能从长远意义上为航运公司带来很大收益。该船采用双体船型，由两细长片体和连接桥架构成，保证了船舶的稳性；具有可旋转的双桨推进器，可在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，提高了船舶的操纵性和机动性；减少驱动系统(电动机和变流器)的单机容量；去除了尾轴、减速器和舵机等，简化安装和节省船舱空间，使船体设计和空间布置灵活；降低船舶振动和噪音；减少船体阻力10%左右，提高运输效率达15%(包括：提高航速、降低油耗和减少造价)；在船中部安置超级电容电池组，由于其体积较大，故也提升了船舶的稳性，减少了横摇。

2.1 超级电容渡船基本系统

超级电容渡船的基本系统可分为4个子系统：主能源系统、辅助控制系统、电力驱动系统及充电控制系统。具体而言，主能源子系统由超级电容器、能量管理系统构成；辅助控制子系统为渡船提供动力转向、船上用电以及辅助装置的动力供给等功能；电力驱动子系统由电子单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和螺旋桨组成。充电控制系统由充电升降机构、主从控制器和充电器等构成。根据从制动踏板和加速踏板输入的信号电机控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断。

2.1.1 主能源系统

主能源系统图，如图1所示。

图1 主能源系统图

2.1.2 辅助控制系统

具有可旋转的双桨推进器，可在任何需要的方向产生推力。另设，一台90kW的应急发电机组，在超级电容器出故障或电力不足等紧急情况下保证船舶的正常航行。

2.1.3 电力系统

简要工作原理:主变压器与驱动器、超级电容组和计算机成了一个变频电源主回路，通过整流器、稳压电容向主电机提供所需的直流稳压电源。另一方面，计算机通过超级电容、恒流源和稳压电容、输出电路、线性放大分别检测比较超级电容电压变动和主电机电压变动，实时进行变频脉宽调节，从而实现超宽幅稳压的目标，即超级电容电压宽幅变化和负载较大时，仍能向主电机提供恒定的工作电压。

2.1.4 充电控制系统

1）船体超级电容匹配设计

对于30m左右的内河渡船，经测算得出所匹配的超级电容使用方案，如表1所示。

表1 超级电容使用方案

2）船体充电系统

目前研究的充电系统分为两种，一种是感应式充电，另一种是接触式充电。感应充电是利用电磁感应原理通过非接触的耦合方式进行能量传递从而充电。而在接触式充电系统中，通常在船身上设计一个接触拱，通过与船坞或码头的充电元件相接触，接触拱便可获得瞬时高电流从而进行充电。在实践操纵中，由渡船工作人员将充电装置搬下来，插到码头的充电器中充电。根据大小不同，充电10s～10min即可达到超级电容额定容量的 95%以上，因此充电过程完全可在渡船上下客的时间内进行，不会耗费额外时间，这也是普通电力推进渡船所无法比拟的。

目前研究的充电系统分为两种，一种是感应式充电，另一种是接触式充电。感应充电是利用电磁感应原理通过非接触的耦合方式进行能量传递从而充电。而在接触式充电系统中，通常在船身上设计一个接触拱，通过与船坞或码头的充电元件相接触，接触拱便可获得瞬时高电流从而进行充电。在实践操纵中，由渡船工作人员将充电装置搬下来，插到码头的充电器中充电。根据大小不同，充电10s～10min即可达到超级电容额定容量的 95%以上，因此充电过程完全可在渡船上下客的时间内进行，不会耗费额外时间，这也是普通电力推进渡船所无法比拟的。

3 超级电容渡船与传统渡船的比较

3.1 超级电容渡船的竞争优势

图2为超级电容渡船和传统柴油机渡船结构。

超级电容渡船

螺旋桨 ←电动机←超级电容电池组

传统柴油机渡船

图2 超级电容渡船和传统柴油机渡船结构

1）操纵灵活，安全性高

主船体采用可调桨，即主推进器可调节，对不同的情况可产生不同大小的推力，满足船舶操纵和推进的要求。因而当船舶靠岸时将会更加地方便、安全。对于城市内河这样的水域情况，超级电容电池组+双可调桨的组合在渡船靠岸时，其对船体运动的控制能力明显，保证了渡船这种频繁靠离码头船舶的安全。

2）故障率更低，维护方便

由于使用全电力推进系统，相对于柴油机推进系统机械零部件要少得多，而且超级电容电池寿命特别长(理论10年～20年)，长期使用免维护，不受气温影响，可多次反复充电达数十万次。

3）船型得到优化，布置更灵活，能耗降低

由于取消了传统的轴系和舵系，能使船体尾部线形不再受传统舵系的约束，故可按照流体力学的客观知识加以优化；机舱布置也不再受传统轴系的约束，动力装置的布置更加灵活，从而可提高舱内空间的利用率，使单次载客量增加，因而使总体能耗降低，收入增加。

4）环保性好

超级电容电池完全是物理反应供电，全程无污染。对于传统渡轮来说，以从江苏镇江到扬州为例，假设渡轮的双主机功率为2×200kw，油耗210g/(kw•h)，镇江到扬州以30min/次出发，每次航行15min，夜间不出航，则按12h计算；一天航行时间：2×12=24次，则15min的渡船航行一天需要的柴油量为：

400×(15/60)×24×210/1000=504kg

渡轮燃油以柴油(16烷)计算，1kg的柴油所产生CO2的质量为：

1×192/226×44/12=3.115kg

轮渡一年所消耗柴油产生的CO2体积为：

365×504×(3.115/1.977)=289851m3

而超级电容渡船将很少或者几乎不产生CO2气体，将会给环保带来很大贡献。

5）营运成本低，经济性好。

6）振动小，噪音低

超级电容渡船的推进系统机械零件少、噪音小、运转较平稳，增加了旅客的舒适度。减少了机械零件和电器元件的损坏，降低了维护周期及费用，提高了船舶的使用寿命，同时，在航行时具有低转速、大转矩的优良性能。

3.2 SWOT分析

表2 SWOT表分析

4 结论

要使超级电容渡船能够真正投产运营，需要解决的最主要问题就是它的配套充电系统及相关码头设施。现已生产出能与超级电容渡船匹配的超级电容，但唯一的问题就是目前国内生产电容的成本较高，因此建造超级电容渡船的成本也相对较高。 但是随着科技的进步和社会的发展，超级电容的造价必然会降低，并且伴随着超级电容渡船试点的成功运营及柴油船改造为超级电容船的技术成熟，超级电容渡船的市场占有率将会大幅提高，其作为一种新的内河交通工具也会被越来，越多的航运公司使用并继续发展。相信不久的将来超级电容渡船将会从城市内河交通的一种构想变成现实航行于我国的各个流域，绽放它的风采。

致谢：使用的超级电容电池组由上海奥威科技开发有限公司提供，感谢他们对本项目的支持与帮助。

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致谢：本文使用的超级电容电池组由上海奥威科技开发有限公司提供，感谢他们对本项目的支持与帮助

Ultracapacitor Ferry—New Concept of Urban Inland River Transport

MA Hao-ran,GUAN Yi-feng,HU Chen-shu,YAN Zheng-rong,XU Tian
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212000,China)

A new concept which combines the ultracapcacitor with the ferry is proposed .The meaning of Ultracapacitor ferry by presenting the performance of ultracapacitor and the sailing feature of ferry is introduced.The feasibility and practicability on these bases is analyzed.It also has some practical and reference value.

ferry; ultracapacitor; inland river transport

TV52

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.007

马浩然（1993-），男，本科在读，研究方向：船舶制造。