Σχεδίαση πλήρως εξηλεκτρισμένου πλοίου

 

Άρθρο του Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη*

«Ηλεκτροπρόωση» ονομάζεται το είδος της πρόωσης το οποίο προκύπτει από την ύπαρξη ηλεκτροκινητήρων που συνδέονται στον κύριο ελικοφόρο άξονα με σχέση μετάδοσης κίνησης:

  • Ένα προς ένα (1:1).
  • Μειωμένη, χρησιμοποιώντας μειωτήρα στροφών (σπανιότερη χρήση).

Για να θεωρείται αμιγής (καθαρή) η ηλεκτροπρόωση, δεν θα πρέπει να υπάρχουν άλλου είδους μηχανές, όπως δίχρονοι ή τετράχρονοι πετρελαιοκινητήρες, αεριοστρόβιλοι ή ατμοστρόβιλοι, εκτός αν αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για τη λειτουργία αξονικής γεννήτριας του πλοίου.

Βάσει των σύγχρονων τάσεων, οδηγούμαστε σε πλήρη εξηλεκτρισμό όλων των εγκατεστημένων υποσυστημάτων. Η επικρατούσα ορολογία είναι το «πλήρως εξηλεκτρισμένο πλοίο [ΠΕΠ]», βασιζόμενη στην αντίστοιχη διεθνή ορολογία «All Electric Ship [AES]», αυξάνοντας τη σημασία του συστήματος της ηλεκτρικής ισχύος του πλοίου και της εύρυθμης λειτουργίας του για:

  • Ομαλή και ασφαλή πλεύση του.
  • Επιβίωση του πλοίου, του πληρώματος και των επιβατών του.

Σχεδίαση και κατασκευή

Στη βιβλιογραφία μπορούμε να βρούμε αρκετές μεθοδολογίες σχεδίασης, αλλά οι τρεις περισσότερο σχετικές είναι:

Η σπειροειδής διαδικασία σχεδίασης (Design Spiral).

Η συνεργατική ταυτόχρονη σχεδίαση (Collaborative Concurrent Design).

Η σχεδίαση εξερεύνησης του χώρου λύσεων (Design Space Exploration).

Η απλούστερη από αυτές είναι η πρώτη, η οποία εισάγει τη διαδοχική εκτέλεση όλων των σχεδιαστικών δραστηριοτήτων από το γενικότερο προς τα πιο λεπτομερειακά επίπεδα υλοποίησης.

Για τη μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή ή μετασκευή ενός πλήρως εξηλεκτρισμένου πλοίου θα πρέπει να ακολουθούνται τα παρακάτω στάδια και να καθορίζονται:

  1. Το είδος των κινητήριων μηχανών (ηλεκτρικοί κινητήρες).
  2. Το είδος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας (συσσωρευτές ή/και ηλεκτροχημικές κυψέλες καυσίμου [fuel-cells, για υποβρύχια]).
  3. Τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού δικτύου και συγκεκριμένα:
  4. Το είδος του δικτύου (DC, AC).
  5. Η τιμή της ηλεκτρικής τάσης παραγωγής και διανομής της ηλεκτρικής ισχύος.
  6. Ο αριθμός και το είδος των γεννητριών.
  7. Η παράλληλη ή μη λειτουργία των γεννητριών.
  8. Το ποσοστό αυτοματισμού όσον αφορά:
  9. Τη λειτουργία.
  10. Τη φόρτωση.

iii. Τον παραλληλισμό.

  1. Την κράτηση των γεννητριών.
  2. Ο αριθμός και το είδος των κινητήρων προώσεως. Συγκεκριμένα, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά που εξετάζονται είναι:
  3. Η μέγιστη ισχύς.
  4. Ο όγκος και το βάρος ανά μονάδα ισχύος.

iii. Ο μέσος χρόνος μεταξύ επισκευών και βλαβών.

  1. Ο βαθμός αποδόσεως (αποδοτικότητα).
  2. Το είδος ελέγχου – χειρισμού των κινητήρων προώσεως.
  3. Το είδος των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος.
  4. Η σχεδίαση της διάταξης του ηλεκτρικού δικτύου. Συγκεκριμένα πρέπει να καθορίζεται:
  5. Εάν θα υπάρχει διάκριση ανάμεσα στα ηλεκτρικά φορτία του πλοίου, άρα και στα ηλεκτρικά δίκτυα, σε φορτία πρόωσης και στα λοιπά. Το ζήτημα έχει να κάνει και με το βαθμό εξηλεκτρισμού του πλοίου, καθώς η σχέση του ηλεκτρικού δικτύου πρόωσης με το ηλεκτρικό δίκτυο χρήσης μπορεί να είναι μία από τις παρακάτω:

α) Τα δύο δίκτυα να μην εξαρτώνται το ένα από το άλλο, δηλαδή το καθένα να εξυπηρετείται από δικές του γεννήτριες και να μη συνδέονται μεταξύ τους ή αν υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης, αυτή να είναι μόνο για κατάσταση ανάγκης.

β) Να είναι διακριτά, αλλά να υπάρχει σύνδεση μεταξύ τους, οπότε το ένα από τα δύο να μπορεί να τροφοδοτείται και από το άλλο.

γ) Να είναι ενοποιημένα σε ένα κοινό ηλεκτρικό δίκτυο, οπότε οδηγούμαστε στο «πλήρως εξηλεκτρισμένο πλοίο» (All Electric Ship [A.E.S.]) και είναι δυνατή η βελτιστοποίηση της εκμετάλλευσης των πλεονεκτημάτων της ηλεκτροπρόωσης.

  1. Στην περίπτωση που τα δύο δίκτυα συνδέονται, εξετάζεται η επιλογή του τρόπου σύνδεσης (απευθείας μέσω πινάκων, μέσω αντιστροφέων [inverters] ή άλλου μετατροπέα ηλεκτρονικών ισχύος [power converter], μέσω ζεύγους κινητήρα – γεννήτριας, μέσω μετασχηματιστών κλπ.).

iii. Από ποιο δίκτυο τροφοδοτούνται τα βοηθητικά συστήματα πρόωσης (π.χ. τα συστήματα ελέγχου – χειρισμού, ψύξης, λίπανσης).

  1. Ο τρόπος με τον οποίο θα διασφαλίζεται η ποιότητα ισχύος του ηλεκτρικού δικτύου όσον αφορά την τάση και τη συχνότητα (θόρυβος – αρμονική παραμόρφωση) και ειδικά του δικτύου χρήσης, όταν αυτό συνδέεται με το δίκτυο πρόωσης. Ως κύρια πηγή δημιουργίας αρμονικών αναφέρονται τα ηλεκτρονικά ισχύος των ηλεκτροκινητήρων. Η ποιότητα των ηλεκτρικών δικτύων (συχνότητα, αρμονικές τάσεως, ταχείες διαταραχές τάσεως κλπ.) καθορίζεται από τις διάφορες προδιαγραφές και τους νηογνώμονες. Οι προδιαγραφές αυτές αφορούν μόνο το δίκτυο χρήσης του πλοίου, δηλαδή φορτία που δεν σχετίζονται με την πρόωση. Στις περιπτώσεις ανεξάρτητου δικτύου πρόωσης δεν υπάρχουν προς το παρόν ιδιαίτερες απαιτήσεις ποιότητας για τα φορτία της πρόωσης. Αν όμως το ηλεκτρικό δίκτυο είναι ενοποιημένο, πρέπει ή και το δίκτυο της πρόωσης να ικανοποιεί τις ίδιες απαιτήσεις ποιότητας, ή να λαμβάνεται μέριμνα ώστε τυχόν «διαταραχές» στο δίκτυο πρόωσης να μην επηρεάζουν το δίκτυο χρήσης. Για δίκτυα συνεχούς ρεύματος δεν υπάρχουν ακόμη εν γένει ιδιαίτερες απαιτήσεις ποιότητας.
  2. Εάν η διάταξη του ηλεκτρικού δικτύου μεγιστοποιεί τη βιωσιμότητα του πλοίου.
  3. Οι ελάχιστες απαιτήσεις σε καταστάσεις ανάγκης. Για παράδειγμα, μπορεί να απαιτείται:
  • Εκκίνηση κινητήρα πρόωσης με μια μόνο γεννήτρια σε λειτουργική κατάσταση.
  • Δυνατότητα τροφοδότησης του ενός δικτύου από το άλλο.
  • Δυνατότητα ενός μόνο κινητήρα να κινήσει το πλοίο με μια ελάχιστη ταχύτητα.
  • Δυνατότητα της γεννήτριας να μπορεί να παρέχει τα φορτία ανάγκης και ταυτόχρονα να κινήσει το πλοίο με μια μικρή ταχύτητα (3 – 5 κόμβους).
  1. Η χωροθέτηση, ο τρόπος έδρασης και ο φυσικός διαχωρισμός των μηχανημάτων, όπως για παράδειγμα:
  2. Των πινάκων ηλεκτρικού δικτύου προώσεως και των πινάκων ηλεκτρικού δικτύου χρήσεως.
  3. Των κινητήρων προώσεως και των ηλεκτρονικών διατάξεων οδήγησής τους.

Οι γενικότεροι κανόνες που πρέπει να ακολουθούνται είναι οι εξής:

α. Αν υπάρχει αρκετός χώρος, πρέπει οι πίνακες πρόωσης και χρήσης να διαχωρίζονται φυσικά.

β. Οι κινητήρες και οι αντίστοιχοι αντιστροφείς (inverters) πρέπει να τοποθετούνται σε διαφορετικούς στεγανούς τομείς.

γ. Οι μετατροπείς (converters) πρέπει να τοποθετούνται κοντά στους κινητήρες για να μειώνεται το μήκος των καλωδίων.

δ. Η τοποθέτηση των κινητήρων (η οποία υπαγορεύεται από τη διάταξη των αξόνων) πρέπει να γίνεται όσο πιο κοντά προς την πρύμνη.

  1. Η ηλεκτροπρόωση έχει το πλεονέκτημα να παρέχει στο σχεδιαστή ευχέρεια σχετικά με τη διάταξη των υποσυστημάτων της.

Έτσι είναι δυνατό οι γεννήτριες να τοποθετηθούν σε οποιαδήποτε απόσταση από τους κινητήρες, σχεδόν οπουδήποτε στο πλοίο, αρκεί να μην παραβιάζονται θεμελιώδεις κανόνες που σχετίζονται με:

  1. Την ευστάθεια του πλοίου.
  2. Την ισοκατανομή των φορτίων στο πλοίο.

iii. Την ακουστική υπογραφή.

  1. Την ευκολία επισκευής.

 

*Ο Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών I.MSc Electrical and Computer Engineering MSc in Microelectronics, υποψήφιος διδάκτορας του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής (nkorakianitis@uniwa.gr).

Ελέγξτε επίσης

Η εκπαιδευτική ρομποτική διαμορφώνει τους μηχανικούς του μέλλοντος

Άρθρο του κ. Δημήτρη Μπλουγουρά* Οι εξελίξεις στην τεχνολογία είναι βέβαιο με μαθηματική ακρίβεια ότι …