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电缆渡船
1 引言
由于对化石燃料排放的关注日益增加，以提高效率的目标，并找到减排措施和替代能源正在蓬勃发展。分类公司对海上交通运输化石燃料排放提供了严格的规定，迫使能源技术向前发展以提供更好的解决方案和更高的效率。多年来，有许多概念和解决方案出现，最近也有液化天然气发动机，混合动力车和快速充电电池组已经开发完成。
液化天然气发动机消耗液化天然气来提供能量。排放量与使用柴油和重质燃料油相比显着降低。 除此之外 效率更高，即节省更多的能源。 通过添加电池组，使它变成了一个具有更高效率的混合动力。在短途渡轮与频繁的渡船中，码头通过大容量电池连接到陆地电网的电容器形成纯快速充电电池组是一种新的解决方案。与化石燃料发动机相比，电池的容量对操作距离的有一定的限制。因此，电池组是不考虑远距离的运输路线。
未来的法规可能会在燃料消耗和排放方面的要求更加严格。因此，快速充电电池组的竞争理念就出现了，电力供应的持续的来源不是通过电容器供电而是陆基电网。鉴于电力来水力发电或风力发电，这个概念将会运行中免于排放。概念解决方案评定是基于岸基电力的短途渡轮通过电力电缆连接电网从陆地接收电力为推进力，渡轮在连接电缆之后充电并应用在运输途中。这篇论文是作为这种电缆电渡轮的可行性研究而进行的的概念。它将分析这个概念带来的挑战和困难，及主要在可行的情况下，评估实现概念所需的组件和技术将在这里进行评估和考虑。
已经对不同的功率传输配置，电缆替代品和相关的搬运设备，如制动单元，牵引器单元和存储器进行了评估。重点是在不同的传输配置上的电缆张力，以及存储和传输船上电缆处理与相关的难点。
在第六章中介绍了渡轮必须满足的功能和将随着概念实施的改变。第7章包括电缆评估技术和电缆强度计算，以及不同的组件和 涉及这个概念的设备。在第9章中，是在规格和成本方面的概念和竞争解决方案之间的基础差异。此外，还涉及一个挪威短途渡轮渡轮和实施的案例研究，这个概念在第10章中进行了说明。
由于时间和所需专用软件配置的限制，本论文尚未对电缆进行动力强度计算。因此没有对电缆组成、电缆布局和电缆制造进行分析。 此外，它还没有被执行过除概念及其组件初步插图实验以外的工程。由于时间有限，船舶的稳定性在案例研究中也未进行计算。除此之外还有结构强度和船体的设计等基础没有解决。
2 渡船
全球有很多不同类型的渡轮，但它们都有共同之处 他们将人员或车辆或两者从一个地点运送到另一个地点。 Kai Levander 在“基于船舶设计的系统”（Levander 2012）一书中提供了一些渡轮类型，例如 高速轻工船渡轮，RoPax渡轮，PaxCar渡轮和克鲁斯渡轮。 下面， 提出的不同渡轮类型已被解释和说明以便它们的职能可视化。
高速轻型工艺船载客人和车辆数量相对较少且以高速在短路线上运行，一般高于15-20节。为了达到这样的速度，渡轮由轻质材料构成，例如高强度钢合金，铝合金或玻璃增强塑料，或这些材料的组合。 另外，船体形式是为在水
中的低阻力而构造，例如双体船类型。
图1 高速双体轻工船
然后是RoPax渡轮，可以在车上和车外驾驶并在船头和/或船尾滚装货物。它也有旅客设施，可以运送两个人和穿越较远距离的公海，此外还有其他的有效载荷运输（Levander 2012）。 渡轮有多个货舱并承载更多车辆和其他货物或乘客。
图2 RoPax渡轮
图3 PaxCar 渡轮
接下来，有PaxCar渡轮，这是载货区的客运渡轮乘用车，称为“客车”渡轮。它的客舱和设施功能就像一艘游轮/旅游渡轮，并用于较长的路线和夜间服务（Levander 2012）。
邮轮除了可以为所有乘客和大型公共场所提供小木屋餐厅和酒吧等，也可能有游泳池和赌场在船上，并且这种船还可以在小型滚装甲板上运输一些乘用车。邮轮可以运行远距离长时间航行如过夜和长途航线邮轮以及地中海城市之间旅游。（Levander 2012）。
图4 邮轮
在这个项目中，重点放在短途渡轮上，作为道路延伸。由于可能没有任何其他道路，因此渡轮运输对于某些地点至关重要。以缩短距离并节省能源为目的，把这种渡轮作为隧道桥梁和车辆途径的替代品是可行的方案。这种渡轮可以有开放的，部分开放或封闭的甲板（单人或双人） 双层甲板），以及设有沙龙和自助餐厅的乘客设施区。计算的大小设施和汽车甲板，取决于指定地点的运输需求。
图5 沿海短途渡轮
2.1 基于系统的设计
船舶设计遵循从想法到完成船只的一定程序。 客户作为船东，需要一艘必须完成特定任务的船舶。船东对一些设计公司提出要求，这些设计公司随即开始使用满足客户要求的想法和概念。 然后设计公司的概念是为客户提供的有不同的解决方案。 从这些概念中，顾客决定他或她想要的概念并进行采购。 然后在做出概念决定后，设计公司开始发展船的概念和设计在船厂开始建造。
组成
主要尺寸
船体线条
空间平衡
重量平衡
修剪和稳定性
性能
限制
动力
船体结构
机械
舾装
安全
功能
有效载荷系统
船舶系统
载重吨
功率
交叉吨位
经济
建设成本
操作成本
需求
运价
盈利能力
任务
运输物流
路线
容量
速度
限制
图6 系统的设计过程
在他的“基于系统的船舶设计”一书中介绍了一个设计过程 （Levander 2012），其中该过程以螺旋布置，即设计螺旋（图6），对于设计过程来说重要的要点和系统很重要。
这里的出发点是确定船舶的任务，执行什么任务 它应该拥有哪些物业，例如作业区域，货物运输能力，速度和时间 技术性能等。下一步是基于的船舶功能 实例什么有效载荷和船上的船舶系统，重量超过排水量和毛重 船舶运行中的排水与吨位。然后通过确定继续设计过程 7 船的形状和形状，即具有尺寸和船体线的初始设计 基于重量和空间平衡的稳定性计算。进一步的程序是计算船的性能。这是通过优化机器和根据船舶结构和特定船舶阻力的推进系统。此外，在表演阶段，将考虑各种安装 任务处理所需的活动以及运行所需的安全设备。最后，我们有经济计算各种成本的步骤 例如建造和建造成本，运营成本（燃料，维护和人员）， 并且在涉及船舶盈利时要求运费。从我们看到的图中 三个最后的步骤，即形式，表现和经济，将会重复 对设计进行调整，直到选择最终设计并开始构建。它是 “基于系统的设计就像是一个清单，让设计师可以提醒所有人 影响设计和记录他的选择的因素”（Levander 2012）。
图7 渡轮系统
在渡轮的设计过程中进一步介绍了系统的划分，具体在设计螺旋中。 它说，它可以分为有效载荷系统和一个船舶系统，如图7所示。
该图显示了船舶功能的划分，但它包含了RoPax渡轮。这里船员设施显示在有效载荷系统上。这是因为乘客得到了服务与船上所需的甲板和发动机机组数量相比，由更多的船员组成操作。然而短途渡轮服务人员的人数通常少于或与甲板和发动机机组数量相同，机组设施将从有效载荷系统转移出货系统。
3 概念 - 这个想法
减少排放和化石燃料使用的矛盾推动了外部环境的改善，思考工程师的出发点。 短途渡轮的一种替代推进解决方案是在这里提出的。 这个想法是，渡轮完全依靠电力运行，没有用到的任何内燃机。电力应通过连接到陆地电网的电缆运输到渡轮。质疑这是否有益的问题，如果它实施将自动会解决。
电缆通过在岸上的控制室内的变压器连接到陆地电网，以便通过电缆将合适的电量输送到渡轮。电缆通过控制室进入固定/锁定系统。这个系统是为了防止损坏连接点或导致短路而设置的连接点。在渡轮上，电缆连接到变压器和主电缆配电盘，以便将电源分配给不同的机载用户。同样在这里也设置了不应有张力的连接点以保持连接持久。
3.1 配置
有许多可能的配置与电缆连接和转移有关。电缆可以存放在渡轮的滚筒上或岸上，或者电缆可以在路线上的空中延伸。无论是存储在岸上或船上，当渡轮驶离时，电缆从储存单元中送出当它航行时，也就是渡轮拖曳电缆运行，然后当渡轮返回时，电缆将被回收到存储单元中。对于卷轴选择它可以垂直或水平放置。使得渡轮连接到电缆并在运输过程中跟随它。
3.1.1 存储单元
图8显示了用于存放电缆铺设船上的电缆的鼓卷筒系统。滚筒是存储电缆并应用于海上应用连接，例如在另一个领域有陆地或不同钻机的钻机，其距离和深度是远远超过预计的短途渡轮渡轮运行范围概念是适用的。在这种情况下，鼓筒的尺寸被假定为很大。用于电缆铺设的篮式转盘电缆存储概念的产量相同。船只显示在图9中。
图8 篮式转盘电缆存储系统
存储单元将分别顺时针和逆时针旋转对应电缆被送出或卷入。如上所述，鼓筒可以垂直放置，也可以垂直放置 对于特定的路线和渡轮来说，横向最好是最适合的。但是，这不是最终选择，由于电缆可能从篮筐中掉下而引起缠结，因此适用于篮筐。
图9 篮筐式电缆存储系统
3.1.2 电力传输
接下来，可以将从陆地转移到渡轮的功能配置为四种不同的方式。 图10显示了电缆的配置选项，可以追随海底及其轮廓，电缆可以完全“浮”在下面在特定水深处的水面，即电缆具有比底部更小的重量解决方案并具有较高的张力（电缆被“牵引”）。或者电缆可以漂浮在水面上，或者它可以在海峡或峡湾的空中伸展。选择某种方式很大程度上取决于运输路线的具体情况及位置和可能具有不同的限制，例如运输长度，水深，海底，地层，船舶交通和环境条件。
图10 电缆传输可能性
对于三种选项，无论存储单元是否位于船上或岸上，电缆通过船体上的导向孔进入渡轮（船尾或船首），类似于一个凹进的锚孔。通过机载变压器连接点，电缆类似于岸上的变压器锁定系统，使得连接点是没有拉紧。在变压器之后，电力被引导到主配电板。如果船上选择存储档位，则电缆连接到存储单元后的变压器。在这里，电缆将在进入主配电板前通过一组电缆处理设备即存储单元。
在无轨电车系统中空中的集点杆作为电缆的替代品，渡轮通过类似于a的臂获得其力量，如图11所示，或者像电动火车和电车上的受电弓 如图12所示。手推车臂和电缆伸展部分配置在水面一定高度上方，以便交通可以通过。为了避免在风浪影响而导致车臂分离的过程中失去力量，电缆必须长而紧张。手推车臂“引导”电力到船体的某个部位，并进一步通过上层建筑，它连接到主配电板。
图11 无轨电车
受电弓
霍姆斯元件
母线
接触线
图12 电车受电连接系统
3.1.3 风险
如前所述，选择的电缆传输配置选项取决于路线过境的位置。任何一个选项都必须使渡轮的路线必须处于某种状态且应尽可能直接配置。路线越弯曲，缆线越紧张，即例如路线绕过小岛和岩石或码头 相对于路线倾斜会出现风险。当渡轮运行时风浪、潮流和潮流也会影响到电缆的张紧程度。
将电缆放在海床和岩石锋利的边缘上可能会导致电缆损坏，损坏程度取决于海床和岩石的形成和轮廓。如果路线有很多交通路口，这将会加大渡轮漂移或路线弯曲。表面浮动电缆选项由于螺旋桨，方向舵和船体的偏移可能会导致损坏或切断电缆。解决方案是可以浸入电缆并将其拉紧到最大值，达到给定的水深，或者在给定高度处在空中拉伸 以避免高桅杆。
如果在运输过程中发生停电或关机即在渡轮漂移方面，则在选择传输配置的类型和缆索强度提出高要求。对于浮动电缆选项，外部环境可能会导致渡轮在停电期间来回移动，这可能会导致电缆突然跳动。带有可能的捷径和潜在的渡轮电刑的电缆，可能会导致损坏和骨折。 另外两种方案可供选择，但这里的电缆长度较长可降低风险会有更大的空间漂移（因此渡船有更多时间来恢复电力）。
对于空气拉伸的电缆，如果张力水平因轮渡漂移而变得太高，可能会导致电缆断开（例如渡轮漂移，或者电缆挂得太低，由臂提供的电力会很高过境交通不便）以及由于断裂和短路而可能导致的渡船本身触电路。如果电缆是断裂或损坏，短路可能导致渡轮失去动力和停电。受损的电缆可能会给恢复船上的电力带来麻烦，渡船可能会开始漂流。漂流可能会导致电缆折断或渡轮可能会撞击岩石和小岛或土地造成的更加严重的损害。 如果在一定的时间内渡轮无法恢复主动力，应急电源应给渡轮足够的推进力力量，使它能够到达岸边。
电缆由于电阻而产生热量，但在海水中电缆 有很好的散热。但是，将电缆存放在存储单元（滚筒或卷轴中或旋转木马）与电缆的堆放/堆叠，热量散失有些困难。如果存储单元没有施加足够的冷却，热量可能导致停电或在最坏的情况下发生火灾。为了安全，除了应该应用由于过热引起的紧急关闭机制还应该有良好的散热系统。
3.1.4 电缆处理设备
对于在船上或岸上存放电缆的选项，需要回收和制动系统分别在船上或岸上。收回系统的功能是保持回收电缆的速度和力量恒定，制动系统的任务是保持在缠绕进出线缆时，电缆上的拉力保持恒定，以避免电缆损坏。这是为了它不会将整个电缆掉出来，或者给它们施加很大的张力。当电缆缠绕时，必须制作回收和制动系统 这样
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