Τα ηλεκτρικά συστήματα κίνησης είναι επωφελή σε πολλές εφαρμογές πλοίων με διαφορετικά προφίλ ταχύτητας, όπως σκάφη εφοδιασμού, πλωτά σκάφη παραγωγής, πλοία-γεωτρύπανα, δεξαμενόπλοια, παγοθραυστικά, πολεμικά πλοία και κρουαζιερόπλοια.
Η βασική ιδέα με τέτοια συστήματα είναι η αντικατάσταση των κύριων πετρελαιομηχανών πρόωσης με ηλεκτρικούς κινητήρες, και ο διαχωρισμός της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε πολλές μικρότερες γεννήτριες.
Για ένα συμβατικό σύστημα πρόωσης με ντίζελ η απόδοση θα μειωθεί σημαντικά για τη λειτουργία έξω από την ονομαστική του λειτουργία
Η ηλεκτρική πρόωση αποτελεί μια νέα τεχνολογία πάνω στα πλοία και το γεγονός ότι έχει αρχίσει να εφαρμόζεται πολύ πρόσφατα αποτελεί περιοχή έρευνας για διάφορους κλάδους της μηχανικής.
Στην ηλεκτροπρόωση η κίνηση των προωστήρων γίνεται απ’ ευθείας (ή και σπανιότερα μέσω μειωτήρων) από ηλεκτρικούς κινητήρες και όχι από άλλες μηχανές όπως diesel, αεριοστρόβιλους και ατμοστρόβιλους.
Κατά την τελευταία 25ετία, με την ανάπτυξη κατάλληλης τεχνολογίας (διατάξεις και τεχνικές ελέγχου κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος), δόθηκε η δυνατότητα για την ευρεία διάδοση της ηλεκτρικής πρόωσης εφόσον, πλέον, ικανοποιούνταν οι απαιτήσεις τόσο από πλευράς ευελιξίας όσο και από κατανάλωσης καυσίμου.
Μία νέα έννοια η οποία ήταν πολύ επιτυχής από την δεκαετία του ’90,ήταν η εισαγωγή αζιμουθιακών προωστήρων η οποία προσέφερε στα πλοία ευελιξία στις κινήσεις, ευκολία στις διελεύσεις από περιοχές υψηλής κινητικότητας και τη δυνατότητα δυναμικής τοποθέτησής τους (dynamic positioning – DP).
Στην αρχή η ηλεκτρική πρόωση έβρισκε εφαρμογές σε συγκεκριμένα πλοία εφαρμογών (παγοθραυστικά, ερευνητικά σκάφη, σκάφη πόντισης καλωδίων). Όμως κατά τη δεκαετία του '90 παρουσιάζει μια έντονα αυξανόμενη διάδοση σε πλοία όπως μεγάλα επιβατηγά, οχηματαγωγά, κρουαζιερόπλοια, δεξαμενόπλοια, κ.λπ..
Γενικά, η ηλεκτρική πρόωση μπορεί να αποδειχθεί η καταλληλότερη λύση στις ακόλουθες κατηγορίες εφαρμογών:
α. Σκάφη με υψηλές απαιτήσεις ελικτικών ικανοτήτων (π.χ. πλοία διάτρησης).
β. Σκάφη με μεγάλη ισχύ βοηθητικών μηχανημάτων.
γ. Σκάφη με έντονη διακύμανση της ισχύος πρόωσης. 11
δ. Σκάφη εξοπλισμένα με πολλές ταχύστροφες μη αναστρέψιμες μηχανές.
ε. Υποβρύχια και βαθυσκάφη.
Πρέπει να τονιστεί ότι η επιλογή συστήματος ηλεκτροπρόωσης για ένα πλοίο, προσφέρει περισσότερη ελευθερία στη σχεδίαση και στην επιλογή των υποσυστημάτων και της διάταξης όλης της προωστήριας και ηλεκτρικής εγκατάστασης.
Επίσης οι ηλεκτρικοί κινητήρες είναι η μόνη λύση για τη βοηθητική πρόωση (δηλ. το σύστημα των πλευρικών προωστήριων μηχανισμών που επαυξάνουν την ελικτική ικανότητα των σκαφών ιδίως εντός των λιμένων).
Ιστορική αναδρομή ηλεκτροπρόωσης
Κατά τα τέλη του 19ου αιώνα σε Ρωσία και Γερμανία έλαβαν χώρα πειραματικές εφαρμογές ηλεκτρικής πρόωσης όπου ο ηλεκτρικός κινητήρας πρόωσης τροφοδοτούταν απευθείας από συστοιχίες συσσωρευτών. Γύρω στα 1920, λόγω του μεγάλου ανταγωνισμού για την μείωση εκτέλεσης υπερατλαντικών ταξιδιών από τις ναυτιλιακές εταιρίες επιβατικών πλοίων, εφαρμόζεται η πρώτη γενιά ηλεκτροπρόωσης.
Η μεγάλες απαιτήσεις σε ισχύ πρόωσης καλύπτονταν τότε στρόβιλο-ηλεκτρικά συστήματα. Οι σύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες τροφοδοτούνταν από ατμογεννήτριες και η περιστροφική ταχύτητα δινόταν από την ηλεκτρική συχνότητα των γεννητριών. Σε κανονική λειτουργία, συνήθως, οι γεννήτριες τροφοδοτούσαν κάθε μηχανή πρόωσης ξεχωριστά, υπήρχε όμως και η δυνατότητα τροφοδότησης δύο μηχανών από μία γεννήτρια για ταξίδι χαμηλότερης ταχύτητας
. Στα μέσα του 20ου αιώνα η εισαγωγή των μηχανών diesel, σήμανε το τέλος της τεχνολογίας στροβίλων ατμού και της ηλεκτρικής πρόωσης, τουλάχιστον μέχρι τη δεκαετία του ’80. Τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα επανήλθαν με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών ισχύος και κυρίως των συστημάτων οδήγησης των ηλεκτρικών κινητήρων.
Η δεύτερη γενιά ηλεκτροπρόωσης πραγματοποιείται μέσω των ανορθωτών (Ε.Ρ./Σ.Ρ.) για τον έλεγχο προωστικών μηχανών Σ.Ρ., περί το 1970 και με τη χρήση των μετατροπέων Ε.Ρ./Ε.Ρ. για τον έλεγχο μηχανών το 1980. Το προωστήριο σύστημα τροφοδοτείται πλέον από ένα ισχυρό δίκτυο σταθερής τάσης
Σημειώνεται ότι στην άμεσα οδηγούμενη πετρελαιοκίνητη πρόωση η ώση ελέγχεται μέσω ενός υδραυλικού συστήματος αλλαγής του βήματος των ελίκων. Οι έλικες αυτές είναι γνωστές ως έλικες μεταβλητού βήματος (controllable pitch propellers (CPP)).
] Όπως έχει ήδη αναφερθεί το αζιμουθιακό προωστήριο σύστημα (podded propulsion) εμφανίστηκε στις αρχές του 1990.
Βάσει αυτού ο ηλεκτροκινητήρας είναι τοποθετημένος εντός ενός βυθισμένου λοβοειδούς εξωτερικού περικαλύμματος (pod) με ένα πολύ κοντό άξονα στην προπέλα ή είναι απευθείας η προπέλα συνδεδεμένη με τον κινητήρα
Το εξωτερικό περικάλυμμα μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα κατά 360ο , προσφέροντας στο πλοίο ευκινησία και ευελιξία (maneuverability) και η έλικα είναι σταθερού βήματος.
Τα εξωτερικά περικαλύμματα αντικαταστούν τα συμβατικά πηδάλια και η συνολική υδροδυναμική απόδοση αυξάνεται για το σκάφος.
Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα ηλεκτροπρόωσης
. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της ηλεκτρικής πρόωσης, στα οποία οφείλεται και η διάδοσή της στις εφαρμογές που προαναφέρθηκαν, είναι τα ακόλουθα: • Συνεχής μεταβολή της ταχύτητας περιστροφής της έλικας και της ταχύτητας του πλοίου σε όλο το πεδίο 0- 100 %.
• Γρήγορη απόκριση κατά τη διάρκεια χειρισμών και δυναμικής τοποθέτησης του σκάφους. • Χαμηλή στάθμη θορύβου και κραδασμών.
• Οικονομία καυσίμου, καθώς είναι δυνατή η επιλογή των μηχανών που θα λειτουργούν έτσι, ώστε η κάθε μια να λειτουργεί κοντά στο βέλτιστο σημείο
. • Ελευθερία στην τοποθέτηση των επιμέρους μηχανημάτων του ενεργειακού συστήματος, που προσφέρει ευελιξία στον σχεδιασμό του σκάφους και εξοικονόμηση ωφέλιμου χώρου.
• Πλήρης εκμετάλλευση της στρεπτικής ροπής σε όλο το πεδίο λειτουργίας. • Ευκολία αυτοματισμού.
• Αυξημένη αξιοπιστία (πολλά συστήματα συνδεδεμένα παράλληλα) και, επομένως, αυξημένη ασφάλεια.
• Περιορισμός των εκπεμπομένων ρύπων διότι: α. Η κατανάλωση καυσίμου είναι μικρότερη, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, β. Ιδιαίτερα οι εκπομπές ΝΟx είναι αισθητά χαμηλότερες όταν, π.χ., ένας μεσόστροφος κινητήρας Diesel λειτουργεί με σταθερές στροφές, όπως συμβαίνει στα νέα συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης.
• Περιορισμός του κινδύνου ρύπανσης του περιβάλλοντος από ατυχήματα όπως αυτά των δεξαμενοπλοίων, χάρη στην ταχύτερη απόκριση του συστήματος κατά τους χειρισμούς και τη δυναμική τοποθέτηση του σκάφους.
Μειονεκτήματα της ηλεκτρικής πρόωσης είναι τα εξής:
- Υψηλό κόστος επένδυσης. Γι΄ αυτό γίνεται η προσπάθεια να μειωθεί κατά το δυνατόν, αξιοποιώντας την υπάρχουσα τεχνολογία των ηπειρωτικών ηλεκτρικών δικτύων (Commercial Off The Shelf – COTS), ωστόσο το υψηλό κόστος των κινητήρων και των διατάξεων ελέγχου τους δεν δείχνει να προσπεραστεί εύκολα. - Υψηλώτερες απώλειες στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, σε σύγκριση με το μηχανικό σύστημα. Π.χ., σε συμβατικό σύστημα κινητήρα Diesel - έλικα ρυθμιζομένου βήματος, οι απώλειες του συστήματος μετάδοσης είναι περίπου 4%: 2% στην έλικα και 2%
- μειωτήρα, όταν η έλικα λειτουργεί στον βέλτιστο συνδυασμό ταχύτητας / βήματος.
Σε εγκατάσταση ντηζελο-ηλεκτρικής πρόωσης, το σύστημα μετάδοσης προκαλεί απώλειες 7 - 8%: 3% στις γεννήτριες, 2% στους μετασχηματιστές και μετατροπείς συχνότητας και 2 - 3% στους προωστήριους ηλεκτροκινητήρες. Επομένως, ο ολικός βαθμός απόδοσης είναι υψηλότερος στο σύστημα ηλεκτρικής πρόωσης μόνον όταν κάθε μηχανή λειτουργεί σε σταθερή ταχύτητα περιστροφής και επί μεγάλα χρονικά διαστήματα στη βέλτιστη περιοχή.
- Ένα πρόβλημα που προκύπτει από την εκτεταμένη χρησιμοποίηση των διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος είναι ότι εμφανίζονται προβλήματα ποιότητας ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς πέραν των χρήσιμων συχνοτήτων αναπτύσσεται και μεγάλο πλήθος αρμονικών συνιστωσών ρεύματος και τάσεως. Οι αρμονικές αυτές αφενός προσαυξάνουν τη συνολική κυκλοφορούσα άεργο ισχύ στο ηλεκτρικό δίκτυο αλλά επιπλέον δημιουργούν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Έτσι ο ’’ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος’’ που παράγεται επηρεάζει αρνητικά όλες τις ευαίσθητες ηλεκτρονικές διατάξεις –πρωτίστως τα κυκλώματα ελέγχου των ίδιων των ηλεκτρονικών ισχύος – ενώ σε περιπτώσεις στρατιωτικών εφαρμογών αυξάνει τα επίπεδα της ηλεκτρομαγνητικής υπογραφής των πλοίων.
Τέλος, είναι δυνατόν οι αρμονικές παραμορφώσεις των ηλεκτρικών μεγεθών να διεγείρουν ιδιοσυχνότητες για ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων, όπως είναι τα φαινόμενα σιδηροσυντονισμού στους δρομείς των σύγχρονων γεννητριών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Η σειρά αυτή των προβλημάτων λόγω της εξηλέκτρισης των συστημάτων του πλοίου αντιμετωπίζεται με εξειδικευμένες αναλύσεις και μελέτες κυρίως κατά της φάση της σχεδίασης τους ηλεκτρολογικού συστήματος. Σε πολλές εφαρμογές, η συνισταμένη πλεονεκτημάτων - μειονεκτημάτων είναι θετική, οπότε η ηλεκτρική πρόωση είναι η ενδεδειγμένη λύση, οδηγώντας σε χαμηλότερο κόστος λειτουργίας (μειωμένο πλήρωμα, οικονομικότερη συντήρηση, γρηγορότερα ταξίδια, μη αναγκαιότητα ρυμούλκησης κοκ)
.Συμπεράσματα Η ηλεκτροπρόωση αποτελεί μία αρκετά δελεαστική επιλογή για τα πλοία που συνεχώς κερδίζει έδαφος τα τελευταία χρόνια μεταξύ των άλλων λόγω και της γενικά εντατικής εξέλιξης όλων των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συστημάτων και κυρίως στον τομέα των διατάξεων ελέγχου των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών ισχύος.
Η έρευνα κατά την τρέχουσα περίοδο επικεντρώνεται στη μείωση του αρχικού κόστους επένδυσης αλλά και στην αύξηση των επιδόσεων του συνολικού συνδυασμού των διατάξεων που αξιοποιούνται από συστήματα ηλεκτροπρόωσης.
Αναρτήσεις
