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游艇氢燃料电池电力推进系统仿真与优化

发布时间:2020-06-25 02:59
【摘要】:旅游业在国家经济发展中日渐占据重要地位,频频出台旅游政策的同时,游艇产业也迎来了新一轮的春天。中小型游艇市场逐步升温后,污染、噪声等问题也便随之而来。为了响应相关法律法规对游艇行业绿色环保、低排放的号召,绿色游艇的设计与制造迫在眉睫。而燃料电池电力推进装置(Fuel cell electric propulsion device)的高效、无污染等特性正好符合绿色游艇的设计理念,并且该种推进装置早已被广泛应用于电动汽车行业,由此可见,燃料电池供电系统在船舶行业的盛行指日可待。本文主要针对游艇推进装置进行研究,设计出以氢燃料电池为主动力源、蓄电池为辅助动力的符合游艇自身特性的燃料电池电力推进系统。首先,根据游艇基本参数及燃料电池的工作特性,从燃料电池、推进电机、推进器、辅助电池、DC-DC转换装置等主要部件入手,对整个游艇燃料电池电力推进系统进行了选型配置;对主要部件的各项基本参数进行了匹配计算之后,确定了整个游艇燃料电池电力推进系统的各项参数:选用两个额定功率为20 kW的质子交换膜燃料电池作为主要供电系统、两个额定功率15 kW的永磁无刷直流电机作为推进电机、以直径550 mm的MAU型4叶螺旋桨作为游艇推进器、以容量为70 Ah的镍氢蓄电池作为燃料电池电力推进系统中的辅助电池,DC-DC变换器则使用输出电压380 V具有升压稳压作用的Boost变换器。根据所得的选型参数,结合游艇在不同工况下的工作需求,分析出三种不同的能量控制策略;之后,在Matlab/Simulink仿真环境下,对整个游艇各主要部件进行分段建模,分析得出各个部件的运行情况及输出特性,之后将各部件进行组织整合,通过联合仿真了解整个游艇燃料电池电力推进装置的输出特性及其可靠性;最后,通过选型、计算、建立出与游艇燃料电池电力推进装置相匹配的金属贮氢装置三维立体模型,对其进行设计优化,使其成为更安全、可靠的氢源。根据建立起的仿真模型,将仅有燃料电池组向游艇供电的模型及燃料电池与镍氢蓄电池共同供电的电力推进模型进行对比,仿真模拟后得出不同的游艇燃料电池电力推进系统特性曲线;将两者仿真运行后所得的游艇航速变化、系统输出功率及系统效率等特性曲线进行对比分析。结合现有的游艇推进系统特性,得出该游艇可达到的最大航速为7.9 kn,此时推进电机的转速为1920 r/min,螺旋桨转速为940 r/min,功率达到27.3 kW,且在经济航速下电机转速达到1100 r/min时,游艇的航速能够达到4.7 kn,耗氢量0.68 kg/h,续航时间达6.9 h。以上参数均符合该游艇氢燃料电池电力推进装置的设计需求,由此可确定该燃料电池电力推进系统运用于游艇推进系统中的可行性与准确性。最后,对于燃料电池在船舶行业中的研究与普及提出展望。
【学位授予单位】:江苏科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U664.14

【参考文献】

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本文编号:2728760

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