Simulation of inland ship's navigation and hybridization of the powertrain

Abstract

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[ES] El principal objetivo del proyecto titulado “Simulación de la navegación de un barco fluvial e hibridación del sistema de propulsión” es evaluar las necesidades energéticas de los barcos fluviales actuales, para posteriormente estimar el potencial de mejora de rendimiento aportado por la hibridación del sistema de propulsión. Para alcanzar el objetivo, el presente proyecto se divide en cinco apartados: - Presentación de la problemática de la navegación fluvial en Europa así como la descripción de las principales características geométricas del casco de un barco, de una hélice y de los componentes de un sistema de propulsión convencional e híbrido. - Descripción de los modelos empíricos utilizados para programar bajo el entorno Matlab el simulador de navegación. - Definición de un barco fluvial convencional como referencia para el estudio. - Propuesta de sistema de propulsión híbrido para el barco fluvial definido previamente. - Simulación, utilizando el programa creado previamente, de dos trayectos diferentes con las dos configuraciones de barco (convencional e híbrido) y análisis de los resultados. Por tanto, la memoria comienza explicando la relevancia que tiene el transporte fluvial en Europa, sobre todo para el transporte de mercancías, gracias a las numerosas vías fluviales adaptadas para ello. Se presentan también las legislaciones definiendo los gálibos de cada vía navegable y la normativa sobre emisiones de contaminantes. El proyecto continúa pasando a la descripción del barco en sí. Se exponen los parámetros geométricos y coeficientes adimensionales que definen inequívocamente todos los tipos de casco de barco. La hélice queda igualmente definida por sus cuatro parámetros (diámetro, paso, número de palas y ratio de superficie) y se presentan los diferentes tipos de hélices utilizados. En cuanto al sistema de propulsión, se detallan los tipos de motores utilizados en la actualidad, desde el pequeño motor cuatro tiempos fueraborda hasta el inmenso motor dos tiempos de varios pisos para barcos transatlánticos pasando por los motores con transmisión en Z y los motores intraborda comúnmente utilizados en barcos fluviales así como los grupos electrógenos. Finalmente, se concluye la sección con la explicación de las principales arquitecturas de transmisión híbridas, sobre todo utilizadas en el mundo de la automoción: - La hibridación en serie - La hibridación en paralelo - La hibridación por derivación de potencia El proyecto se centra a continuación en el desarrollo del simulador de la navegación de los barcos fluviales. El objetivo es crear un simulador para las fases iniciales de diseño que funciones con los mínimos datos macroscópicos posibles. Se trata de un simulador estático, llamado SSNS por sus siglas en inglés “Ship Stationary Navigation Simulator”, que por lo tanto no tiene en cuenta las fases dinámicas de aceleración y frenada; y que sigue una estrategia “backwards” (hacia atrás), es decir que los datos de entrada (aparte de las características del barco descritas en el apartado anterior) son las distintas velocidades estacionarias a las que navega el barco. Desde esos datos iniciales el simulador estima la resistencia al avance sufrida por el casco del barco, a continuación el punto de funcionamiento de la hélice (su velocidad de rotación, su par y su eficiencia) y por último se obtiene el punto de funcionamiento de los órganos del sistema de propulsión que son el último elemento de la cadena cinemática. Además, el caso de la navegación fluvial supone una resistencia extra al avance del barco debido a la profundidad limitada de las vías navegables que se traduce en una reducción de la velocidad del navío para una misma potencia. Por tanto el simulador consta de los siguientes módulos: - Corrección de la velocidad por la profundidad reducida de la vía fluvial - Estimación de la resistencia al avance del casco del barco - Estimación del funcionamiento de la hélice - Cálculo del punto de funcionamiento del sistema de propulsión Los diferentes módulos pueden activarse o desactivarse en función de los resultados deseados y de los datos de entrada disponibles. Por tanto el programa permite simular trayectos tanto en el mar y océanos como en ríos activando o desactivando el primer módulo. Por otro lado, se puede simular únicamente la resistencia al avance que opone el casco del barco para las primeras etapas de desarrollo de la estructura. Los diferentes módulos se apoyan en modelos empíricos detallados en la memoria. Para la programación del primer módulo de corrección de la velocidad debido a aguas de profundidad reducida, se utiliza el modelo empírico de H. Lackenby de 1963. Para la estimación de la resistencia al avance del casco del barco se dispone de dos modelos empíricos, el desarrollado por J. Holtrop y G.G.J. Mennen en 1984 y otro más reciente de U. Hollenbach de 1998. El funcionamiento de la hélice se estima gracias a la combinación del modelo de J. Holtrop y G.G.J. Mennen de 1984 y del estudio realizado en Wageningen sobre las hélices de serie B expuesto en el trabajo de V. Bertram y H. Schneekluth de 1998. Por último, en cuanto al funcionamiento del sistema de propulsión existen dos configuraciones disponibles, la configuración convencional con un motor térmico, un embrague y una reductora y la configuración híbrida en serie con un grupo electrógeno, una batería y un motor eléctrico, todo unido por la electrónica de potencia. Los mapas de los diferentes órganos están adimensionalizados para poder simularlos con los mínimos parámetros...