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摘 要：超级电容是一种充电效率高、循环次数高、能量转换效率高的能量存储装置。在船舶环保要求日益严苛的背景下，超级电容车客渡船可以实现零排放，是最环保的船舶之一。基于首艘超级电容车客渡船，本文研究了该船的总布置设计、绿色生态设计和外观造型设计，总结了宝贵的设计经验，为后续同类船的设计建造提供重要参考。
关键词：超级电容;车客渡船;绿色环保
中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）06-0107-04
党的十九大报告提出了“坚持人与自然和谐共生”的基本方略，党中央、国务院要求加快推进生态文明建设、打好污染防治攻坚战的部署，交通部大力推进生态交通建设和绿色航运发展。国际海事组织也在大力推进船舶大气污染防治，《国际防止船舶造成污染公约》要求自2020年1月1日起全球水域普遍使用硫含量小于0.5%的燃油，很多国家也正在逐步加强对氮氧化物排放的控制要求。结合国际国内船舶污染防治的新形势新要求，我国沿海及内河航行的船舶应严格控制污染排放、逐步升级环保标准。整治船舶污染，首推船舶动力的电动化，而这在中短途运输、中小量运输的内河航运船舶上已率先启动。随着高能蓄电池、超级电容以及快速充电等技术的快速发展，以蓄电池或超级电容等为供电来源的纯电动船舶可以取代传统重燃油推进船舶应用在短途的岛际交通运输和短距离内河航运中，避免重燃油机产生的温室气体、硫氧化物、氮氧化物等气体污染物和噪声对生态环境造成的污染以及对船员健康造成的伤害，符合当前乃至未来船舶污染防治要求。
1主尺度要素
目标船航行于我国长江入海口的长兴岛和横沙岛之间，属于内河A级航区，需承载旅客、中小型汽车、载重汽车等。该航线上当前运营的船舶是由柴油机驱动的常规燃料车客渡船，其中，最新设计是一型22车位车客渡船[1]。根据两岸码头的现有设施、跳板尺寸、港口水深以及吨位要求等限制条件，目标船主尺度论证结果：总长65.0m，型宽14.5m，型深4.3m，吃水2.5m，载重量210t，车道总长51.0m，乘客定额165人，定员20人。
2总体设计
2.1乘客处所布置
现有渡船的旅客舱室和车辆舱室分别设置在车辆甲板和旅客甲板两层[1]，乘客需要通过车辆舱两侧楼梯进去上一层旅客舱室，乘客和车辆存在共用通道，可能存在安全隐患。超级电容车客渡船依据客位人数多、登离船频次高的要求，创新性地将乘客舱室与车辆甲板布置在同一层，且满足车客分离的安全原则。车辆甲板两舷布置细长型乘客舱室，乘客由舷侧登乘，通过舷侧走道步行6.0 m即可到达乘客舱室，乘客登船后步行距离短、安全且高效，满足无障碍通行的设计要求。乘客登离船通过舷侧乘客专用舷门。每舷乘客舱室客位数75人，两舷共150人。保留常规设计优点，上一层甲板布置有15人的小型豪华乘客舱室。考虑横沙岛运力需求与长远规划，目标客位数定位为165人，均设固定座椅，无散席。乘客处所与车辆处所保持A级防火分隔，满足车客分离原则，保障乘客安全，图1为乘客舱室布置效果。
车客同层设计适用于航程时间短、客位数多的情况，符合车客分离的安全性原则，具备登离船通行效率高的优点。
2.2滚装处所布置
横沙岛与大陆之间没有桥梁或隧道，本船作为连接横沙岛和外界的唯一载体，滚装处所的设计要满足各种车辆的装载，包括小汽车、公交车、旅游巴士以及卡车、泵车、建筑工程车等。超级电容车客渡船根据实际需求设一层全通滚装车辆甲板（主甲板），中间无立柱等障碍物。滚装处所长度与船舶总长相同，即贯穿船舶艏艉。滚装处所宽度9.0 m，全船范围内等宽设计，滚装车辆可无障碍通行。滚装处所高度净高设计为4.5 m。滚装甲板为纵骨架式结构，设强横梁及纵桁，最大轴载荷可达13.0 t，最大单车荷重可达49.0 t。
滾装甲板设3根主车道，每根主车道长51.0 m，宽2.3 m，可装载标准车辆RT43L共30辆。滚装车辆登离船采用无掉头设计，极大限度提高滚装货物的装卸效率和行车安全。滚装甲板艏艉贯通，船舶艏、艉均可停靠码头，到港与出港采用不同方向停靠码头，可实现滚装车辆登离船无掉头设计。滚装甲板设置绑扎系固设备，采用埋入式地铃，车辆甲板载车区域设置防滑条，此外还配备适当数量的多种规格的木楔，用作车辆甲板上车辆轮垫。在车辆甲板的首部和尾部两端，设置车辆止挡装置。止挡装置通过液压缸驱动进行竖起和平放，船舶航行中保持竖起工作状态，靠码头时保持平放收藏状态（靠码头侧挡板收藏），不影响滚装车辆通行。
2.3稳性分舱布置
超级电容车客渡船完整稳性和破舱稳性满足最新内河船舶规范《内河船舶法定检验技术规则》要求，全船设1道舱壁甲板和6道主横舱壁，从艏至艉依次划分为艏尖舱、NO.1空舱、NO.2空舱、超级电容舱、辅机舱、推进机舱和艉尖舱。此外，艏艉各设置一对边压载水舱，用以调整横倾和纵倾。船舶在任何一种典型的航行工况下艏倾不超过0.5m，艉倾不超过1.5%垂线间长，即0.9m。典型航行工况和破舱稳性计算工况包括压载出港、压载到港、满载客货出港、满载客货到港、满客无货到港。破损范围假定在相邻两主横舱壁间的任何位置经受破损。稳性计算及乘客集舷的影响，计算结果表明该船稳性符合法规要求。
3超级电容应用设计
3.1航线特点
目标船为满足横沙岛居民出行需求，运营时间为每天上午6：00至下午10：00，单个航次设计为20分钟，其中正常航行工况5分钟、进出港工况5分钟、码头停泊工况10分钟，每天累计运营48个航次。因此该船动力系统需匹配航行时间短、进出港频繁、停泊时间短等航行特点。 3.2能源选择
到目前为止，燃油动力在船舶上的应用是最广泛的，也是历史最为悠久的。除了传统燃油动力外，船用新能源包括LNG、风能、太阳能和电能等，其优缺点总结如表1所示。根据长兴-横沙航线特点，电能符合目标船使用要求，它能實现零排放、提高船舶能效效率、提高乘客和船员的舒适度。长兴-横沙航程短，规避了电能航程受限的缺点。推进系统选用双全回转推进器，降低目标船频繁靠离港时操船负荷，提高登离船乘客和车辆的安全性。统计表明，全电力推进车客渡船维修保养费用较一般机械推进系统减低了54%[2]。
电动船常用电能储能装置是充电电池，突出优点是比能量高、能量单价低。超级电容也可以作为船用储能装置，基于表2能量存储装置性能比较，超级电容的性能特点主要有：
（1）超级电容可以快速充电，反复循环数十万次;
（2）超级电容存储能量多，能量转换效率高，发热低;
（3）超级电容荷电状态与电压构成线性关系;
（4）超级电容可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响;
（5）超级电容额定电压范围内可以被充电至任意电位。
基于目标船使用需求，设计了高能超级电容和磷酸铁锂电池两套技术方案，见表3。超级电容在循环寿命、充电时间上具备明显优势。超级电容是通过极化电解质来储能的，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，在储能过程中并未发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，充放电可达数十万次[4]。
3.3超级电容
为响应崇明世界级生态岛的发展定位，目标船把低碳减排、节能环保的绿色生态设计理念放在首位，结合长兴-横沙航线特点，首创性的应用超级电容作为动力源为全船负载供电，实现船舶航行有害气体零排放，符合未来车客渡船的发展趋势。超级电容车客渡船配备总容量为625 kWh的超级电容，具体参数见表4。电容器布置在两个独立的电容舱内，配备独立通风系统和七氟丙烷灭火系统。超级电容可使用的工况包含所有航行工况、进出港工况和停泊工况。超级电容柜设计有过放、过压、过流、过热、过载、短路等保护与报警功能，包含电源管理系统，具备单体电压、模块温度自动均衡功能。
直流充电桩布置在两舷船中处，配遥控旋转门，充电装置由机械臂自动连接在受电桩上，充电时间10 min。岸基能源供给系统参考新型轨道式供电装置和柔性受电连接系统设计[5]，由10kV电网、10kV/690VAC变电站、1500A/ 1000VDC充电机、充电装置、受电装置以及储能系统构成。
4 绿色生态设计
4.1绿色船舶符号
超级电容车客渡船满足中国船级社《内河船舶绿色船舶规范2020》中绿色附加标志“绿色船舶-2”设计，该规范于2020年2月1日正式生效，超级电容车客渡船积极响应新规范要求，采用创新技术实现节约资源和能源、减少环境污染、保护操作和使用的人员。
4.2动力系统冗余
超级电容车客渡船在满足法规规范安全要求的基础上，增加了动力系统冗余设计，提供多重安全保障。超级电容可为全船负载供电的同时，设两台柴油发电机作为备用电源，两套超级电容同时发生故障时，可启动柴油发电机为全船提供动力。柴油发电机功率450 kW，布置于辅机舱内。
4.3恶劣海况安全开航
渡运受大风、大雾、大雨、强对流天气等自然条件影响较大。长江渡船操作性能差、抗风浪能力差，大风、大雾、大雨、大水等不良自然条件对长江渡运动影响较大，安全隐患突出[6]。考虑到本船是连接横沙岛和外界的唯一通道，为了减少由于恶劣天气给岛上人民出行带来的影响，本船稳性满足8级风开航的要求。根据中国船级社《河船开航分级限制的核定办法》，该船风压稳性横准数Kf大于1.85，见表5。
Kf=Mq/Mf≥1.85
Mq： 计入横摇影响的最小倾覆力矩，kN·m
Mf： 风压倾侧力矩，kN·m
4.4乘客逃生通道冗余
超级电容车客渡船在船舶首尾两端、左右两舷各设一处逃生登乘集合站，涵盖乘客舱室各出入口，且逃生登乘集合站与滚装处所保持A级防火分隔，保障乘客船员安全逃生。
5外观造型设计
5.1整体造型
超级电容车客渡船整体造型采用流线型设计，各层甲板连线由船中向首尾逐层降低，层次分明，协调统一，整体造型如图2所示。驾驶甲板和车辆甲板舷侧用玻璃幕墙勾勒出两道曲线，辅以外板油漆配色方案，营造星辰大海的氛围。
5.2桅灯优化
超级电容车客渡船后桅灯布置在驾驶甲板尾部，满足于前桅灯间距大于1/2船长的规范要求，但后桅灯高度影响整船造型轮廓，对艺术感表达有一定的破坏性。电动可倒桅杆[7]的设计，可保证该船整体造型，且能够满足桅灯布置要求。
6展望
超级电容在车客渡船上的应用切实可行，尤其适用于环保要求高、航行停泊时间短、航次频率高的短途岛际航线和短距离内河航线。随着超级电容及相关配套设备的发展成熟，绿色环保的超级电容将会更普遍地推广应用于各类船舶上。
参考文献：
[1]于圣堂， 王丹. 22车位车客渡船优化设计[J]. 上海船舶运输科学研究所学报， 2018， 41（1）： 17-22.
[2]蔡薇，周发模，周春锋.船舶全电力推进系统的适装性初步分析[J].船海工程，2007（05）：1- 3.
[3]宇惠诚. 电气化学キヤパシタ用电解质[J]. 电气化学お.
[4]马浩然， 管义锋， 胡晨澍， 等. 超级电容渡船—城市内河交通新构想[J]. 机电设备， 2015（3）： 30-33.
[5]尹奇志，刘加诚，严新平.基于岸基能源的江汉运河船舶电力供给系统设计[J].船海工程，2018，47（04）：31-35.
[6]周崇喜.基于态势分析法的长江渡运安全对策研究[J].船海工程，2010，39（02）：155-157.
[7]徐芝良， 丁超， 樊红元， 等. 一种可倒式船舶灯桅[P]. 中国： ZL201610186255.0， 2017.
关键词：超级电容;车客渡船;绿色环保
中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）06-0107-04
党的十九大报告提出了“坚持人与自然和谐共生”的基本方略，党中央、国务院要求加快推进生态文明建设、打好污染防治攻坚战的部署，交通部大力推进生态交通建设和绿色航运发展。国际海事组织也在大力推进船舶大气污染防治，《国际防止船舶造成污染公约》要求自2020年1月1日起全球水域普遍使用硫含量小于0.5%的燃油，很多国家也正在逐步加强对氮氧化物排放的控制要求。结合国际国内船舶污染防治的新形势新要求，我国沿海及内河航行的船舶应严格控制污染排放、逐步升级环保标准。整治船舶污染，首推船舶动力的电动化，而这在中短途运输、中小量运输的内河航运船舶上已率先启动。随着高能蓄电池、超级电容以及快速充电等技术的快速发展，以蓄电池或超级电容等为供电来源的纯电动船舶可以取代传统重燃油推进船舶应用在短途的岛际交通运输和短距离内河航运中，避免重燃油机产生的温室气体、硫氧化物、氮氧化物等气体污染物和噪声对生态环境造成的污染以及对船员健康造成的伤害，符合当前乃至未来船舶污染防治要求。
1主尺度要素
目标船航行于我国长江入海口的长兴岛和横沙岛之间，属于内河A级航区，需承载旅客、中小型汽车、载重汽车等。该航线上当前运营的船舶是由柴油机驱动的常规燃料车客渡船，其中，最新设计是一型22车位车客渡船[1]。根据两岸码头的现有设施、跳板尺寸、港口水深以及吨位要求等限制条件，目标船主尺度论证结果：总长65.0m，型宽14.5m，型深4.3m，吃水2.5m，载重量210t，车道总长51.0m，乘客定额165人，定员20人。
2总体设计
2.1乘客处所布置
现有渡船的旅客舱室和车辆舱室分别设置在车辆甲板和旅客甲板两层[1]，乘客需要通过车辆舱两侧楼梯进去上一层旅客舱室，乘客和车辆存在共用通道，可能存在安全隐患。超级电容车客渡船依据客位人数多、登离船频次高的要求，创新性地将乘客舱室与车辆甲板布置在同一层，且满足车客分离的安全原则。车辆甲板两舷布置细长型乘客舱室，乘客由舷侧登乘，通过舷侧走道步行6.0 m即可到达乘客舱室，乘客登船后步行距离短、安全且高效，满足无障碍通行的设计要求。乘客登离船通过舷侧乘客专用舷门。每舷乘客舱室客位数75人，两舷共150人。保留常规设计优点，上一层甲板布置有15人的小型豪华乘客舱室。考虑横沙岛运力需求与长远规划，目标客位数定位为165人，均设固定座椅，无散席。乘客处所与车辆处所保持A级防火分隔，满足车客分离原则，保障乘客安全，图1为乘客舱室布置效果。
车客同层设计适用于航程时间短、客位数多的情况，符合车客分离的安全性原则，具备登离船通行效率高的优点。
2.2滚装处所布置
横沙岛与大陆之间没有桥梁或隧道，本船作为连接横沙岛和外界的唯一载体，滚装处所的设计要满足各种车辆的装载，包括小汽车、公交车、旅游巴士以及卡车、泵车、建筑工程车等。超级电容车客渡船根据实际需求设一层全通滚装车辆甲板（主甲板），中间无立柱等障碍物。滚装处所长度与船舶总长相同，即贯穿船舶艏艉。滚装处所宽度9.0 m，全船范围内等宽设计，滚装车辆可无障碍通行。滚装处所高度净高设计为4.5 m。滚装甲板为纵骨架式结构，设强横梁及纵桁，最大轴载荷可达13.0 t，最大单车荷重可达49.0 t。
滾装甲板设3根主车道，每根主车道长51.0 m，宽2.3 m，可装载标准车辆RT43L共30辆。滚装车辆登离船采用无掉头设计，极大限度提高滚装货物的装卸效率和行车安全。滚装甲板艏艉贯通，船舶艏、艉均可停靠码头，到港与出港采用不同方向停靠码头，可实现滚装车辆登离船无掉头设计。滚装甲板设置绑扎系固设备，采用埋入式地铃，车辆甲板载车区域设置防滑条，此外还配备适当数量的多种规格的木楔，用作车辆甲板上车辆轮垫。在车辆甲板的首部和尾部两端，设置车辆止挡装置。止挡装置通过液压缸驱动进行竖起和平放，船舶航行中保持竖起工作状态，靠码头时保持平放收藏状态（靠码头侧挡板收藏），不影响滚装车辆通行。
2.3稳性分舱布置
超级电容车客渡船完整稳性和破舱稳性满足最新内河船舶规范《内河船舶法定检验技术规则》要求，全船设1道舱壁甲板和6道主横舱壁，从艏至艉依次划分为艏尖舱、NO.1空舱、NO.2空舱、超级电容舱、辅机舱、推进机舱和艉尖舱。此外，艏艉各设置一对边压载水舱，用以调整横倾和纵倾。船舶在任何一种典型的航行工况下艏倾不超过0.5m，艉倾不超过1.5%垂线间长，即0.9m。典型航行工况和破舱稳性计算工况包括压载出港、压载到港、满载客货出港、满载客货到港、满客无货到港。破损范围假定在相邻两主横舱壁间的任何位置经受破损。稳性计算及乘客集舷的影响，计算结果表明该船稳性符合法规要求。
3超级电容应用设计
3.1航线特点
目标船为满足横沙岛居民出行需求，运营时间为每天上午6：00至下午10：00，单个航次设计为20分钟，其中正常航行工况5分钟、进出港工况5分钟、码头停泊工况10分钟，每天累计运营48个航次。因此该船动力系统需匹配航行时间短、进出港频繁、停泊时间短等航行特点。 3.2能源选择
到目前为止，燃油动力在船舶上的应用是最广泛的，也是历史最为悠久的。除了传统燃油动力外，船用新能源包括LNG、风能、太阳能和电能等，其优缺点总结如表1所示。根据长兴-横沙航线特点，电能符合目标船使用要求，它能實现零排放、提高船舶能效效率、提高乘客和船员的舒适度。长兴-横沙航程短，规避了电能航程受限的缺点。推进系统选用双全回转推进器，降低目标船频繁靠离港时操船负荷，提高登离船乘客和车辆的安全性。统计表明，全电力推进车客渡船维修保养费用较一般机械推进系统减低了54%[2]。
电动船常用电能储能装置是充电电池，突出优点是比能量高、能量单价低。超级电容也可以作为船用储能装置，基于表2能量存储装置性能比较，超级电容的性能特点主要有：
（1）超级电容可以快速充电，反复循环数十万次;
（2）超级电容存储能量多，能量转换效率高，发热低;
（3）超级电容荷电状态与电压构成线性关系;
（4）超级电容可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响;
（5）超级电容额定电压范围内可以被充电至任意电位。
基于目标船使用需求，设计了高能超级电容和磷酸铁锂电池两套技术方案，见表3。超级电容在循环寿命、充电时间上具备明显优势。超级电容是通过极化电解质来储能的，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，在储能过程中并未发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，充放电可达数十万次[4]。
3.3超级电容
为响应崇明世界级生态岛的发展定位，目标船把低碳减排、节能环保的绿色生态设计理念放在首位，结合长兴-横沙航线特点，首创性的应用超级电容作为动力源为全船负载供电，实现船舶航行有害气体零排放，符合未来车客渡船的发展趋势。超级电容车客渡船配备总容量为625 kWh的超级电容，具体参数见表4。电容器布置在两个独立的电容舱内，配备独立通风系统和七氟丙烷灭火系统。超级电容可使用的工况包含所有航行工况、进出港工况和停泊工况。超级电容柜设计有过放、过压、过流、过热、过载、短路等保护与报警功能，包含电源管理系统，具备单体电压、模块温度自动均衡功能。
直流充电桩布置在两舷船中处，配遥控旋转门，充电装置由机械臂自动连接在受电桩上，充电时间10 min。岸基能源供给系统参考新型轨道式供电装置和柔性受电连接系统设计[5]，由10kV电网、10kV/690VAC变电站、1500A/ 1000VDC充电机、充电装置、受电装置以及储能系统构成。
4 绿色生态设计
4.1绿色船舶符号
超级电容车客渡船满足中国船级社《内河船舶绿色船舶规范2020》中绿色附加标志“绿色船舶-2”设计，该规范于2020年2月1日正式生效，超级电容车客渡船积极响应新规范要求，采用创新技术实现节约资源和能源、减少环境污染、保护操作和使用的人员。
4.2动力系统冗余
超级电容车客渡船在满足法规规范安全要求的基础上，增加了动力系统冗余设计，提供多重安全保障。超级电容可为全船负载供电的同时，设两台柴油发电机作为备用电源，两套超级电容同时发生故障时，可启动柴油发电机为全船提供动力。柴油发电机功率450 kW，布置于辅机舱内。
4.3恶劣海况安全开航
渡运受大风、大雾、大雨、强对流天气等自然条件影响较大。长江渡船操作性能差、抗风浪能力差，大风、大雾、大雨、大水等不良自然条件对长江渡运动影响较大，安全隐患突出[6]。考虑到本船是连接横沙岛和外界的唯一通道，为了减少由于恶劣天气给岛上人民出行带来的影响，本船稳性满足8级风开航的要求。根据中国船级社《河船开航分级限制的核定办法》，该船风压稳性横准数Kf大于1.85，见表5。
Kf=Mq/Mf≥1.85
Mq： 计入横摇影响的最小倾覆力矩，kN·m
Mf： 风压倾侧力矩，kN·m
4.4乘客逃生通道冗余
超级电容车客渡船在船舶首尾两端、左右两舷各设一处逃生登乘集合站，涵盖乘客舱室各出入口，且逃生登乘集合站与滚装处所保持A级防火分隔，保障乘客船员安全逃生。
5外观造型设计
5.1整体造型
超级电容车客渡船整体造型采用流线型设计，各层甲板连线由船中向首尾逐层降低，层次分明，协调统一，整体造型如图2所示。驾驶甲板和车辆甲板舷侧用玻璃幕墙勾勒出两道曲线，辅以外板油漆配色方案，营造星辰大海的氛围。
5.2桅灯优化
超级电容车客渡船后桅灯布置在驾驶甲板尾部，满足于前桅灯间距大于1/2船长的规范要求，但后桅灯高度影响整船造型轮廓，对艺术感表达有一定的破坏性。电动可倒桅杆[7]的设计，可保证该船整体造型，且能够满足桅灯布置要求。
6展望
超级电容在车客渡船上的应用切实可行，尤其适用于环保要求高、航行停泊时间短、航次频率高的短途岛际航线和短距离内河航线。随着超级电容及相关配套设备的发展成熟，绿色环保的超级电容将会更普遍地推广应用于各类船舶上。
参考文献：
[1]于圣堂， 王丹. 22车位车客渡船优化设计[J]. 上海船舶运输科学研究所学报， 2018， 41（1）： 17-22.
[2]蔡薇，周发模，周春锋.船舶全电力推进系统的适装性初步分析[J].船海工程，2007（05）：1- 3.
[3]宇惠诚. 电气化学キヤパシタ用电解质[J]. 电气化学お.
[4]马浩然， 管义锋， 胡晨澍， 等. 超级电容渡船—城市内河交通新构想[J]. 机电设备， 2015（3）： 30-33.
[5]尹奇志，刘加诚，严新平.基于岸基能源的江汉运河船舶电力供给系统设计[J].船海工程，2018，47（04）：31-35.
[6]周崇喜.基于态势分析法的长江渡运安全对策研究[J].船海工程，2010，39（02）：155-157.
[7]徐芝良， 丁超， 樊红元， 等. 一种可倒式船舶灯桅[P]. 中国： ZL201610186255.0， 2017.