A Propulsion System Design Methodology Based on Overall Efficiency Optimization for Electrically-Powered Vessels
Fecha
2022
Autores
Mira Pineda, Juan David
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Boats have historically been an important mean of transportation, both for passengers and cargo, mainly in water-rich countries. Today, the electrification of transportation includes fluvial navigation, but energy efficiency remains a key issue. Energy consumption, in electrically powered vessels, is strongly influenced by several technical systems (e.g. hydrodynamics, battery, propulsion, etc.). While advances in some of those main systems are found in the literature, this research work focuses on
the design and optimization of the “propulsion system (PS)” (Motor–Transmission–Propeller). By implementing an electric motor, the interaction of the mechanical components can be analyzed to find the optimal variables that will govern the performance of the vessel and that allow the optimal Motor–Transmission–Propeller combination. This manuscript presents the development of a multivariable optimization methodology to maximize the overall efficiency of a propulsion system and, therefore, the autonomy of an electrically powered river vessel. The methodology starts with the analysis of the physical variables that define the performance of the propulsion unit components, and establish an optimality problem and an exhaustive search model that considers all possible values of the key design parameters. A case study is presented for the design of an electrically powered river boat, for the transport of people, within the framework of the ENERGETICA 2030 project. This methodology enabled the choice of the PS’s components, while optimizing the energy consumption.
Descripción
Las embarcaciones han sido históricamente un medio de transporte muy relevante, tanto de pasajeros como de carga, principalmente en países con gran riqueza hídrica. Hoy en día, la electrificación del transporte incluye estas alternativas, pero el uso eficiente de la energía sigue siendo una cuestión clave. El consumo de energía en las embarcaciones de propulsión eléctrica está muy influenciado por varios ámbitos técnicos (por ejemplo, hidrodinámica, batería, propulsión, etc.). Así como en la literatura se encuentran avances en algunos de los principales sistemas, este trabajo de investigación se centra en el diseño y la optimización del “sistema de propulsión” (motor-transmisión-hélice). Al implementar un motor eléctrico, se puede analizar la interacción de los componentes mecánicos para encontrar las variables óptimas que regirán el rendimiento de la embarcación y que permiten establecer la combinación óptima de motor-transmisión-hélice. Este manuscrito presenta el desarrollo de una metodología de optimización multivariable para maximizar la eficiencia global del sistema de propulsión, y por tanto la autonomía,
en el diseño de embarcaciones eléctricas. Se propone una aproximación desde las variables físicas que definen el rendimiento de los componentes de la unidad de propulsión, a través de una formulación del problema de optimalidad y un modelo de búsqueda exhaustiva que considera todos los valores posibles de los parámetros clave de diseño. Se presenta un caso de estudio para el diseño de una embarcación fluvial de propulsión eléctrica, para el transporte de personas dentro del marco del proyecto ENÉRGETICA 2030. A partir de los resultados de este trabajo de investigación, se diseña y presenta el sistema de propulsión de este buque en sus fases de diseño conceptual y de detalle, así como la información técnica para su fabricación.