西門子為CityAirbus提供動力系統(tǒng)

自2016年起，西門子與空客公司一直在合作研發(fā)面向領(lǐng)域的混合動力電力推進(jìn)系統(tǒng)。CityAirbus是采用這些技術(shù)的開創(chuàng)性飛機(jī)之一；它是一架針對城市空中交通的特殊需求而設(shè)計的驗證機(jī)，具有性意義。CityAirbus計劃將于今年晚些時候?qū)崿F(xiàn)首飛，它已實現(xiàn)一個重要的里程碑：地面測試已經(jīng)開始。

在位于德國奧托布倫的測試中心，空客公司項目經(jīng)理Martin Nüsseler先生、空客公司直升飛機(jī)業(yè)務(wù)部CityAirbus項目負(fù)責(zé)人Marius Bebesel和西門子電動飛機(jī)業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人Frank Anton博士接受了我們的專訪，與我們分享這個振奮人心的項目。

Nüsseler先生，Anton博士，我們面前的這個東西究竟是什么？

Nüsseler：我們面前的這個東西是“鐵鳥”CityAirbus。CityAirbus是一架針對城市交通而設(shè)計的電動多旋翼飛行器。這只“鐵鳥”的使命是對整個推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行端到端測試。它包含電池、配電系統(tǒng)和電力推進(jìn)裝置，可通過自主飛行控制系統(tǒng)，在閉環(huán)控制回路中進(jìn)行操作。在這個全系統(tǒng)測試臺上，我們正在操作并驗證整個系統(tǒng)的動態(tài)性能，包括電氣、散熱和機(jī)械等方面。這套裝置配備西門子電力傳動單元，它連接至模擬實際螺旋槳負(fù)荷的負(fù)載電機(jī)上。這是CityAirbus邁向首飛途中的重要里程碑，首飛計劃將于今年晚些時候進(jìn)行。

在將動力系統(tǒng)安裝到CityAirbus中之前，

它必須在地面實現(xiàn)可靠運行并通過嚴(yán)格測試。

在全系統(tǒng)測試臺上，西門子和空客公司正在操作并驗證整個系統(tǒng)的動態(tài)性能，包括電氣、散熱和機(jī)械等方面。

探：Martin Nüsseler、Frank Anton和Marius Bebesel（從左至右）在CityAirbus測試中心。

除用于驅(qū)動包端螺旋槳的電機(jī)之外，西門子還開發(fā)了變頻器和電力管理系統(tǒng)。

Anton：這里你看到的8臺電機(jī)，構(gòu)成了動力系統(tǒng)，每臺電機(jī)的大功率為200kW，它們是專門針對這個特定應(yīng)用而設(shè)計的。它們的扭矩密度高達(dá)30Nm/kg，這實際上刷新了紀(jì)錄。換句話說，這些重量不足50公斤的電機(jī)，可以產(chǎn)生1500Nm的額定扭矩。除電機(jī)之外，西門子還提供了變頻器和電力管理系統(tǒng)。順便說一下，我們在很短時間內(nèi)完成了動力系統(tǒng)的交付。從初的構(gòu)思，到終的原型，我們僅用9個多月時間就完成了。這無疑歸功于我們兢兢業(yè)業(yè)的團(tuán)隊，以及強(qiáng)大的數(shù)字化工具，特別是來自PLM的SimcenterTM，這是電動飛機(jī)業(yè)務(wù)部在研發(fā)工作中通常使用的工具。

您可否詳細(xì)談?wù)凜ityAirbus及其應(yīng)用領(lǐng)域？另外，對于電動飛機(jī)的未來，這個項目有何重大意義？

Nüsseler：由電池供能的CityAirbus是一種城市空中交通工具。在擁堵的特大城市，它能以高達(dá)120公里的時速，安全、快速地運送多4名乘客，而不產(chǎn)生任何局部排放，并且運營成本較低。典型的飛行目的地包括機(jī)場、火車站或摩天大廈的樓頂。初期，CityAirbus將由飛行員駕駛，不過，自主飛行的無人飛機(jī)亦在計劃之中。

Anton：由4個涵道螺旋槳傳動裝置構(gòu)成的創(chuàng)新配置，地提高了系統(tǒng)安全性，并確保降低噪聲。不論何種情況下，將交通拓展至“第三維度”（即：空中）的好處是，電機(jī)比常規(guī)發(fā)動機(jī)更安靜，且低排放。這種應(yīng)用充分利用了電動交通的各種優(yōu)勢，然而，這只是其中一小部分。CityAirbus必須垂直起飛和降落，并且能夠在各個方向上機(jī)動飛行。此外，它沒有滑翔機(jī)翼。這意味著，它的起飛動力必須*來自動力系統(tǒng)。它的動力系統(tǒng)采用大扭矩電機(jī)，這是實現(xiàn)這種應(yīng)用的理想解決方案。

它什么時候可以載人飛行？首飛計劃的下一步是什么？

Bebesel：我們計劃在今年年中把推進(jìn)系統(tǒng)實體集成到驗證機(jī)中。CityAirbus的初始結(jié)構(gòu)已經(jīng)生產(chǎn)完畢，現(xiàn)在正在裝配。要實現(xiàn)飛機(jī)量產(chǎn)，還必須進(jìn)一步優(yōu)化配置，以滿足城市空中交通要求，并提高商業(yè)盈利能力。在2025年之前，技術(shù)上將可實現(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化，但這取決于，這種城市空中交通在公眾接受度、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和法規(guī)制定等方面的進(jìn)展。

Anton：我們在這個項目中的工作，展示了利用電動飛機(jī)來補充城市交通的技術(shù)可行性。我們希望，對驗證機(jī)的飛行測試可以支持我們獲得機(jī)型認(rèn)證，同時也激發(fā)公眾對這一概念的熱情。

即插即用：船只的岸邊“插座”

直到近，停泊在港口的船只都需要利用柴油發(fā)電機(jī)來為船上的電網(wǎng)供電?，F(xiàn)在，西門子的解決方案能為船只提供岸電。這樣一來，貨船和游輪就無需使用自己的發(fā)電機(jī)，而這也意味著它們在當(dāng)?shù)貙⒉辉佼a(chǎn)生氣體排放或制造噪音。這個解決方案的應(yīng)用案例位于德國的庫克斯港。它正在幫助一座風(fēng)機(jī)制造工廠減少自己的碳排放。

在市場中，大約90%的貨物都由船只運輸，而大多數(shù)船只都由柴油發(fā)電機(jī)提供電力。但是，它們不僅會在海上產(chǎn)生排放，?？吭诖a頭時也需要電力。這就是*每個碼頭都在運作船用發(fā)電機(jī)的原因——為貨船、游輪或渡船供電。但是，這也導(dǎo)致了大量二氧化碳、氮氧化合物和顆粒物的排放。因此，許多港口運營方?jīng)Q定設(shè)法消除隨這些供電行為而來的空氣與噪音污染。此外，越來越多的航運公司也希望變得更加環(huán)境友好。因此，它們開始讓自己的船只使用岸電。

將二氧化碳排放減半

德國漢堡市西部的庫克斯港北海碼頭內(nèi)的一座新設(shè)施就是一個很好的例子。它于2018年5月25日投運。在這里，船只可以關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)并接入由西門子開發(fā)的岸電基礎(chǔ)設(shè)施Siharbor來獲得電力。Siharbor可提供一個定制的貨船電纜饋線系統(tǒng)，使用來自公共電網(wǎng)的電力為船只供電。

西門子的這項技術(shù)已在呂貝克和漢堡阿爾托那應(yīng)用。它可以避免在當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生氣體排放和噪音污染。位于庫克斯港的這座設(shè)施由當(dāng)?shù)仉娏?/span>EWE Netz GmbH為一個德國北部的港口基礎(chǔ)設(shè)施公司下薩克森州港口公司（NPorts）建設(shè)，主要的服務(wù)對象是滾裝船。這類船只的貨物通常由專門的牽引車直接進(jìn)出貨艙裝卸。

西門子歌美颯可再生能源公司（西門子歌美颯）是的風(fēng)電供應(yīng)商之一。由于公司在庫克森港設(shè)施附近建設(shè)的風(fēng)機(jī)制造工廠近期投運，它將成為這個系統(tǒng)的主要用戶。西門子歌美颯將利用岸電基礎(chǔ)設(shè)施為風(fēng)機(jī)零件的運輸供電，這些零件將送往它位于英國赫爾的姐妹工廠。

如此一來，零件運輸帶來的排放將大大減少。“如果我們假設(shè)每條船每周在庫克斯港?？?/span>24小時，它的柴油發(fā)電機(jī)將會排放高達(dá)359噸的二氧化碳。”西門子負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的銷售工程師Thomas Kopel表示。“但是，有了岸電，根據(jù)能源種類的不同，整體二氧化碳排放量會大大減少。例如，根據(jù)歐盟能源組合標(biāo)準(zhǔn)，每條船的二氧化碳排放量大約為170噸，比原來減少了超過一半。當(dāng)然，如果利用可再生能源發(fā)電會為理想，那樣二氧化碳排放量將會降到零。”

為了保持船上設(shè)施和高壓交流系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，當(dāng)船只停泊時，它們依然會燃燒燃料。因此，漢堡港口需要依靠由Siharbor提供的可持續(xù)的電力供應(yīng)。

低壓轉(zhuǎn)換器

Siharbor岸電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為630千瓦。它包含一個換流站（SIPLINK）和一個電纜饋線系統(tǒng)。饋線系統(tǒng)還帶有一根可連接船體的傳輸線。供電系統(tǒng)沿碼頭移動至目標(biāo)船，而它的電纜則排布在海堤內(nèi)一個覆蓋著鋼板的溝渠里。一只機(jī)械臂會將電纜傳遞到船上，然后電纜會通過插頭連接至船上電網(wǎng)。

整個岸邊連接設(shè)施都可以從船上遠(yuǎn)程遙控，*不需要額外人力。此設(shè)施還能根據(jù)潮汐情況自動調(diào)整機(jī)械臂的高度以將電纜從合適的高度傳遞到船上。在庫克斯港，根據(jù)潮汐的情況和船的負(fù)荷水平，這個高度的差距可達(dá)到12米。

由Siharbor轉(zhuǎn)換的電力可立即被船只使用。當(dāng)然，這些船只需要和電纜對應(yīng)的連接方式。連接成功后，公用電網(wǎng)提供的50赫茲電力將轉(zhuǎn)換為換流站所需的60赫茲的電力。“大約有75艘船使用60赫茲的船上電網(wǎng)。”Kopel說，“在美國之外，電網(wǎng)通常都以50赫茲的頻率運作。這就是為什么低壓轉(zhuǎn)換器是我們技術(shù)的核心。”

復(fù)雜的系統(tǒng)

“變壓器，轉(zhuǎn)換器和開關(guān)設(shè)備，在Siharbor系統(tǒng)里的西門子技術(shù)是我們的業(yè)務(wù)核心。由于主要組件之間的聯(lián)動，我們可以很好地控制在不同項目中大小不同的技術(shù)風(fēng)險。”負(fù)責(zé)Siharbor業(yè)務(wù)拓展的Knut Marquart表示。

Marquet認(rèn)為這種系統(tǒng)還未在普及的原因有幾點。“除加州以外，目前其他國家或地區(qū)都還沒有制定任何針對岸電基礎(chǔ)設(shè)施的政策和規(guī)范。但是，此領(lǐng)域前景可期，而我們已經(jīng)通過科技占據(jù)了一席之地。”

舉例來說，在庫克斯港，安裝Siharbor系統(tǒng)的主要原因是港口運營方要求減少船只產(chǎn)生的噪音。在漢堡阿爾托那，Siharbor系統(tǒng)在2016年投運，此后，?？吭诟劭诘挠屋嗛_始與之相連。這個解決方案至今仍是的，*一例。AIDA游輪公司發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示，使用Siharbor解決方案后，船只的燃料消耗量大約是1.2噸/小時。

政經(jīng)兩界的代表為庫克斯港Siharbor岸電基礎(chǔ)設(shè)施舉行投運儀式

廣泛的應(yīng)用

“Siharbor可以滿足來自港口運營方、船主、船塢和供電機(jī)構(gòu)的廣泛的需求，”Marquart表示。“它可以安裝在每個港口和每個錨位上，還可以根據(jù)任何船只種類的任何電力需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。”

Marquart也發(fā)現(xiàn)了其它領(lǐng)域內(nèi)的商機(jī)。“轉(zhuǎn)換器、開關(guān)和變壓器的組合也適用于許多其它領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，”他說。“從原則上來講，它在任何需要電網(wǎng)之間相互連接的領(lǐng)域內(nèi)都可以應(yīng)用。”類似的系統(tǒng)確實已在幫助提高石油與天然氣平臺的供電安全性并正在進(jìn)行電網(wǎng)內(nèi)的電力潮流管理。