淺談船舶及海洋工程與新能源

利嘉成

【摘?要】隨著經濟的發展，人們生活水平的提高，人們逐漸意識到可持續發展的重要。隨著海上經濟向著可持續化方向發展，柴油動力船舶的環境污染問題引起社會各界關注。柴油動力船舶會發生燃油泄漏等事故，不利于海上環境的可持續發展。近年來，風能、太陽能等新能源為動力的船舶動力系統獲得了社會各界的重視。相對于傳統的柴油動力系統，基于新能源的船舶動力系統具有環保、可持續的特點，但也存在能量分散、密度低，且易受氣象條件影響。本文就船舶及海洋工程與新能源展開探討。

【關鍵詞】船舶電力;新能源;電力電子

引言

目前，利用新能源作為動力系統需要解決的關鍵問題是電能的轉換，即通過電力變換裝置使發電設備輸出的電能在形式上與現有的用電設備的要求相匹配，在品質上滿足用戶的需求。如何采用電力電子開關器件構造合適的電力變換裝置是能否解決上述問題的關鍵。隨著電力電子器件、變流技術、傳動控制系統以及新能源和新材料等高新技術的飛速發展，船舶電力推進系統正在經歷著巨大變革。但是，長期形成的學科體系和行業的條塊分割，成為制約新能源與電力推進系統廣泛應用和發展的主要瓶頸之一。因此，特別需要通過學科交叉研究和開發與新能源發電設備配套的電力電子功率變換器，通過系統集成形成產品，以方便用戶。而且，由于船舶系統的專業性和特殊性，這一大功率電力傳動控制系統的重要應用領域未得到應有的關注和重視，致使國內在這方面的研究與國外先進水平的差距更加明顯。這也同時給電力電子與傳動控制領域帶來一個巨大的發展機遇和空間。

1新能源發電在在船舶電力推進中的應用

1.1風力發電

風能發電就是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。其優點是可以再生，分布廣泛、沒有污染，但穩定性較差，投資成本較高。船舶發電機組的輸出的電壓幅值和頻率受風速的影響很大，因此，船舶利用風能推進要配置電力電子功率變換器來進行換流控制，使發電機組的輸出電壓處于恒壓與恒頻狀態，功率變換器與風力發電機的系統集成一般有有直接輸出型風力發電系統與雙饋型風力發電機系統兩種方案。

1.2太陽能電池

自上世紀50年代第一塊實用的硅太陽電池研制成功，太陽能光電技術已歷經了半個世紀的發展。目前占主流的太陽電池是硅太陽電池，它又分單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池（總稱晶體硅太陽電池）和非晶硅太陽電池。目前，單晶硅太陽電池組件的平均效率已達到3%～15%，多晶硅太陽電池組件的平均效率已有12%～14%。未來的研究趨勢表現為兩方面：一方面，研究新的光電技術，比如有機納米晶太陽電池;另一方面研究晶體硅薄膜太陽電池，開發大功率太陽能模塊，這些模塊由單晶硅制成，再罐裝到經過特別處理的雙層玻璃之間。這些大功率太陽能模塊產生的能量比其他太陽能電池要大10%左右。與此同時，太陽能光電技術應用系統方面，在歷經了交通信號、通信、管網保護和邊遠無電、缺電地區的居民家庭供電等方面的特殊場合應用以后，現在正在邁向較大規模的商業應用。一方面，兆瓦級陽光電站不斷出現，在已建成的兆瓦級電站中，最大的已達到6.5MW;另一方面，近年來許多國家的政府都非常重視屋頂陽光發電系統的發展。這些系統以家庭為單位進行安裝供電，同時為了降低造價省去儲能部件（蓄電池），與大電網相聯，互相補充電能。

1.3燃料電池

燃料電池就是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，直接轉化為電能的裝置的電池，燃料電池的優點是來源豐富，熱值高、能量轉換效率高、無污染，但耗能大，儲存和運輸困難。利用燃料電池船舶推進系統必須利用直流斬波器和逆變器構成的功率變換裝置進行變換，將燃料電池的輸出電壓與船舶驅動電機進行匹配。同時燃料電池電壓輸出特性相對較軟，不能直接對船舶驅動機供電，應該要設置DC/DC變換環節。由直流斬波器或開關電源輸出直流電。船舶推動如果是直流負載，可采用DC/DC變換，如果是交流負載可采用DC/AC變換器。

1.4核能的應用

核能作為一種動力能源，其產生的能量是巨大的，核動力裝置早已經被應用于潛艇和航空母艦等軍用艦船，其優越性相當明顯。但是由于擔心放射性物質污染航道、港口和城市環境，許多港口不愿接受這種核動力船舶的進出，特別是國際上烏克蘭及日本核泄露的影響更讓人對此無法接受。所以目前來說民用船舶除了一些特殊的船舶如破冰船外，很少考慮使用核動力。不過隨著核技術的越來越成熟，相信民用商船會加大使用范圍的。

1.5海洋能的應用

海洋能是一種蘊藏豐富、分布廣、清潔無污染，但能量密度低、地域性強的能源形式，通常指蘊藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽差能等。目前，利用海洋能的主要發展方向是將海浪、海流等短周期波所具有的動能和勢能轉換為電能。在船舶上進行海洋能的利用受到多方面條件的制約：其一，海水能量密度不高造成機械能轉換為電能的設備過于龐大;其二，船舶在運營中是一個移動平臺，在其自身運動過程中同時利用海洋能，將對其自身造成不可避免的負面影響，如船舶流阻增大和動力性降低等問題。故而直接在航運船舶上應用海洋能不是首推的研究方向。但是根據波浪能和水流能的特點，波浪能發電可應用于航標或者小型燈船，水流能可在躉船和航標船上得到應用。

2電力電子技術在船舶推進的應用

（1）船用UPS。UPS含有儲能裝置的電源，有直流UPS與交流UPS兩大類，是船舶電力系統的重要構成部分，在船舶瞬間失電或船舶電力推進系統的整流單元發生故障時，裝置可以改為由蓄電池向重要負載提供不間斷的電力供應。蓄電池放電過深或逆變器故障時，負載自動轉由備電通過旁路開關直接供電，保證供電連續性。（2）有源濾波器。當前，艦船推進電力系統的容量愈來愈大，負載種類以及數量不斷增多，輸出功率也不斷增大，對電力系統電力品質的要求也愈來愈高，大量實踐表明，在船舶電力推進系統中使用電抗的無源濾波技術措施不能提升電網的品質，而裝置有源濾波器能夠有效抑制負載投切帶來的網側諧波，同時，也能夠用于推進電機電流輸入側以平滑轉矩，能有效降低船舶在行駛中產生的振動與噪聲。在因此，當前船舶電力推動中的直流配電系統的交流負載側加如有源濾波器能夠使交流負載獲得良好的供電質量，目前逐步被廣泛利用。（3）電機驅動變頻器。在船舶推進系統的電力負荷中，風機與泵類等電動機負載比重很大，因此通過變頻器對風機與泵類等電動機進行調速控制能夠提升船舶推進的各項性能指標，船舶應用于電力推進電動機的調速變頻器主要有CSR直流調速、電流源逆變器、循環變流器以及PWM變頻器等。

結語

總之，當前新能源與電力電子傳動控制是船舶電力推進研究的重要內容，在船舶航運上應用的更加廣泛，利用效率也會越來愈高，是解決當前環境污染問題和資源枯竭問題的重要途徑，應用的前景必定更加廣闊。

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（作者單位：廣州航海學院）