小型電動風(fēng)電運維船的研究與展望

王圣品，高 佳

綜述

小型電動風(fēng)電運維船的研究與展望

王圣品，高 佳

（上海電氣風(fēng)電集團股份有限公司，上海 200233）

本文分析了小型電動船舶的發(fā)展背景和優(yōu)勢，通過結(jié)合國內(nèi)風(fēng)場實地運維場景工況和船舶混合動力系統(tǒng)實例，得出了風(fēng)電運維船動力系統(tǒng)的低排放或零排放設(shè)計發(fā)展方向和制約因素。本文可為小型電動風(fēng)電運維船的應(yīng)用和發(fā)展提供參考。

風(fēng)電運維船 混合動力 海上充電樁

0 引言

綠色環(huán)保的概念是貫穿于整個風(fēng)電行業(yè)，這就包括了海上風(fēng)電的運維階段。電動風(fēng)電運維船可以實現(xiàn)船舶運行的低排放，甚至在純電動時可以達到“零排放”，完全滿足國家對節(jié)能減排的要求，這也正是海上風(fēng)電行業(yè)建設(shè)的初衷。目前隨著電池技術(shù)的不斷革新、優(yōu)化，電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域、各行業(yè)、各種類型的新型混合動力，甚至純電動力船舶成為了各國船舶設(shè)計、建造的新趨勢。

1 小型電動風(fēng)電運維船的技術(shù)優(yōu)勢

1.1 節(jié)能減排，節(jié)約成本

根據(jù)風(fēng)電運維船具有固定運行工況的特點，可以通過定制化的船舶設(shè)計選型合適的推進系統(tǒng)及電池組，一定程度上較少燃油消耗。如：風(fēng)電運維船在各個風(fēng)機之間的運維航行或處于等待或停泊時的工況下，傳統(tǒng)的柴油機推進系統(tǒng)主機將處于低負荷運行工況，對于柴油機的油耗等方面是不經(jīng)濟的，此工況下完全可以使用純電池能源，達到節(jié)能減排和節(jié)約成本的需求。

1.2 提升船舶操縱性能及系統(tǒng)的冗余性，可靠性，靈活性

船舶低速巡航時，電池驅(qū)動的電動機的調(diào)速性能是優(yōu)于柴油機的，可以使得船舶低速下的操縱性更加靈活可靠。如使用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)時的主機與電動機共同驅(qū)動模式下，更能提高船舶的推進功率，可以用于大功率的頂推工況等。

主柴油機和電動機均可單獨工作，動力系統(tǒng)的冗余性顯著提高，充分保證船只運行的可靠性。同時船舶供電系統(tǒng)因為搭載應(yīng)急發(fā)電機，軸帶發(fā)電機，電池組，在使用上可以針對不同工況供電源選擇上更加靈活，更加經(jīng)濟。

2 小型電動風(fēng)電運維船的技術(shù)方案

2.1 混合動力方案類型

常見的船舶混合動力方案分為串聯(lián)式和并聯(lián)式根據(jù)CCS《混合動力船舶檢驗指南》的定義：

串聯(lián)混合動力船舶是指船舶推進器的直接驅(qū)動力只來源于電動機的混合動力船舶，其典型結(jié)構(gòu)特點是發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，電能通過變頻器驅(qū)動電動機，另外，儲能系統(tǒng)可以單獨向電動機提供電能驅(qū)動船舶行駛。

并聯(lián)混合動力船舶是指船舶推進器的直接驅(qū)動力可由電動機和發(fā)動機同時供給的混合動力船舶[1]。

2.2 小型風(fēng)電運維船運維工況

如表1所示，此表記錄了一艘小型風(fēng)電運維船搭載12名運維人員出海作業(yè)的典型工況數(shù)據(jù)。即早上運送4人一個運維小組共3組分別頂靠3個風(fēng)樁作業(yè)后船舶風(fēng)場內(nèi)停泊等待充電，中午接送人員午飯后風(fēng)場內(nèi)繼續(xù)停泊等待充電，晚上接到全部運維人員返回碼頭。

混合動力方案的配置包括：1，發(fā)動機推進，電機處于PTO模式，并提供日用負載及電池組充電；2，電動機推進，電機處于PTI模式，電池組提供PTI電機及日用負載（在特殊天氣下也可開啟主機配合）；3，電池組提供停泊日用負載，同時風(fēng)場內(nèi)充電樁向電池組充電；4，岸電向電池組充電。

表1 風(fēng)電運維船工況表

2.3 系統(tǒng)組成

結(jié)合小型風(fēng)電運維船運維工況，目前小型電動風(fēng)電運維船的推進方案采用并聯(lián)式混合動力方案更具有優(yōu)勢。例如，在節(jié)省、減重船舶機艙空間和重量方面，并聯(lián)式混合動力的系統(tǒng)組成更為簡單，可以節(jié)約更多的機艙空間及重量；在船舶建造成本方面，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)初始投資較串聯(lián)式更低，這也更符合國內(nèi)運維市場需求；在系統(tǒng)冗余度上，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的船舶在電動機失效的情況下依舊可以正常航行等優(yōu)勢[2]。參考目前常規(guī)30 m級單體風(fēng)電運維船的推進功率及頂靠功率，小型電動風(fēng)電運維船的混合動力系統(tǒng)大致為：2x700 kW柴油機， 2x250 kW PTI/PTO電機， 630 kWh磷酸鐵鋰電池組，1x50 kW應(yīng)急發(fā)電機，2x PTI/PTO功能齒輪箱，2xFPP螺旋槳軸系，配電及遙控系統(tǒng)。

其中，柴油機，發(fā)電機，電機、齒輪箱多為成熟產(chǎn)品，無論常規(guī)動力還是混合動力皆應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外品牌均可，在選型上需考慮匹配船型特點，選用體積小，重量輕的產(chǎn)品較為合適。整套混合動力系統(tǒng)間接口較多，集成度要求較高，國內(nèi)目前該系統(tǒng)的集成以712、704所、賽思億等為主。

2.3.1電池組

近年來，各種類型的鋰電池技術(shù)飛速發(fā)展，市場上大致可以分為四種不同的電芯類型，如表2所示：

目前在國外主流的是三元鋰電池，DNV船級社等已審查通過多艘三元鋰電池動力船。雖然其能量密度大，但出于安全等原因，其在國內(nèi)船舶的應(yīng)用仍受CCS的限制，故國內(nèi)當(dāng)前CCS只批準(zhǔn)使用磷酸鐵鋰電池[3]。磷酸鐵鋰電池的技術(shù)、安全性方面相對成熟，當(dāng)前技術(shù)上的缺點是能量密度較低，因此選擇大容量的磷酸鐵鋰電池帶來節(jié)約燃油經(jīng)濟性的同時，也必然增加了船舶的載重量和機艙空間等參數(shù)，兩者間平衡是船舶設(shè)計上需要重點考慮的。目前國內(nèi)的磷酸鐵鋰電池發(fā)展環(huán)境較好，諸如有寧德時代等的成熟電池廠家及集成商。

表2 鋰電池性能對比

從表1可以看出風(fēng)電運維船既具有往返于風(fēng)場和碼頭間的高速航行工況，又有長時間的風(fēng)場內(nèi)低速航行、頂靠和停泊等待工況。每日有10個小時的時間處于低負荷工況，如采用電池組提供能源將極大的減少燃油消耗，節(jié)約成本，降低排放。小型風(fēng)電運維船的每日運維工況相對固定，船舶運行周期上的工況及功率需求相對可以預(yù)估的比較準(zhǔn)確，進而可以較準(zhǔn)確的估算出電池組的配置容量。圖2為配置630 kWh電池組的風(fēng)電運維船按照表1每日工況的電量變化模擬趨勢圖。

圖2 每日電池電量變化模擬趨勢圖

2.3.2系統(tǒng)節(jié)能效果

按照國內(nèi)常規(guī)小型風(fēng)電運維船全年平均180天的出海窗口期，且每日工作工況按表1循環(huán)執(zhí)行的模型估算。采用傳統(tǒng)柴油機推進的風(fēng)電運維船每年的燃油消耗量約為236.7 t，而采用并聯(lián)式混合推進的風(fēng)電運維船每年的燃油消耗量約為171.3 t，其余推進能量來源于電池組。按照0號柴油價格：8 000元/噸，電池充電價格：0.8元/kWh的經(jīng)濟性計算，得出每年將有約15%以上的運營成本減少及相對應(yīng)的節(jié)能減排效果。

3 小型電動風(fēng)電運維船的制約因素

3.1 船用鋰電池的性能不足

目前鋰電池的能量密度尚無法和燃油競爭，價格也較為昂貴，壽命較短，現(xiàn)有的國內(nèi)相關(guān)法規(guī)要求船舶只能使用磷酸鐵鋰電芯這類能力密度較低的電池，國內(nèi)純電動船舶和混合動力船舶的數(shù)量發(fā)展較為緩慢。各大電池廠家正在不斷的加大新型電池的研發(fā)力度，未來的幾年內(nèi)電池組的技術(shù)變革將是翻天覆地的，也會為電動船舶的發(fā)展提供強力的后盾。同時由于電池系統(tǒng)的更換較為簡單，所以現(xiàn)在也有不少船舶盡管搭載了小容量的電池組，但已經(jīng)預(yù)留和儲備了未來更換更先進電池組的空間和技術(shù)接口。

在重量方面，電池系統(tǒng)自身重量必須考慮在內(nèi)。理論上可以通過增加吃水來增加其承載能力，但更高的吃水會增加船體阻力，因此需要更多動力來達到相同航速[4]。在空間體積方面，從已知的全電動或混合動力推進系統(tǒng)的案例研究表明，通過將電池組件分布在現(xiàn)有的船舶空間、機械和變壓器空間中，電池系統(tǒng)可以部分或完全取代變壓器系統(tǒng)，因此不會對船舶的對稱性和平衡產(chǎn)生重大影響，且可以在船舶內(nèi)部更靈活地配置。因此如何平衡鋰電池本身的重量及空間體積與船舶傳統(tǒng)的發(fā)動機、燃料儲存和機械設(shè)備間的關(guān)系也給船舶設(shè)計者們帶來了新的課題。

3.2 續(xù)航能力的不足

目前對于配置電池組的電動船舶來說，最大的困擾就是遠距離航行的續(xù)航能力不足[5]，沒有合適的充電樁及時充電。

對于有固定航線的船舶，歐洲現(xiàn)在主要采用的方案就是根據(jù)計算出來的船舶單次航行距離，在固定航線上設(shè)置港口岸電快速充電樁，這種方案類似于高速公路上加油站內(nèi)的汽車充電樁。但對于風(fēng)電運維船這類離岸的近海航行船舶，歐洲最近一個新的設(shè)計名字應(yīng)運而生-海上充電樁。這種海上充電樁專門為海上風(fēng)電運維船提供充電服務(wù)，保證其續(xù)航；另一個應(yīng)用場景，就是運維船將運維人員送到風(fēng)機或升壓站以后，在風(fēng)場內(nèi)等待時，可以關(guān)閉引擎，依靠連接充電樁維持日用負載供電及充電。海上充電樁的設(shè)立為風(fēng)電運維船的遠距離航行及單次風(fēng)場內(nèi)的工作時間延長提供了充足的能源保證，同時依靠升壓站或者單個風(fēng)機的電能，真正意義上做到了風(fēng)電綠色能源的周期循環(huán)鏈，又能夠提供船舶的遠海系泊需要。

目前國際上以沃旭能源和馬士基聯(lián)合設(shè)計研發(fā)的海上充電樁設(shè)計方案為主,詳見以下四種方案。

圖3 方案1海上充電樁電氣原理圖

方案1：電氣系統(tǒng)原理如圖3，通過單個風(fēng)機的內(nèi)部改造，直接（1A）或間接借助海上浮式充電樁(1B)連接至需要充電的運維船。

圖4 案2海上充電樁電氣原理圖

方案2：電氣系統(tǒng)原理如圖4，通過風(fēng)場內(nèi)的升壓站的改造，直接（2A）或間接借助海上浮式充電樁（2B）連接至需要充電的運維船。

方案3：通過單個風(fēng)機加其內(nèi)部或外部固定式的獨立的變壓裝置，借助海上浮式充電樁連接至需要充電的運維船。

方案4：通過風(fēng)場內(nèi)的升壓站加其內(nèi)部或外部固定式的獨立的變壓裝置，借助海上浮式充電樁連接至需要充電的運維船。

除此之外，歐洲還有諸多品牌方案，如荷蘭Bluewater公司生產(chǎn)的E-buoy產(chǎn)品[7]。

以上幾種方案具體的連接形式，需要綜合考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)場和升壓站的電制參數(shù)以及運維船的充電接口的電制參數(shù)，來匹配合適的充電樁方案。綜上所述，未來國內(nèi)海上充電樁的發(fā)展必然會解決小型電動風(fēng)電運維船續(xù)航不足的制約因素。

4 小型電動風(fēng)電運維船的現(xiàn)狀

國內(nèi)的小型風(fēng)電運維船領(lǐng)域，均采用傳統(tǒng)的柴油機推進方式，并無混合動力的案例，歐洲的電動風(fēng)電運維船正快速發(fā)展。

廣州英輝南方造船有限公司近年接連交付了多艘丹麥MHO船東公司的混合動力小型風(fēng)電運維船MHO APPLO，MHO ASGARD等，船長～35 m，航速25 kn。

該船采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，整套推進系統(tǒng)由Danfoss的永磁推進電機、發(fā)電機、直流組網(wǎng)、鋰電池和Volvo的IPS 推進器及混合動力遙控系統(tǒng)等。設(shè)計上滿足船舶的綠色，低能耗設(shè)計。搭載的IPS是一種將拉式螺旋槳與獨立轉(zhuǎn)向的吊艙推進器組合形式的推進裝置，能更好的滿足高速和惡劣海況下的船舶操縱要求。

此外，丹麥World Marine Offshore船東也投資建造了多艘小型混合動力風(fēng)電運維船。

5 結(jié)論

小型風(fēng)電運維船具有固定航程，固定工作區(qū)域，固定工作工況；可以根據(jù)詳細設(shè)計規(guī)劃出最佳的柴油機和電池組的功率分配等各類契合電動船舶設(shè)計條件的特點。隨著未來國內(nèi)鋰電池技術(shù)及海上充電樁的發(fā)展，小型風(fēng)電運維船近期采用混合動力，長遠規(guī)劃純電池動力的方案是十分可行，且具有多方面的社會價值，經(jīng)濟價值，在新能源風(fēng)電場內(nèi)真正做到綠色零排放運維的愿景。希望本文引起學(xué)者和政策制定者的關(guān)注，為進一步研究小型電動風(fēng)電運維船舶技術(shù)指明方向，并為該技術(shù)應(yīng)用提供指引。

[1] 中國船級社. 混合動力船舶檢驗指南，2019.

[2] 夏敬停，李紹海，賴琛. 船舶并聯(lián)式油電混合動力系統(tǒng)設(shè)計[J]. 船舶工程，2019（5）：34-39，72.

[3] 杜睿，陳濤，翟毅. 船舶推進鋰電池應(yīng)用討論[J]. 船舶（2018）s-0146-05.

[4] Jessica Kersey, Natalie D. Popovich, Amol A. Phadke. Rapid battery cost declines accelerate the prospects of all-electric interregional container shipping[J]. Nature Energy, 2022, 7, 664-674. DOI: 10.1038/s41560-022-01065.

[5] 劉繼海，肖金超，魏三喜，馮東英. 綠色船舶的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析[J]. 船舶工程, 2016, (S2): 3-37.

Research and prospect of small electric wind-power operation and maintenance vessel

Wang Shengpin，Gao Jia

（Shanghai Electric Windpower Group Co., Ltd, Shanghai 200233, China）

TM614

A

1003-4862（2023）12-0042-04

2023-09-11

王圣品（1988-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail：wangshp2@shanghai-electric.com