漁船節(jié)能技術中潮流能發(fā)電的應用設計

劉瑩瑩，謝永和，李國強，張吉萍

（1. 浙江海洋學院海運與港航建筑工程學院，浙江舟山 316000；2. 浙江海洋學院船舶于海洋工程學院，浙江舟山 316000）

0 引言

能源是關系到國計民生和國家安全的重要資源，是經(jīng)濟發(fā)展的保障和后盾，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。在中央制定和實施擴大內(nèi)需促進經(jīng)濟增長政策措施中，始終堅持節(jié)能減排不動搖，把節(jié)能減排作為擴內(nèi)需、保增長、調(diào)結構的重要內(nèi)容[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，2012年年末漁船總數(shù) 106.99萬艘、總噸位 1009.85萬噸、總功率 2173.57萬千瓦。其中，機動漁船69.56萬艘、總噸位954.23萬噸、總功率 2173.57萬千瓦；非機動漁船37.44萬艘、總噸位為 55.62萬噸[3]。由于機動漁船的耗油量在水產(chǎn)業(yè)耗能中占很大比重，加之燃油價格不斷上漲，燃油消耗成本仍然是影響海洋漁業(yè)發(fā)展的主要因素，也是制約漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題。利用新能源可以減少不可再生能源的利用，從而起到節(jié)能減排的作用，有效降低漁船對環(huán)境的污染。盡管我國近年來也進行了一些漁船節(jié)能技術和產(chǎn)品的開發(fā)和使用，但成本較高，單一措施的節(jié)能指標不顯著，因而成效不大。研究各種節(jié)能措施的綜合交叉運用，降低漁船能耗、提高漁船效能，對于遏制漁業(yè)經(jīng)濟的滑坡現(xiàn)象、減輕漁民負擔、優(yōu)化海域資源、推廣科學捕撈意義重大[4-5]。

1 漁船節(jié)能方法

節(jié)能工作總體來說可以從三方面入手，即結構調(diào)整、加強管理和技術進步。

1.1 結構調(diào)整

結構調(diào)整需要充分發(fā)揮政府的作用，以保證市場機制仍然在生產(chǎn)要素配置中發(fā)揮基礎性作用。政府要制定市場準入規(guī)則，提供公共產(chǎn)品，運用稅收與財政政策調(diào)節(jié)投資方向，維護市場秩序，創(chuàng)造公平競爭的市場環(huán)境[2]。

1.2 加強管理

漁船的節(jié)能管理，主要有以下幾種方法：

1）做好節(jié)能普及宣傳工作，使每個崗位上的人員都有節(jié)能的意識；

2）在保證航行安全的前提下，選擇最佳的航線并適當降低航速，要使航行距離最短，時間最少，消耗燃油減少，從而可以達到節(jié)能的效果，降低成本；

3）做好輪機設備的維護保養(yǎng)工作，確保輪機設備的額定工況，充分挖掘潛力，正確使用、維護、檢修與保養(yǎng)柴油機及燃油系統(tǒng)，保持操作系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)處于良好技術狀態(tài)，防止跑冒滴漏；

4）船體要定期清掃，采用防污涂料，使船體性能恢復，保持船體光滑；

5）應注意燃料、淡水、漁具和漁獲物的裝載方式，合理配載，在航行生產(chǎn)過程中按既定程序消耗燃料淡水，以調(diào)整船體首尾的吃水深度在最佳縱向傾角，從而改變船體在水中的幾何形狀，提高船體推進效率，達到節(jié)約能源的目的；

6）不使用的漁具不要放在船上，應搬入陸上的倉庫，燃料和淡水的裝載盡量控制在必要的需要量以內(nèi)，以減少漁船的排水量；

7）利用風力和潮流，縮短航行時間[1，5]。

1.3 技術進步[2]

技術節(jié)能主要有以下幾種方法。

1）研究改進推進器，安裝漁船尾部水動力附加節(jié)能裝置。附加節(jié)能裝置有：補償導管、適伴流導管、舵球鰭、槳帽渦輪、整流隔板、不對稱船尾線型、導流罩、槳轂帽鰭、槳前扇形整流鰭、導管螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳、對轉螺旋槳[6-7]。

2）通過優(yōu)化船型達到節(jié)能的效果。對漁船尺度比、型線、速長比、船型系數(shù)、進流角和去流角等影響性能的參數(shù)等進行優(yōu)化以達到節(jié)能效果。如今比較常用的可以安裝球鼻艏、球艉。球鼻艏可以在艏部形成有利的興波干擾，使艏部波高降低，從而減少興波阻力；球艉型船則是利用球艉產(chǎn)生的波系與船艉波系反向等幅，從而減少艉波，改善艉流，使伴流分布均勻。

3）新能源在漁船上的應用?，F(xiàn)在可以利用的新能源有風能和太陽能。可以用來直接供電，也可以用來制冷或海水談化等。這些新能源的利用都可以減少化石燃料的利用，從而起到節(jié)能減排的作用。

節(jié)能減排工作實施的好，要靠結構調(diào)整、加強管理和技術進步三種途徑來實現(xiàn)。就節(jié)能而言，結構節(jié)能和管理節(jié)能是一項長期任務，在短時期內(nèi)難以有很大的調(diào)整，技術節(jié)能更具有實效性[2]。

2 潮流能的應用

2.1 潮流能的應用設計

由于海洋能蘊含量巨大，能量密度高[8]，其開發(fā)與利用就顯得十分有價值，考慮到漁船的特點可以將海洋能中的潮流能應用到漁船上。

漁船在作業(yè)時并不總是在航行狀態(tài)，而且對于很多遠洋漁船錨泊的時間很長，這時候不需要柴油機大功率輸出。如果在船舶錨泊時，利用潮流能發(fā)電供船舶使用，這樣不僅能夠節(jié)約能源，而且對環(huán)境還可以起到保護作用。

本文設計了一種漁船錨泊時用來發(fā)電的潮流能發(fā)電裝置，供應船上的基本用電。這樣就不需要啟動柴油機?，F(xiàn)在國內(nèi)外所研究的潮流發(fā)電裝置以大型發(fā)電站為主，不適合船舶自帶，也不便于安裝與操作。設計一種與漁船相適應的裝置是應用到漁船節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。

將潮流能水輪機以固定結構與拋錨停泊船舶相連。該裝置便攜易操作，在船舶拋錨停泊時可以施放、啟動進行發(fā)電，當船舶航行、作業(yè)時又可將其收回，不影響船舶正常航行。設計方案如圖1所示。

圖1 漁船錨泊潮流發(fā)電裝置機構圖

2.2 發(fā)電裝置設計

本設計發(fā)電系統(tǒng)包括水輪機捕能裝置、傳動裝置、硅整流發(fā)電機、DC/DC變換器、逆變器、蓄電池、充放電保護電路以及控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構圖

水輪機驅動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的直流電經(jīng)過DC/DC變換器，再由逆變器將直流電轉換為所需的交流電供負載使用。其中 DC/DC變換器是用來改變發(fā)電機的負載特性，調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率和控制蓄電池充放電；能耗負載用來保護發(fā)電機組[9]?？刂破鞯淖饔檬牵海?）最大捕獲潮流能，實現(xiàn)最大功率點跟蹤，提高電能傳輸效率和質(zhì)量；（2）保護蓄電池，防止過充和過放，提供足夠充電能量進行快速充電；（3）減少流速隨機變化對輸出電能的影響，使輸出電壓穩(wěn)定，減少紋波；（4）保證水輪機安全運行，在電氣特性和機械特性允許范圍內(nèi)運行。

從能量轉換角度來說，主要有兩大部分的轉換，第一部分是水輪機將潮流能轉換為機械能，第二部分是發(fā)電機把機械能轉換為電能。

2.2.1 水輪機

潮流能發(fā)電技術中，潮流水輪機是其核心技術之一，近年來研究取得很大的發(fā)展，有多種類型的結構形式。根據(jù)其運行情況，潮流能水輪機可分為水平軸、豎軸和橫軸三類。水平軸水輪機的旋轉軸軸向與水流方向平行，主要利用水流對葉片的升力作用。豎軸水輪機的旋轉軸軸向與水流方向垂直，與海平面垂直。橫軸水輪機的旋轉軸軸向與水流方向垂直，與海平面平行。

水平軸水輪機正對水流方向時，發(fā)電功率較大。當水流方向與旋轉軸方向有夾角時，其獲能效率迅速下降，一般需要安裝偏航控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，以提高發(fā)電輸出功率。

豎軸水輪機的旋轉軸與水平面垂直，不受水流方向的影響，不僅減少了偏航機械系統(tǒng)的設計，還可以直接通過旋轉軸將扭矩輸出，減小機械傳動損失。根據(jù)葉片的結構，豎軸水輪機分為H-Darrieus式、O-Darrieus式、Savonius式以及Gorlov式等。

橫軸水輪機與豎軸水輪機結構相似，只是放置方式不同，常將兩種水輪機統(tǒng)稱為垂直軸水輪機。橫軸水輪機因其應用的局限性，常被豎軸水輪機所代替。多數(shù)資料中所說的垂直軸水輪機特指豎軸水輪機[10]。

經(jīng)過分析比較，本文設計中選用Savonius式水輪機作為潮流能發(fā)電裝置的水輪機。其示意圖如圖3所示。Savonius型葉輪是應用最廣泛的海流發(fā)電葉輪之一，其成本低、自啟動性較好[11-13]。這種水輪機總成本低，制造和維修簡單，轉子在水流速度很低的情況下就開始向外輸出功率，在流速很高的情況下依然能夠持續(xù)輸出。因此可利用的流速范圍很廣，雖然效率低，但總體效率高[12]。

水輪機輸出功率的計算公式為：

式中：ρ為海水密度，為1030 kg/m3；A為為潮流水輪機轉子掃掠面積，單位是m2；V為潮流流速，單位是m／s；η為效率。

圖3 Savonius式水輪機

2.2.2 發(fā)電機及調(diào)節(jié)器

發(fā)電機是潮流能發(fā)電裝置中必不可少的部分，本文中選用硅整流發(fā)電機，內(nèi)含由整流板和硅二極管組成的整流器，所以輸出為直流電，可以直接輸出給變換器。硅整流發(fā)電機按總體結構分普通硅整流交流發(fā)電機、整體式硅整流交流發(fā)電機、帶泵硅整流交流發(fā)電機、無刷硅整流交流發(fā)電機、永磁硅整流交流發(fā)電機。按硅整流器結構分六管交流發(fā)電機、八管交流發(fā)電機、九管交流發(fā)電機、十一管交流發(fā)電機。按磁場繞組的搭鐵方式分內(nèi)搭鐵式和外搭鐵式。本文選擇14 V的外搭鐵式六管交流發(fā)電機作為該裝置的發(fā)電機，其結構示意圖如圖4所示。

圖4 外搭鐵式六管交流發(fā)電機

發(fā)電機中的整流器整流的原理圖如圖 5所示。a是原理結構圖，b是交流電的輸出電壓波形，c是整流輸出波形圖。其整流原理是：三只正二極管負極端連接在一起時，正極端電位最高者導通；三只負二極管正極端連接在一起時，負極端電位最低者導通；每一瞬時都有一個正極和一個管導通 ，使電路形成回路[14]。

另外發(fā)電機必須配裝電壓調(diào)節(jié)器才能工作，電壓調(diào)節(jié)器對發(fā)電機的輸出電壓進行控制，使其保持基本恒定。由于交流發(fā)電機的轉子是由水輪機驅動的，而水輪機的轉速隨水流的變化比較大，因此交流發(fā)電機轉子的轉速變化范圍非常大，這樣將引起發(fā)電機的輸出電壓發(fā)生較大變化，無法滿足各種用電器的的工作要求，所以必須配用電壓調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器也有很多類型。為了與發(fā)電機的種類相匹配，本文選用外搭鐵式晶體管調(diào)節(jié)器JFT106，其電壓調(diào)節(jié)范圍是 13.8 ～14.6 V,滿足本設計的要求。

圖5 整流器整流原理

3 小結

節(jié)能技術在漁船上的廣泛應用，不是一朝一夕所能完成的，需要所有漁船設計人員、使用人員和管理人員共同關心和長期努力才能取得預期效果。研究和利用船舶節(jié)能新技術，并且考慮漁船的特點，提高漁船行業(yè)整體裝備水平和運行水平，才能實現(xiàn)漁業(yè)又好又快發(fā)展[1]。本文提出的適用于漁船錨泊時的潮流能發(fā)電裝置設計體積小，重量輕，易于攜帶，便于安裝，既環(huán)保又有顯著的節(jié)能效果。

[1] 蔡冠華, 袁士春. 漁船節(jié)能技術與方法探討[J]. 南通航運職業(yè)技術學院學報, 2010, （03）: 35～37, 41.

[2] 劉瑞芳.發(fā)展新能源推廣節(jié)能新模式——訪全國政協(xié)常委、泰豪集團董事長黃代放[J].建設科技，2010，

[3] 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局. 2012年全國漁業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計公報[N].中國漁業(yè)報, 2013-05-27001.

[4] 朱建康. 淺談漁船節(jié)能的幾種有效途徑[J]. 中國水產(chǎn),1995, （08）: 35-36.

[5] 鄧禮標.新形勢下漁船節(jié)能技術的推廣應用[A].中國航海學會海洋船舶駕駛專業(yè)委員會.氣象海洋環(huán)境與船舶航行安全論文集[C].中國航海學會海洋船舶駕駛專業(yè)委員會, 2010: 5.

[6] 郭欣, 俞愛華, 李廣年.漁業(yè)船舶節(jié)能研究進展[J].造船技術, 2010, （02）: 5-7.

[7] 蔡學廉.漁船節(jié)能開發(fā)和推廣要點[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2007, 02：61-62.

[8] http://baike.baidu.com/view/65613.htm海洋能

[9] 王剛. 海洋潮流能發(fā)電控制系統(tǒng)研究[D].中國海洋大學,2010.

[10] 戴軍,單忠德,王西峰,楊杰.潮流水輪機的研究進展[J].可再生能源，2010（4）：130-133.

[11] 謝晶, 王亞軍, 黃小賢, 蔡國營, 陶健, 武曉偉, 任若冰. Savonius型風力機結構的優(yōu)化設計[J]. 能源技術, 2009, （04）: 215-218.

[12] Binyet Emmanuel Mbondo（仁飄零）. 多葉片Savonius垂直軸風力機的設計與數(shù)值分析[D]. 華中科技大學, 2011.

[13] 宋保維, 楊莼, 田文龍. 導流板對 Savonius型海流發(fā)電葉輪的影響分析[J]. 魚雷技術, 2013, （01）: 1-5.

[14] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術. 北京: 機械工業(yè)出版社.