電力推進(jìn)技術(shù)在船舶上的應(yīng)用

艾子濤+李炎鋒+段文進(jìn)

摘 要：船舶電力推進(jìn)技術(shù)是有十分廣闊的發(fā)展空間。本文對船舶電力推進(jìn)的分類和發(fā)展現(xiàn)狀作了介紹，同時(shí)對比傳統(tǒng)的推進(jìn)方式分析了電力推進(jìn)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：船舶；電力推進(jìn)

中圖分類號：U662.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of Electric Propulsion in Vessels

AI Zitao， LI Yanfeng， DUAN Wenjin

（ Afai Southern Shipyard （ Panyu Guangzhou ）Ltd. Guangzhou 511431 ）

Abstract： The electric propulsion technology of vessels has broad prospects of development. This paper briefly introduces the classification and development status of electric propulsion and analyzes the advantages of electric propulsion compared with traditional propulsion.

Key words： Ship； Electric propulsion

1 引言

船舶使用電力推進(jìn)的技術(shù)已有一百多年歷史[1]。上世紀(jì)初，由德國、俄國引導(dǎo)的以蓄電池為動力源的電力推進(jìn)技術(shù)在船舶上得到了應(yīng)用，但由于成本、維護(hù)、保養(yǎng)等方面因素的制約，發(fā)展較為緩慢。從上世紀(jì)80年代起，隨著推進(jìn)電機(jī)、供電系統(tǒng)、蓄電池和微電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，電力推進(jìn)在船舶上的應(yīng)用得到了大力的發(fā)展。

電力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成可以分為三類：蓄電池、推進(jìn)電力組成的純電池推進(jìn)；機(jī)械原動機(jī)（柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或核動力）、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)組成的原動機(jī)發(fā)電推進(jìn)；機(jī)械原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、推進(jìn)電機(jī)組成的混合電力推進(jìn)。

與傳統(tǒng)的船舶機(jī)械推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)在振動噪聲及操縱性方面優(yōu)勢明顯。在政府“綠色能源”、“環(huán)?！?、“零排放”的倡導(dǎo)下，電力推進(jìn)將在船舶應(yīng)用上具有廣闊的前景。

2 電力推進(jìn)的分類

電力推進(jìn)就是船舶依靠自身配備的發(fā)電裝置或儲電設(shè)施獲取電能來驅(qū)動電機(jī)、推進(jìn)船舶運(yùn)動的一種推進(jìn)方式。驅(qū)動電機(jī)能量的來源可以是蓄電池或發(fā)電機(jī)，按能量提供來源分為3類。

2.1 純電池推進(jìn)

利用蓄電池（鉛酸電池或者鋰電池）作為電力供應(yīng)源來驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)工作的一種推進(jìn)方式。蓄電池的發(fā)展日新月異，鉛酸電池已經(jīng)成為過去，鋰聚合物蓄電池、超級電容是近年來涌現(xiàn)的新型儲能器件，其儲能容量、使用壽命、安全性均達(dá)到了實(shí)船應(yīng)用水平。

純鋰電推進(jìn)采用以鋰聚合物蓄電池為主、超級電容為輔的供電模式：當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)有瞬間強(qiáng)勁功率需求時(shí)，由超級電容供給能量；當(dāng)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的功率輸出時(shí)，則由鋰電池供給； 當(dāng)系統(tǒng)有能量回饋（ 緊急制動或反轉(zhuǎn)） 時(shí)，瞬間回饋能量由超級電容吸收。超級電容和鋰聚合物蓄電池儲存的能量來源于岸電，運(yùn)行工作時(shí)既不消耗燃料，也能實(shí)現(xiàn)零排放，是名副其實(shí)的“綠色推進(jìn)”方式。

2.2 原動機(jī)發(fā)電推進(jìn)

利用機(jī)械原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電來驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)工作的一種推進(jìn)方式。在船舶上應(yīng)用較為廣泛，主機(jī)一般為中、高速柴油發(fā)動機(jī)。它往往安裝在彈性基座上，以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行帶動發(fā)電機(jī)組，為電力推進(jìn)系統(tǒng)正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量。這種推進(jìn)方式既避免了主機(jī)與船體有直接的連接，又不與軸系上的電力推進(jìn)系統(tǒng)有任何聯(lián)系，大大降低了傳統(tǒng)推進(jìn)方式帶來的振動和噪聲。

2.3 混合電力推進(jìn)

介于純電池推進(jìn)和原動機(jī)發(fā)電推進(jìn)中間的一種推進(jìn)方式。在設(shè)備配置上，它既配備有蓄電池組，同時(shí)也有主機(jī)和提供推進(jìn)電源的發(fā)電機(jī)組，兩者均能獨(dú)立地與電力推進(jìn)系統(tǒng)搭配工作。采用這種推進(jìn)方式主要是考慮其它兩種推進(jìn)方式的不足：純電池推進(jìn)需要大量的蓄電池組，價(jià)格昂貴且續(xù)航力有限，充電也不十分方便；原動機(jī)發(fā)電推進(jìn)較傳統(tǒng)推進(jìn)方式大大降低了振動和噪音，但未能100%實(shí)現(xiàn)“綠色環(huán)保”，在某些河流尤其是旅游景區(qū)，發(fā)展受限?；旌想娏ν七M(jìn)可以在局部流域采用純電池推進(jìn)，在緊急情況或條件許可的情況下采用原動機(jī)發(fā)電推進(jìn)。

3 電力推進(jìn)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 純電池推進(jìn)

過去的電池推進(jìn)船多用鉛酸電池作為電力供應(yīng)源，其較低的能量密度和較長的充電時(shí)間，與內(nèi)燃機(jī)船相比性能較差，實(shí)用性受到限制。鋰電池作為一種新型電池，具備較好的適應(yīng)性、安全性和便利性，符合當(dāng)前以及未來對環(huán)境保護(hù)的要求。2013年起，我公司先后建造4條8～9 m的純電池推進(jìn)的鋁合金游艇，推進(jìn)設(shè)備布置如圖1所示。采用動力鋰電池組及其控制管理系統(tǒng)作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的動力電源，推進(jìn)鋰電池組的總?cè)萘繛?4 kWh，鋰電池重量約為490 kg， 鋰電池配套的管理系統(tǒng)（BMS）外帶強(qiáng)大的RS232/RS485/CAN通訊接口，可將電池組的實(shí)時(shí)狀態(tài)集成在駕控臺的綜合監(jiān)控系統(tǒng)（AMS）顯示終端進(jìn)行顯示，并對異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，如圖2所示。

3.2 混合電力推進(jìn)

對于那些需要大容量蓄電池的船舶而言，如噸位較大的船舶、續(xù)航力較大的渡船、游覽船等，采用原動機(jī)和蓄電池組合的混合動力型電池推進(jìn)將是一個較佳的方案。

圖3為一艘航行于桂林市內(nèi)漓江城市段五星級觀光豪華游覽船的推進(jìn)設(shè)備布置圖。該船推進(jìn)動力電源采用4組DC598.4 V、180 Ah的鋰電池組或兩臺AC380V、70 kW、50 Hz的柴油發(fā)電機(jī)組作為本船的推進(jìn)動力電源，驅(qū)動兩臺AC380 V、55 kW、50 Hz交流變頻推進(jìn)電機(jī)。當(dāng)在漓江城市段或順?biāo)叫兄陵査窌r(shí)采用鋰電池推進(jìn)，推進(jìn)鋰電池組的容量足夠保證航速16 km/h時(shí)續(xù)航4小時(shí)、航速為11 km/h時(shí)續(xù)航8小時(shí)。當(dāng)由陽朔逆水返航至桂林時(shí)采用柴油發(fā)電機(jī)組驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)，保證返航所必需的電力供應(yīng)。

4 電力推進(jìn)的優(yōu)勢

船舶采用電力推進(jìn)，其主要優(yōu)勢如下：

（1）排放低：相比傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)，減少了由于燃油燃燒產(chǎn)生的大量氮氧化物和硫氧化物的排放，明顯減低了船舶對環(huán)境空氣的污染；

（2）噪聲低：傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，柴油主機(jī)是船上主要的振動源[2]。采用電力推進(jìn)后，電機(jī)取代柴油主機(jī)大大減小了振動和噪聲，對于現(xiàn)代的客船特別是豪華型觀光游船意義十分巨大；

（3）機(jī)動性能好：由于推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速易于調(diào)節(jié)且由靜態(tài)變頻器供電，在正反轉(zhuǎn)的各種轉(zhuǎn)速工況下都能提供恒定的轉(zhuǎn)矩，使船舶取得優(yōu)良的機(jī)動性能；

（4）改善了機(jī)艙的布置：電力推進(jìn)系統(tǒng)省掉了齒輪和軸系，不需要將原動機(jī)與螺旋槳進(jìn)行軸系連接，節(jié)省了大量的空間[3]；

（5）提高了自動化操作水平：電池監(jiān)控系統(tǒng)可與全船監(jiān)控系統(tǒng)集成，簡化船員的操作，提高了船舶的整體自動化水平。

5 結(jié)語

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)排放低、噪音低，比較適用于內(nèi)河、湖泊以及旅游風(fēng)景區(qū)的水域。在當(dāng)前大力倡導(dǎo)使用綠色環(huán)保能源的今天，電力推進(jìn)可以在不降低船舶性能的情況下實(shí)現(xiàn)環(huán)保，提高乘客的舒適性。隨著電力推進(jìn)設(shè)備、推進(jìn)電池技術(shù)的快速發(fā)展，其在船舶上的應(yīng)用將更加廣泛。

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