淺談無線充電技術與船舶靠港供電方式＊

王小宇

淺談無線充電技術與船舶靠港供電方式＊

王小宇

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063）

傳統(tǒng)船舶靠港時大多數(shù)依靠柴油機等船舶輔機的持續(xù)運轉來提供船舶所需的電能，在供電過程中會產(chǎn)生大量的氧化物，直接排放到空氣中，很容易對港口附近空氣造成嚴重污染。采取插座與插銷連接方式的船舶岸電供電方式又存在安全性差、維修難度大、人工操作復雜、高壓變頻困難等問題。隨著充電技術的發(fā)展，無線充電技術以其污染物質排放少、節(jié)約化石能源、安全性高等優(yōu)異性能和在解決傳統(tǒng)供電方式存在問題方面的突出優(yōu)勢逐漸地進入人們的視野。加之近年來，“綠色船舶”[1]“綠色發(fā)展”“綠色港口”[2]和“節(jié)能減排”等環(huán)保理念深入人心，無線充電技術在船舶上的應用也越來越多。對無線充電技術在船舶供電方面的優(yōu)勢、應用以及傳統(tǒng)供電方式的優(yōu)缺點等方面進行概述。

無線充電；岸電；生活體驗；節(jié)能減排

隨著科技水平迅速提高，人類的生活方式和生活體驗發(fā)生了翻天覆地的變化。一方面，科技的進步為人們提供了諸多便利；但是另一方面，由于發(fā)展帶來的環(huán)境污染也不容小視。在當前國際形勢下，環(huán)境保護越來越受到各個國家的高度重視。

據(jù)統(tǒng)計，超過2/3的世界貿易都是通過航運完成，隨著航運運輸量的增大，污染物的排放量也在持續(xù)攀升。港口作為現(xiàn)今世界物流行業(yè)鏈的重要節(jié)點，在世界經(jīng)濟貿易發(fā)展過程中占據(jù)著越來越重要的集散樞紐地位，但是港口區(qū)域的污染程度也逐年增大。所以近年來，有關部門大力倡導“綠色港口”的理念。

在交通運輸部印發(fā)的《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020年）》中明確提出了90%的港作船舶、公務船舶靠泊使用岸電，50%的集裝箱、客滾和郵輪專業(yè)化碼頭具備向船舶供應岸電的能力[3]?！对谏钊胪苿娱L江經(jīng)濟帶發(fā)展座談會上的講話》中也把綠色發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境提到了前所未有的高度，岸電成為船舶行業(yè)的一個必經(jīng)之路。其中，采用無線充電技術的供電方式有很好的應用前景。

1 船舶靠港供電的現(xiàn)狀以及存在的問題

1.1 利用船舶輔機進行供電

從柴油機問世，再到柴油機幾乎完全取代蒸汽機大概用了60年，可見柴油機的出現(xiàn)對于人們的生產(chǎn)生活有很大的利用價值。在船舶方面也不例外。

船舶柴油機按照作用可分為主機和輔機，在船舶停靠碼頭、港口時，使用船舶輔機燃燒燃油的方式進行發(fā)電來提供此時船舶所需的電能。這種方法今天依然有很大一部分船舶在使用。船舶輔機在工作時燃燒的是重油，也有的燃燒柴油等。這使得其工作期間會產(chǎn)生大量對環(huán)境有污染的氧化物（尤其是硫氧化物）[4]、顆粒物和有機化合物等。對港口及周邊的空氣和水域環(huán)境有較為明顯的污染。由于柴油機工作時會發(fā)出噪聲，加之港口每天靠港的船舶數(shù)量較多，在輔機同時工作時產(chǎn)生的噪聲足以影響船員、港口工作人員以及附近居民的正常生活和工作[5]。利用燃油發(fā)電的效率相對較低、工作中產(chǎn)生的多余電能無法進行儲存、船舶維修成本高，這些都是這種方法不可忽略的短板。

近年來，隨著船舶貿易行業(yè)在世界貿易占據(jù)的比例越來越大，各個國家對船舶行業(yè)節(jié)能減排的重視程度也越來越高。有關單位和船舶公司不止一次地對此方式的排氣和噪聲等問題進行整改和改善，也對燃油的含硫量等進行了嚴格控制，但大多都不能從根本上解決污染嚴重的問題。所以利用船舶輔機工作進行靠港供電方式的船舶已在逐年減少。中國的大多數(shù)港口也對靠港時靠輔機發(fā)電的船舶進行了限制，逐步淘汰化石能源[6]。

1.2 利用船舶岸電進行供電

船舶岸電技術是指船舶在靠港期間停止使用船舶上的燃油輔機，改用由陸上電網(wǎng)直接提供電能的供電技術[7]。2000年，瑞典哥德堡港碼頭安裝了高壓岸電系統(tǒng)。在中國2010年連云港首次實現(xiàn)對高壓岸電的應用；2013年江蘇淮安新港在6個泊位前配備岸電箱，每年可以節(jié)省燃油數(shù)百噸，同時也減少了燃油造成的污染；2016年，在連云港港和韓國仁川港工作的“紫玉蘭”號上的船載受電系統(tǒng)和船用岸電設備收到了中國船級社頒發(fā)的首個入級證書，這也意味著該船所載岸電系統(tǒng)設備通過了中國船級社相關檢驗，具備了安全運行和使用岸電的能力[8]。

船舶岸電受到有關部門的大力提倡和推廣的原因主要是其在節(jié)能減排、減少污染的方面表現(xiàn)較為突出[9]。有關部門也相繼出臺了對港口和船舶使用岸電的要求和計劃。但是目前岸電的部分設施和技術存在一定的障礙，也存在一些明顯的缺點。

岸電按照電壓的高低可分為低壓岸電和高壓岸電兩種。1 kV以下的為低壓岸電，1～20 kV為高壓岸電[3]。低壓岸電對船舶供電工作比較容易實現(xiàn)，不需要進行復雜的碼頭改造。但在連接的過程中，不便于安放系統(tǒng)變電箱，需要駁船來進行充電，并且在連接時會產(chǎn)生額外的工作量。低壓供電需要九根電纜來連接船舶受電系統(tǒng)與供電系統(tǒng)，安裝和拆卸需要的時間就相應增加；在用高壓岸電對船舶進行供電時，由高壓變頻變電設備變電輸出到高壓接線箱。與低壓岸電相比，高壓岸電僅需要使用一根電纜就可實現(xiàn)船舶受電系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的連接，相應的工作流程有所減少。但是高壓電在上船前需要進行降壓操作，需要在船上安裝變壓器，改造過程過于復雜，變壓設備會占據(jù)船艙內的有限空間[10]。所以綜合來看傳統(tǒng)的“有線式”岸電供電系統(tǒng)的缺點和現(xiàn)狀在于以下6方面。

1.2.1 變頻問題

國外的岸電系統(tǒng)多采用供電電網(wǎng)直接向船舶供電的方式，中國用電頻率是50 Hz，國外一些國家為60 Hz[3]。在對用電頻率不同的船舶供電時，需要大功率的變頻設備。國內變頻供電的項目數(shù)量很少，中國在這方面還沒有十分成熟的技術。

1.2.2 供電與受電系統(tǒng)的線制匹配問題

中國大多數(shù)配電電網(wǎng)的中性點不接地，在各地的港口多采用三線四線制，但是目前的大多數(shù)船舶采用三相三線制。因為線制不同，如果不采取合適的處理設備進行處理，很有可能出現(xiàn)絕緣擊穿以及其他的安全問題[11]。為了避免此類問題的發(fā)生，船舶受電端需要研發(fā)專門的接收系統(tǒng)，產(chǎn)生高額的成本投入。

1.2.3 岸電端和船舶受電端的連接問題

目前，供電端和受電端的連接都是依靠一定數(shù)量的電纜，在連接的過程中需要一定數(shù)量的工作人員。人工完成電纜的移動，大大增加了對接工作量，安裝和拆卸花費的時間也比較長，不利于供電和受電系統(tǒng)的快速連接。

1.2.4 安全問題

岸電采用電纜連接船舶受電端和供電端，再加上插頭插座等帶電體裸露，在潮濕、鹽堿，以及惡劣天氣情況下很容易產(chǎn)生一定程度的損傷和接觸不良，發(fā)生觸電現(xiàn)象，其中存在的安全隱患不可忽視。

1.2.5 空間問題

空間可分為兩部分，一部分為港口空間，另一部分為船舶上的空間。因為岸電的相關配電和輸電、船舶受電以及各種處理設備都需要占用一定的空間。如果不配備小型化設備，將會影響港口和船舶的正常工作面積。

1.2.6 投資維修問題

岸電的推廣和開發(fā)需要較大的投資[12]。另外，中國岸電技術的開發(fā)和應用與國外相比發(fā)展略晚，面對繁雜的系統(tǒng)設備，中國目前的維修技術不是十分成熟。

2 無線充電技術

無線充電技術是不以任何物理和金屬介質作為載體，基于空氣為介質的新型電能傳輸技術[13]。所以與傳統(tǒng)的有線充電方式相比，無線充電不需要借助復雜的線路，其安全性和便捷性都十分突出。早在1980年，無線充電的構想由物理學尼古拉·特斯拉提出，并設計出了無線照明燈泡[14]。無線充電按照不同的工作原理可分成四種方式：電磁感應式、電場耦合式、磁場共振式和無線電波式[15]。

隨著中國科技的發(fā)展，擋在無線充電面前的電能轉換效率和輻射兩個問題相繼被解決，因此無線充電技術開始迅速地進入人們的生產(chǎn)和生活。

目前無線充電已在汽車火車領域使用，尤其在汽車方面應用十分廣泛，但在船舶方面的應用卻極為少見。然而在船舶方面的應用市場總會有一天會被開拓，并且高效廣泛地運行，實現(xiàn)船舶供電的安全化、無線化、低污染化。

2.1 無線充電技術應用在船舶方面的優(yōu)點

因為無線供電技術在船舶供電方面的應用屬于新型的岸電技術，所以其具有岸電替代船舶輔機供電的有利條件，本文對無線充電與船舶輔機發(fā)電相比的優(yōu)缺點不進行闡述。與傳統(tǒng)有線岸電相比，無線充電技術應用在船舶方面主要具有以下5個優(yōu)點。

2.1.1 安全性好

無線充電技術采用感應充電，沒有任何的機械接觸，避免人員與電纜直接接觸，避免了潮濕、鹽堿等惡劣環(huán)境對傳統(tǒng)接口和連接電纜的影響，最重要的是有效降低了連接岸電端電纜與船端的工作過程中人員因電路接觸不良、產(chǎn)生電火花等現(xiàn)象引發(fā)觸電現(xiàn)象的可能性。

2.1.2 維修量和人員工作量少

因為取消了連接電纜和插座，所以避免了連接電纜磨損和插座損壞帶來的大量維修保養(yǎng)工作，降低了設備磨損率。無線充電技術由于供電端和受電端的連接相對簡單，可實現(xiàn)機械自動操作。

2.1.3 空間占用少

船舶采用無線充電技術后可減少供電和受電設備所占的公共區(qū)域面積，實現(xiàn)設備的小型化、簡約化。

2.1.4 花費時間少

無線充電技術無需電纜連接船舶受電系統(tǒng)與岸上供電系統(tǒng)，其一旦應用到船舶上，會省去電纜連接和搬運的復雜工序產(chǎn)生的大量時間耗費；另一方面，無線充電技術可以在一定的距離內實現(xiàn)供電和斷電，節(jié)約一部分船舶工作和充電所消耗的時間。

2.1.5 靈活性高

無線充電是多自由度的充電技術，所以與有線式岸電相比，其靈活性更高。

2.2 小結

利用無線充電技術的船舶供電方式優(yōu)勢較為突出，可以對傳統(tǒng)有線岸電存在的一些不足進行有效彌補。所以從長遠來看，無線充電技術可以更加完善地服務于岸電系統(tǒng)。

3 無線充電技術應用在船舶方面的研究實例

3.1 國外研究的部分實例

瓦錫蘭公司于2017-08底在一艘混合動力船上進行了無線感應系統(tǒng)的測驗，該船是世界上第一艘應用高壓無線充電技術的船舶，此船采用感應電力傳送，其感應距離可達到50 cm，在無線供電線圈之間傳輸?shù)哪芰靠沙^2 MW，系統(tǒng)輸電量可達到1 MW[16]。無線充電技術在此船上的成功應用，也驗證了無線充電技術應用于船舶方面的可行性。據(jù)2017-09有關報道，美國海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部太平洋中心的研究人員當時正在研發(fā)可以在水下為無人潛航器的無線充電技術，以提高無人潛航器的效用。

3.2 國內研究的部分實例

2017年，高潔等人[17]利用無線充電系統(tǒng)驗證了電磁場對人體的安全仿真分析；2018年高潔等人[18]對純電動船充電方式進行了研究，并設計了一套船用無線充電系統(tǒng)。

3.3 小結

無線充電技術在船舶方面的應用逐漸地激發(fā)了多個國家的研發(fā)興趣，但是國內對于無線充電技術應用于船舶方面的研究還很少，多數(shù)在進行無線充電技術的原理及輸出功率等方面進行研究，而且多局限于高校[19]，幾乎沒有相關的船舶研究成品。因此，中國應該加大此方向的研究力度，爭取早日占據(jù)市場。

4 無線充電技術應用于船舶的未來市場

上述已經(jīng)提及了無線充電技術應用在船舶上的諸多優(yōu)點，并且此項技術已經(jīng)被證實了可行性，在很多方面彌補了傳統(tǒng)岸電實際工作中的不足。所以隨著時間的推移，無線充電船舶會逐漸地占領主要的船舶市場。

目前有關科研人員一直在研發(fā)無線充電技術應用于船舶方面的完善方案，旨在使此項技術早日大面積進入船舶行業(yè)，使無線充電應用于船舶的技術越來越成熟。此項技術不僅對船舶岸電方面具有一定的利用價值，對于混合動力船舶也有很大的應用空間，因為此項技術一旦成熟，便可實現(xiàn)高效率傳輸，不僅僅提供船舶靠岸時所需的電量。根據(jù)充電時間的調整，可以為不同航程船舶提供充足的電量，會對船舶行業(yè)的污染問題有很大改善，對于船舶行業(yè)的節(jié)能減排有重要意義。將共同實現(xiàn)綠色港口，共同改善港口環(huán)境，保護海洋環(huán)境。

綜上，無線充電技術在船舶岸電方面的應用有十分光明的前景，無線充電船舶的未來市場將會被世界各國開拓。隨著中國科研水平的不斷提高和有關人才的大量涌出，在此領域會更加的有影響力和發(fā)言權。

5 總結

本文簡單地闡述了目前船舶靠港時存在的供電模式：使用船舶輔機燃燒燃油進行發(fā)電和目前大力推廣的岸電。大體上闡述了這兩種方式的現(xiàn)狀和存在的缺點，以及目前世界上比較前衛(wèi)的船舶無線充電技術。簡單地介紹了無線充電技術和與傳統(tǒng)岸電相比顯示出的突出之處。無線充電技術作為一種新型的充電技術，應用于船舶雖然存在技術方面難題。但是其具有安全性好、人員工作量和維修量少、占用空間少等優(yōu)勢，在船舶行業(yè)的綠色發(fā)展、海洋環(huán)境的改善、岸電的高質量發(fā)展和節(jié)能減排等方面具有很大的作用。隨著科學技術的不斷進步和相關問題的深入研究，可在不同程度上解決無線充電技術在船舶應用上的問題，最終將無線充電技術真正運用到船舶上。因為無線充電技術在船舶行業(yè)遠大的應用前景，所以此方面也會是未來船舶行業(yè)的熱門話題。希望船舶岸電的“無線化”早日取代“有線化”，讓船舶岸電變得更加完美。

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TN86

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.009

2095－6835（2020）02－0032－03

武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金本科生項目（編號：2019-ND-B1-13）

王小宇（1999—），男，研究方向為新能源、柴電混合。

〔編輯：張思楠〕