浅谈船舶及海洋工程与新能源

利嘉成

【摘 要】随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。随着海上经济向着可持续化方向发展，柴油动力船舶的环境污染问题引起社会各界关注。柴油动力船舶会发生燃油泄漏等事故，不利于海上环境的可持续发展。近年来，风能、太阳能等新能源为动力的船舶动力系统获得了社会各界的重视。相对于传统的柴油动力系统，基于新能源的船舶动力系统具有环保、可持续的特点，但也存在能量分散、密度低，且易受气象条件影响。本文就船舶及海洋工程与新能源展开探讨。

【关键词】船舶电力;新能源;电力电子

引言

目前，利用新能源作为动力系统需要解决的关键问题是电能的转换，即通过电力变换装置使发电设备输出的电能在形式上与现有的用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。如何采用电力电子开关器件构造合适的电力变换装置是能否解决上述问题的关键。随着电力电子器件、变流技术、传动控制系统以及新能源和新材料等高新技术的飞速发展，船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。但是，长期形成的学科体系和行业的条块分割，成为制约新能源与电力推进系统广泛应用和发展的主要瓶颈之一。因此，特别需要通过学科交叉研究和开发与新能源发电设备配套的电力电子功率变换器，通过系统集成形成产品，以方便用户。而且，由于船舶系统的专业性和特殊性，这一大功率电力传动控制系统的重要应用领域未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。这也同时给电力电子与传动控制领域带来一个巨大的发展机遇和空间。

1新能源发电在在船舶电力推进中的应用

1.1风力发电

风能发电就是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。其优点是可以再生，分布广泛、没有污染，但稳定性较差，投资成本较高。船舶发电机组的输出的电压幅值和频率受风速的影响很大，因此，船舶利用风能推进要配置电力电子功率变换器来进行换流控制，使发电机组的输出电压处于恒压与恒频状态，功率变换器与风力发电机的系统集成一般有有直接输出型风力发电系统与双馈型风力发电机系统两种方案。

1.2太阳能电池

自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功，太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。目前，单晶硅太阳电池组件的平均效率已达到3%～15%，多晶硅太阳电池组件的平均效率已有12%～14%。未来的研究趋势表现为两方面：一方面，研究新的光电技术，比如有机纳米晶太阳电池;另一方面研究晶体硅薄膜太阳电池，开发大功率太阳能模块，这些模块由单晶硅制成，再罐装到经过特别处理的双层玻璃之间。这些大功率太阳能模块产生的能量比其他太阳能电池要大10%左右。与此同时，太阳能光电技术应用系统方面，在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后，现在正在迈向较大规模的商业应用。一方面，兆瓦级阳光电站不断出现，在已建成的兆瓦级电站中，最大的已达到6.5MW;另一方面，近年来许多国家的政府都非常重视屋顶阳光发电系统的发展。这些系统以家庭为单位进行安装供电，同时为了降低造价省去储能部件（蓄电池），与大电网相联，互相补充电能。

1.3燃料电池

燃料电池就是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置的电池，燃料电池的优点是来源丰富，热值高、能量转换效率高、无污染，但耗能大，储存和运输困难。利用燃料电池船舶推进系统必须利用直流斩波器和逆变器构成的功率变换装置进行变换，将燃料电池的输出电压与船舶驱动电机进行匹配。同时燃料电池电压输出特性相对较软，不能直接对船舶驱动机供电，应该要设置DC/DC变换环节。由直流斩波器或开关电源输出直流电。船舶推动如果是直流负载，可采用DC/DC变换，如果是交流负载可采用DC/AC变换器。

1.4核能的应用

核能作为一种动力能源，其产生的能量是巨大的，核动力装置早已经被应用于潜艇和航空母舰等军用舰船，其优越性相当明显。但是由于担心放射性物质污染航道、港口和城市环境，许多港口不愿接受这种核动力船舶的进出，特别是国际上乌克兰及日本核泄露的影响更让人对此无法接受。所以目前来说民用船舶除了一些特殊的船舶如破冰船外，很少考虑使用核动力。不过随着核技术的越来越成熟，相信民用商船会加大使用范围的。

1.5海洋能的應用

海洋能是一种蕴藏丰富、分布广、清洁无污染，但能量密度低、地域性强的能源形式，通常指蕴藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能等。目前，利用海洋能的主要发展方向是将海浪、海流等短周期波所具有的动能和势能转换为电能。在船舶上进行海洋能的利用受到多方面条件的制约：其一，海水能量密度不高造成机械能转换为电能的设备过于庞大;其二，船舶在运营中是一个移动平台，在其自身运动过程中同时利用海洋能，将对其自身造成不可避免的负面影响，如船舶流阻增大和动力性降低等问题。故而直接在航运船舶上应用海洋能不是首推的研究方向。但是根据波浪能和水流能的特点，波浪能发电可应用于航标或者小型灯船，水流能可在趸船和航标船上得到应用。

2电力电子技术在船舶推进的应用

（1）船用UPS。UPS含有储能装置的电源，有直流UPS与交流UPS两大类，是船舶电力系统的重要构成部分，在船舶瞬间失电或船舶电力推进系统的整流单元发生故障时，装置可以改为由蓄电池向重要负载提供不间断的电力供应。蓄电池放电过深或逆变器故障时，负载自动转由备电通过旁路开关直接供电，保证供电连续性。（2）有源滤波器。当前，舰船推进电力系统的容量愈来愈大，负载种类以及数量不断增多，输出功率也不断增大，对电力系统电力品质的要求也愈来愈高，大量实践表明，在船舶电力推进系统中使用电抗的无源滤波技术措施不能提升电网的品质，而装置有源滤波器能够有效抑制负载投切带来的网侧谐波，同时，也能够用于推进电机电流输入侧以平滑转矩，能有效降低船舶在行驶中产生的振动与噪声。在因此，当前船舶电力推动中的直流配电系统的交流负载侧加如有源滤波器能够使交流负载获得良好的供电质量，目前逐步被广泛利用。（3）电机驱动变频器。在船舶推进系统的电力负荷中，风机与泵类等电动机负载比重很大，因此通过变频器对风机与泵类等电动机进行调速控制能够提升船舶推进的各项性能指标，船舶应用于电力推进电动机的调速变频器主要有CSR直流调速、电流源逆变器、循环变流器以及PWM变频器等。

结语

总之，当前新能源与电力电子传动控制是船舶电力推进研究的重要内容，在船舶航运上应用的更加广泛，利用效率也会越来愈高，是解决当前环境污染问题和资源枯竭问题的重要途径，应用的前景必定更加广阔。

参考文献：

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[3]杨兴林，严新发，赵良才.面向MC的船舶敏捷制造系统特征及关键技术研究[J].造船技术，2015（6）：9–13.

（作者单位：广州航海学院）