船舶混合动力系统的发展与应用

陆燕军

中船澄西船舶修造有限公司 江苏江阴 214433

1 概述

如今，多源系统广泛应用于各类交通工具以此来减少能源消耗和温室气体的排放。在船舶领域，由于混合动力船舶（HEB）负载的波动，船用发电机需要在暂态过程获得一定的功率补充，以免发电机性能恶化。使用锂电池和超级电容器能够减少功率波动对于发电机的扰动，以提高HEB动态性能。能量存储系统能够在一定时间内平滑的缓解负荷波动的影响。本次研究使用锂电池和超级电容器作为储能设备，使用直流电网作为主系统，这是由于相当一部分设备需要直流电源为其供电。相比于交流系统，直流系统能减少电力电子转换器数目，降低了成本，同时也降低控制系统复杂程度。

混合动力船舶是指配备了两种或两种以上动力源的船舶。新型现代混合动力船舶不同于古代风帆与人力混合驱动以及近代风帆与蒸汽轮机共同驱动，它是通过传动装置耦合柴油机（气体机）与电机来驱动，或者具有一种以上电力来源（如柴油机发电、气体机发电、燃料电池、太阳能、风电、锂电池、超级电容等）的电动机来驱动。混合动力船舶具有节约不可再生能源消耗，提高航运经济性，减少废气排放和机械振动，适应多工况运行的特点。目前，混合动力推进已在作业船、渡船、拖船、大型游轮、近海钻井平台以及军事舰船等领域进行广泛应用。

2 混合动力系统工作模式

2.1 柴油机余热混合式推进系统

要实现船舶的节能目标，重点在于制作技术的提升、航行状态的优化以及余热利用能力的提升等方面，特别是在余热回收上，具有较大的可行性。就目前的优质柴油机的热效率一般在50%左右，摸排出的冷却水的热量则占据热效率的20%以上，通过废气带走的热量也将近30%，对于一些输出功率较大的柴油机的余热回收是具有一定经济性价值的，特别是在排出的大量废气中，高温废气就像是高电势，其做功的潜力较大，这些余热的回收可以用来进行加热、制造淡水，也可以用作蒸汽涡轮发电等，回收利用价值较大[1]。

2.2 太阳能电力混合动力推进系统

这一混合动力系统主要是借助于太阳能、锂电池、柴油机发电机组等的混合推进和施工，实现船舶的动力供应。这一混合动力系统的设计是对于智能化技术应用的典型示范。系统能够在不同的日照条件下，能够计算船舶行驶需要的动力，并在太阳能和柴油机组之间进行相应的调节，以实现对于电力的节省，促进排放量的减少，应用的节能效益比较显著。

2.3 超级电容混合动力推进系统

基于超级电容混合动力的传播电力推进系统主要包含了混合供电电源、充电系统、驾驶操作控制系统、推进系统、控制系统等等，这一系统中的超级电容往往是相对于蓄电池而言的，充电速度比较快，能够实现在短时间内完成相应的充电工作，且在应用中具有无污染的优势，自身的应用噪音小，能够大大提升船舶行驶的环境，提高船舶行驶舒适度[2]。

3 船舶混合动力系统的应用分析

国外（尤其是欧洲）的船舶技术相对比较先进，环保理念也更超前，基于储能系统的混合动力船舶发展和应用较早，世界上第一艘混合动力拖轮“CarolynDorothy”号混合动力拖轮于2009年11月交船，其船长23.77m、船宽10.36m，服务于美国长滩和洛杉矶港，主动力为2台CumminsQSK50柴油机，每台额定功率300kW；配备了两组0.5MWh（总计1MWh）的铅酸电池；该船拥有5000hp（1hp=0.735kW）的强劲动力，具有绿色环保，低噪声航行等优越性能。

2013年，一艘当时最大的混合动力渡船在德国与丹麦两国之间交付。该船长142m、宽25.4m、船速为18.5kn、设计载客数为1140人，载车354辆。主动力配置了4台Mak的8M32主机+1台MAN的6L32/44CR主机，总功率达17440kW；总共配置了2.6MWh的三元锂电池。采用基于锂电池的混合动力系统后，大幅度提高了发动机效率，从而减少温室气体排放量，降低维护成本且大幅度降低燃料成本。

国内的混合动力船舶以基于变频轴发的混合动力系统为主，如由中船重工七一一所提供动力系统集成的粤海铁火车渡轮、5000吨级公务船、12500载重吨MPV船、“海港711”拖轮等。以2016年末交付的12500载重吨级多用途重吊船为例，该船首次装载了混合轴带系统，包括500kW轴带变频及轴带发电机，是目前重吊领域最先进的环保节能型船舶。而“海港711”拖轮，则采用双机双桨配置，配备两套轴带混动系统，可工作于PTO、PTI两种模式，有效提升动力系统灵活性，降低船舶能耗。通过应用混合动力系统，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、减少维护成本。大型船舶的混合动力解决方案国外目前也尚属空白，因此在发展小型船舶的混合动力推进系统同时，加强大型船舶的混合动力解决能力，是现今国内各大船舶设计院、科研机构、集成商需要努力与改进的方向[3]。

4 问题与展望

混合动力推进系统作为船舶获取了敏捷的操控能力、比较低的安全性与冗余，提升了船舶的燃油经济性，减少了污染物废气与能源消耗，是未来船舶的发展方向。但是混合动力船舶相对传统船舶来说设计建造更为简单，对初始投资与保障提交越来越低的要求。所以并不是所有种类的船舶均适宜使用混合动力前进系统。综合性考量经济效益与环境效益，混合动力前进系统局限在工况多变、有小电力负载、需动力定位及对于废气与噪声有严格要求的船舶。混合动力船舶需要更为简单的控制系统，目前对这方面的研究余分散于能量管理领域，对模式转换的研究比较欠缺。因而模式切换过程的冲击问题对提升船舶操控品质与使用寿命、减少燃油消耗与部件磨损具备关键意义。

国内的混合动力船舶以基于变频轴发的混合动力系统为主，如由中船重工七一一所提供动力系统集成的粤海铁火车渡轮、5000吨级公务船、12500载重吨MPV船、“海港711”拖轮等。以2016年末交付的12500载重吨级多用途重吊船为例，该船首次装载了混合轴带系统，包括500kW轴带变频及轴带发电机，是目前重吊领域最先进的环保节能型船舶。而“海港711”拖轮，则采用双机双桨配置，配备两套轴带混动系统，可工作于PTO、PTI两种模式，有效提升动力系统灵活性，降低船舶能耗。通过应用混合动力系统，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、减少维护成本。随着电池技术的发展及环保法规的日益严格，国内也开始研究应用基于储能系统的混合动力系统。2018年7月，首艘入级CCS的电池混合动力游船——“寰岛云帆”号在太湖顺利通过试航。该船为钢制双体船型，总长22.51m、型宽9.0m、型深2.45m，最大航速9.3kn，载客80人。该船为满足三亚海域抗台风时需要具有自持力持续航行至避风港，以及在异地避风期间不能停靠码头充电的特殊需求，量身定制了纯电池、油电及电池/油电混合动力三种模式系统，可满足全年所有情况的使用要求[4]。

5 结语

总之，目前，全球范围之内，在船舶动力系统的设计以及研发领域，西方以及日本等发达国家仍然处在领先地位，这此国家同时还垄断了燃气轮机、锅炉、蒸汽轮机及电力推进装置的先进技术。

混合动力模式已于大型的拖轮船、运输船等船舶之上获得了构建。于约束条件下及庞大空间之内，透过对于恰当的选型与结构设计，获取了装置的解决方案。进而构建了装置的可靠性、机桨对应的合理性以及系统协调性，减少了运行过程之中造成的振动以及噪声，从而精确的提升了船舶的可靠性以及灵活性。

随着工业社会的快速发展，物质资源日渐紧缺、地球环境日益恶化。绿色、环保、可持续发展的新能源技术逐渐成为世界各国研究的热点。相对来说，混合动力系统能够满足船舶在较短时间内出现多变工况时对与大推力输出的要求，同时也能够降低船舶耗油量及废气排放量，从而降低船舶的营运成本。