第30卷 第3期2007年6月
世界海运
WorldShipping
Vol.30 No.3Jun. 2007
船舶电力推进未来发展方向
俞文胜
X
(集美大学,福建厦门 361021)
=关键词>船舶;电力推进;发展方向
=摘 要>在对船舶电力推进技术简要介绍的基础上,着重阐述其未来发展前景,并指出能源多样化、推进器新
颖化以及综合模块化将成为船舶电力推进技术的未来发展方向。
中图分类号:U664.14 文献标识码:B 电力推进作为船舶的推进动力,目前各国都在进行深入研究。由于其具有机动性高、安全可靠性好、自动化程度高以及环保效果好等特点,正成为新世纪大型水面船舶青睐的推进方式。
功率/kW功率余量/%推进效率推进功率/kW航行要求的电动机
最小功率/kW电力推进效率柴油机负载/%辅助发电机功率/kW
安装功率/kW
文章编号:1006-7728(2007)03-0043-03
表2 推进功率参数
柴油机
直接推进系统
37730100.[1**********]00.[1**********]00
柴油发电机电力推进系统
35013100.[1**********]0.[1**********]00
1 电力推进的特点
船舶电力推进,通常是由原动机带动发电机发电,然后直接或经变流器给推进电动机供电,由推进电机带动推进器旋转,使船舶运动
[1]
。图1为目前比较常见的吊
舱式电力推进装置示意图。
通过表1、2将柴油机直接推进与柴油发电机电力推进进行对比,可见电力推进具有如下主要特点:
(1)采用电力推进系统后,自动化程度得以提高,控
图1 吊舱式电力推进装置示意图
表1与表2[2]为一艘高速集装箱船的船体、主机的参数。
表1 型体参数
柴油机
直接推进系统
长度/m宽度/m隔舱壁高度/m设计吃水/m最大吃水/m船舶吨位/载重吨载箱量/TEU航速/kn
262.040.024.312.014.[1**********]4.5
柴油发电机电力推进系统
262.040.024.312.014.[1**********]4.5
制方便,启动加速性好,制动快,大大提高了船舶的可操纵性,机动性好,安全可靠性得到提高。
(2)允许使用高速不可反转的热力发动机,从而降低了船舶动力装置的重量,动力系统功率重量比大大提高,这对机舱的灵活布置非常有利。
(3)采用电力推进后,辅助发电机的功率大大降低,甚至可以取消,这对机舱的优化布置非常有利,同时安全可靠性变好。
(4)在故障状态下,可以把发电机和推进电机断开,保障船舶的航行,从而具有较高的安全可靠性。
(5)采用电力推进系统后,可以获得所需要的推进电机机械特性,以满足不同航行工况的要求,这对主机以及船舶的经济性有利。
可见,未来船舶采用电力推进其社会效益以及经济
X[收稿日期]2007-03-23
(
44 世界海运 第30卷
效益是非常巨大的。下面从几个角度来探讨可能的发展方向。
专家Dr.RobertDane于1997年设计开发了复合型太阳能风帆电动船。这艘船的主要电源是由两组蓄电瓶组成的,串并联成48V/880A#h的容量,可驱动40kW的马达,最大航速是6kn。若固定航速是4kn,可维持5h的续航力。蓄电瓶于晚上在岸边充电,一个晚上就可充满。白天航行时若无风,则马达靠太阳能及蓄电瓶供电;若风力够大,可关闭马达,改由风帆来推动。在风速15~20kn时,可推进船只航速达4~6kn。
可见,如何充分有效地将自然能直接转换成船舶动力或者转化成电能将是船舶电力推进系统发展的一个重要方向。
2 未来的发展方向2.1 能源多样化
目前,船舶动力来源大都采用柴油或汽油引擎,引擎所排放的废气及泄漏的油水,对空气及水域都会造成污染,进而造成饮用水质劣化及水中生态失衡,在民生饮用水源的水库、湖泊及对污染敏感的水域如河川、港口、沙洲与沿岸等须特别注意船舶带来的影响。我国是一个能源短缺的国家,已于1998年5月签署并于2002年8月核准了5京都议定书6。中国目前CO2排放量居世界第三,SO2排放量居世界首位,因此寻求清洁能源特别是发展生物质能等可再生能源技术已经列入5国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)6[3]。
(1)生物柴油。生物柴油指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮废油等为原料通过酯交换工艺制成的甲醇或乙醚燃料。这种燃料可供内燃机使用。其主要成分是软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸等长链饱和与不饱和脂及酸同甲醇或乙醇所形成的酯类化合物。生物柴油是一种清洁含氧燃料,具有可再生性,原料来源广泛,可生物降解,燃烧所排放的污染物含量很低,温室气体排放低,是石化柴油的理想替代物[4]。
作为富有潜力的代用燃料,生物柴油以其良好的环境效益和经济价值受到越来越多的关注。我国幅员辽阔,动植物资源丰富,而且又是一个能源消耗大国,大力开发和推广生物柴油对经济可持续发展,推进能源替代,减轻环境压力,控制城市大气污染具有重要的战略意义。因此,研制符合船舶使用要求,能够高效、可控地将生物质能转变成电能的船舶动力装置将是未来船舶电力推进系统发展的一个重要方向。
(2)燃料电池。1939年开始研究的电化学电源)))化学电池使人们产生了极大的兴趣,被称之为燃料电池。它可以提高船舶的自航能力。人们给燃料电池中的化学反应器不断地供给称之为燃料和氧化剂的化学物质,以产生化学反应和得到电能,并排除反应剩余物
[1]
2.2 推进器新颖化
目前电力推进船舶常用的推进器是吊舱式推进器,虽然改推进器在很多方面都具有一定优势,但在船舶向大功率化以及快速化方向发展时,改推进器的使用将明显受到限制。因此开发适合大功率要求的高效的推进器将是电力推进系统发展的另一个方向。
(1)磁流体推进器。磁流体推进是把带电的电极插在水筒中,通电后在水中产生电流,安装在船上的磁铁产生的磁场通过与这一电流相互作用,产生电磁力把水从水筒的末端作为高速水流喷出推动船舶。其推进原理如图2所示。
图2 磁流体推进
文献[5]对该推进方式进行了叙述,指出该推进方式由于没有螺旋桨等运动部件,因而振动小,噪声非常低;克服了转动机械的功率限制,同时避免了螺旋桨高速旋转时所形成的空泡对船速的限制,为高速及大功率船舶创造条件。但由于海水的电阻大,磁场必须达到20万T的磁感应强度,现今使用的铁芯电磁铁仅能达到2万T的磁感应强度,推进效率较低,同时磁场材料的轻量化等难题需进一步深入研究。
(2)喷水推进器。喷水推进是依靠位于船尾的喷水机产生高压高速水流,经喷头喷射而出,使船舶获得强大的反冲动力,并通过调向阀门的阀轴转动改变出水方向,使船舶或前进,或转向,或倒退。
文献[6-7]对喷水推进器作了阐述,指出该推进器,,。燃料
电池结构紧凑,更能合理地利用船舶有效空间,而且燃料电池的转换效率为60%~80%,比现有的热能装置的效率高。其燃烧物可以不是液态的,工作时无噪声、无污染,可靠性和寿命较长。这就使燃料电池在船舶上得到应用,有着特别诱人的前景。
目前燃料电池应用到船舶中有如下问题:从原始燃料中提取氢的成本较高,设备的功率重量比小,启动、停止比较复杂,动力系统中各部件的制造工艺、性能还需不断改进和发展。
(3)自然能。在海上可充分运用的自然界能源有太阳能、风能与波浪能。例如在船侧设计伸缩式推进翼,就
,
第3期 俞文胜:船舶电力推进未来发展方向 45
优异,工作平稳,噪声低,以及高速、稳定的航行性能等优点,但是在低于20kn时,喷水推进的效率比螺旋桨推进要低得多。由于增加了管道中水的重量(通常约占全船排水量的5%左右),使得排水量增加。在水草或杂物较多水域,进口易出现堵塞现象而影响船舶航速,成本较螺旋桨推进要高,更换推进水泵的叶轮较为复杂。
上文所述的磁流体推进器以及喷水推进器,是目前在电力推进领域被认为比较有发展的两种推进器,但是它们在带来诸多优点的同时亦带来一定的问题,因此如何克服这些问题,更好地发挥它们的优点或者开发更加有效的推进器将是电力推进发展的另一个方向。
等组成,推出发电、推进、配电、变电、储能、负载电力控制等一系列功能模块。IPS模块是根据各类舰(船)的要求而确定的,不是针对某一舰(船)型,各类功能模块均自成系列,并制定了各模块系列的技术规格。模块设计文件附有全部接口标准,包括模块与模块之间的电力接口和监控接口标准以及模块与外部系统的接口标准。
综合模块化不但使船舶制造过程规范化、程序化,同时使船舶检验等相关工作变得非常容易,更加规范。因此,综合模块化将仍然是电力推进以及其他推进方式发展的一个重要方向。
3 结 论
在未来的船舶推进领域,虽然电力推进不能完全取代其他船舶推进方式,但是,它所占有的比例将越来越大,其未来将主要围绕能源多样化、推进器新颖化以及综合模块化3个主要方向来发展,从而带来巨大的经济以及社会效益。21世纪必将迎来船舶电力推进发展的黄金时代。
2.3 综合模块化
美国海军于1994年提出的综合全电力系统(IPS),是将推进用电和非推进用电合二为一,系统采用模块化结构和区域配电,以区域配电实现/区域持续作战0的电源构想。图3为IPS
系统结构框图。
[参考文献]
[1] 樊印海.电力推进自动控制[M].大连:大连海事
大学出版社,1998:4-5,187-190.[2] 刘
斌
贝
,徐绍佐.船舶综合电力推进系统综述[J].
柴油机,2004(2):1-4.
[3] 宋永芳.能源植物的开发与利用进展[J].生物质
化学工程,2006(6):50-52.
[4] 魏秋兰,李茂月.生物柴油的研究与应用现状[J].
上海汽车,2006(10):38-40.
[5] 谭作武.磁流体推进[M].北京:北京工业大学出
版社,1998:11-15.
[6] 王立祥.喷水推进[J].船舶,1997(3):45-52.
图3 IPS系统结构
文献[8]介绍了该系统。IPS系统由发电和推进分系统、日用配电分系统、区域配电分系统、系统监控分系统
[7] 刘 柱,孟凡立.喷水推进技术发展[J].航海技
术,2004(4):42-44.[8] 徐绍佐,刘
斌
贝
,顾海宏.船舶综合全电力推进系统
[J].柴油机,2003(2):17-20.
Developmenttrendofelectricalpropulsionship
YUWen-sheng
(JimeiUniv.,Xiamen361021,China)
[Abstract]Onthebasisofbriefintroduction,thispaperemphasizedtoelaboratethedevelopmentforegroundofshipelec-tricalpropulsiontechnology.Itpointoutthatenergydiversification,propulsiondevicebecomingnoveltyandintegratedmodularizationwillbecomethedevelopmenttrendofelectricalpropulsiontechnology.
[Keywords]ship;electricalpropulsion;developmenttrend
第30卷 第3期2007年6月
世界海运
WorldShipping
Vol.30 No.3Jun. 2007
船舶电力推进未来发展方向
俞文胜
X
(集美大学,福建厦门 361021)
=关键词>船舶;电力推进;发展方向
=摘 要>在对船舶电力推进技术简要介绍的基础上,着重阐述其未来发展前景,并指出能源多样化、推进器新
颖化以及综合模块化将成为船舶电力推进技术的未来发展方向。
中图分类号:U664.14 文献标识码:B 电力推进作为船舶的推进动力,目前各国都在进行深入研究。由于其具有机动性高、安全可靠性好、自动化程度高以及环保效果好等特点,正成为新世纪大型水面船舶青睐的推进方式。
功率/kW功率余量/%推进效率推进功率/kW航行要求的电动机
最小功率/kW电力推进效率柴油机负载/%辅助发电机功率/kW
安装功率/kW
文章编号:1006-7728(2007)03-0043-03
表2 推进功率参数
柴油机
直接推进系统
37730100.[1**********]00.[1**********]00
柴油发电机电力推进系统
35013100.[1**********]0.[1**********]00
1 电力推进的特点
船舶电力推进,通常是由原动机带动发电机发电,然后直接或经变流器给推进电动机供电,由推进电机带动推进器旋转,使船舶运动
[1]
。图1为目前比较常见的吊
舱式电力推进装置示意图。
通过表1、2将柴油机直接推进与柴油发电机电力推进进行对比,可见电力推进具有如下主要特点:
(1)采用电力推进系统后,自动化程度得以提高,控
图1 吊舱式电力推进装置示意图
表1与表2[2]为一艘高速集装箱船的船体、主机的参数。
表1 型体参数
柴油机
直接推进系统
长度/m宽度/m隔舱壁高度/m设计吃水/m最大吃水/m船舶吨位/载重吨载箱量/TEU航速/kn
262.040.024.312.014.[1**********]4.5
柴油发电机电力推进系统
262.040.024.312.014.[1**********]4.5
制方便,启动加速性好,制动快,大大提高了船舶的可操纵性,机动性好,安全可靠性得到提高。
(2)允许使用高速不可反转的热力发动机,从而降低了船舶动力装置的重量,动力系统功率重量比大大提高,这对机舱的灵活布置非常有利。
(3)采用电力推进后,辅助发电机的功率大大降低,甚至可以取消,这对机舱的优化布置非常有利,同时安全可靠性变好。
(4)在故障状态下,可以把发电机和推进电机断开,保障船舶的航行,从而具有较高的安全可靠性。
(5)采用电力推进系统后,可以获得所需要的推进电机机械特性,以满足不同航行工况的要求,这对主机以及船舶的经济性有利。
可见,未来船舶采用电力推进其社会效益以及经济
X[收稿日期]2007-03-23
(
44 世界海运 第30卷
效益是非常巨大的。下面从几个角度来探讨可能的发展方向。
专家Dr.RobertDane于1997年设计开发了复合型太阳能风帆电动船。这艘船的主要电源是由两组蓄电瓶组成的,串并联成48V/880A#h的容量,可驱动40kW的马达,最大航速是6kn。若固定航速是4kn,可维持5h的续航力。蓄电瓶于晚上在岸边充电,一个晚上就可充满。白天航行时若无风,则马达靠太阳能及蓄电瓶供电;若风力够大,可关闭马达,改由风帆来推动。在风速15~20kn时,可推进船只航速达4~6kn。
可见,如何充分有效地将自然能直接转换成船舶动力或者转化成电能将是船舶电力推进系统发展的一个重要方向。
2 未来的发展方向2.1 能源多样化
目前,船舶动力来源大都采用柴油或汽油引擎,引擎所排放的废气及泄漏的油水,对空气及水域都会造成污染,进而造成饮用水质劣化及水中生态失衡,在民生饮用水源的水库、湖泊及对污染敏感的水域如河川、港口、沙洲与沿岸等须特别注意船舶带来的影响。我国是一个能源短缺的国家,已于1998年5月签署并于2002年8月核准了5京都议定书6。中国目前CO2排放量居世界第三,SO2排放量居世界首位,因此寻求清洁能源特别是发展生物质能等可再生能源技术已经列入5国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)6[3]。
(1)生物柴油。生物柴油指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮废油等为原料通过酯交换工艺制成的甲醇或乙醚燃料。这种燃料可供内燃机使用。其主要成分是软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸等长链饱和与不饱和脂及酸同甲醇或乙醇所形成的酯类化合物。生物柴油是一种清洁含氧燃料,具有可再生性,原料来源广泛,可生物降解,燃烧所排放的污染物含量很低,温室气体排放低,是石化柴油的理想替代物[4]。
作为富有潜力的代用燃料,生物柴油以其良好的环境效益和经济价值受到越来越多的关注。我国幅员辽阔,动植物资源丰富,而且又是一个能源消耗大国,大力开发和推广生物柴油对经济可持续发展,推进能源替代,减轻环境压力,控制城市大气污染具有重要的战略意义。因此,研制符合船舶使用要求,能够高效、可控地将生物质能转变成电能的船舶动力装置将是未来船舶电力推进系统发展的一个重要方向。
(2)燃料电池。1939年开始研究的电化学电源)))化学电池使人们产生了极大的兴趣,被称之为燃料电池。它可以提高船舶的自航能力。人们给燃料电池中的化学反应器不断地供给称之为燃料和氧化剂的化学物质,以产生化学反应和得到电能,并排除反应剩余物
[1]
2.2 推进器新颖化
目前电力推进船舶常用的推进器是吊舱式推进器,虽然改推进器在很多方面都具有一定优势,但在船舶向大功率化以及快速化方向发展时,改推进器的使用将明显受到限制。因此开发适合大功率要求的高效的推进器将是电力推进系统发展的另一个方向。
(1)磁流体推进器。磁流体推进是把带电的电极插在水筒中,通电后在水中产生电流,安装在船上的磁铁产生的磁场通过与这一电流相互作用,产生电磁力把水从水筒的末端作为高速水流喷出推动船舶。其推进原理如图2所示。
图2 磁流体推进
文献[5]对该推进方式进行了叙述,指出该推进方式由于没有螺旋桨等运动部件,因而振动小,噪声非常低;克服了转动机械的功率限制,同时避免了螺旋桨高速旋转时所形成的空泡对船速的限制,为高速及大功率船舶创造条件。但由于海水的电阻大,磁场必须达到20万T的磁感应强度,现今使用的铁芯电磁铁仅能达到2万T的磁感应强度,推进效率较低,同时磁场材料的轻量化等难题需进一步深入研究。
(2)喷水推进器。喷水推进是依靠位于船尾的喷水机产生高压高速水流,经喷头喷射而出,使船舶获得强大的反冲动力,并通过调向阀门的阀轴转动改变出水方向,使船舶或前进,或转向,或倒退。
文献[6-7]对喷水推进器作了阐述,指出该推进器,,。燃料
电池结构紧凑,更能合理地利用船舶有效空间,而且燃料电池的转换效率为60%~80%,比现有的热能装置的效率高。其燃烧物可以不是液态的,工作时无噪声、无污染,可靠性和寿命较长。这就使燃料电池在船舶上得到应用,有着特别诱人的前景。
目前燃料电池应用到船舶中有如下问题:从原始燃料中提取氢的成本较高,设备的功率重量比小,启动、停止比较复杂,动力系统中各部件的制造工艺、性能还需不断改进和发展。
(3)自然能。在海上可充分运用的自然界能源有太阳能、风能与波浪能。例如在船侧设计伸缩式推进翼,就
,
第3期 俞文胜:船舶电力推进未来发展方向 45
优异,工作平稳,噪声低,以及高速、稳定的航行性能等优点,但是在低于20kn时,喷水推进的效率比螺旋桨推进要低得多。由于增加了管道中水的重量(通常约占全船排水量的5%左右),使得排水量增加。在水草或杂物较多水域,进口易出现堵塞现象而影响船舶航速,成本较螺旋桨推进要高,更换推进水泵的叶轮较为复杂。
上文所述的磁流体推进器以及喷水推进器,是目前在电力推进领域被认为比较有发展的两种推进器,但是它们在带来诸多优点的同时亦带来一定的问题,因此如何克服这些问题,更好地发挥它们的优点或者开发更加有效的推进器将是电力推进发展的另一个方向。
等组成,推出发电、推进、配电、变电、储能、负载电力控制等一系列功能模块。IPS模块是根据各类舰(船)的要求而确定的,不是针对某一舰(船)型,各类功能模块均自成系列,并制定了各模块系列的技术规格。模块设计文件附有全部接口标准,包括模块与模块之间的电力接口和监控接口标准以及模块与外部系统的接口标准。
综合模块化不但使船舶制造过程规范化、程序化,同时使船舶检验等相关工作变得非常容易,更加规范。因此,综合模块化将仍然是电力推进以及其他推进方式发展的一个重要方向。
3 结 论
在未来的船舶推进领域,虽然电力推进不能完全取代其他船舶推进方式,但是,它所占有的比例将越来越大,其未来将主要围绕能源多样化、推进器新颖化以及综合模块化3个主要方向来发展,从而带来巨大的经济以及社会效益。21世纪必将迎来船舶电力推进发展的黄金时代。
2.3 综合模块化
美国海军于1994年提出的综合全电力系统(IPS),是将推进用电和非推进用电合二为一,系统采用模块化结构和区域配电,以区域配电实现/区域持续作战0的电源构想。图3为IPS
系统结构框图。
[参考文献]
[1] 樊印海.电力推进自动控制[M].大连:大连海事
大学出版社,1998:4-5,187-190.[2] 刘
斌
贝
,徐绍佐.船舶综合电力推进系统综述[J].
柴油机,2004(2):1-4.
[3] 宋永芳.能源植物的开发与利用进展[J].生物质
化学工程,2006(6):50-52.
[4] 魏秋兰,李茂月.生物柴油的研究与应用现状[J].
上海汽车,2006(10):38-40.
[5] 谭作武.磁流体推进[M].北京:北京工业大学出
版社,1998:11-15.
[6] 王立祥.喷水推进[J].船舶,1997(3):45-52.
图3 IPS系统结构
文献[8]介绍了该系统。IPS系统由发电和推进分系统、日用配电分系统、区域配电分系统、系统监控分系统
[7] 刘 柱,孟凡立.喷水推进技术发展[J].航海技
术,2004(4):42-44.[8] 徐绍佐,刘
斌
贝
,顾海宏.船舶综合全电力推进系统
[J].柴油机,2003(2):17-20.
Developmenttrendofelectricalpropulsionship
YUWen-sheng
(JimeiUniv.,Xiamen361021,China)
[Abstract]Onthebasisofbriefintroduction,thispaperemphasizedtoelaboratethedevelopmentforegroundofshipelec-tricalpropulsiontechnology.Itpointoutthatenergydiversification,propulsiondevicebecomingnoveltyandintegratedmodularizationwillbecomethedevelopmenttrendofelectricalpropulsiontechnology.
[Keywords]ship;electricalpropulsion;developmenttrend