劉瑩瑩，謝永和，李國強(qiáng)，張吉萍

（1. 浙江海洋學(xué)院海運與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316000；2. 浙江海洋學(xué)院船舶于海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

0 引言

能源是關(guān)系到國計民生和國家安全的重要資源，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障和后盾，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。在中央制定和實施擴(kuò)大內(nèi)需促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長政策措施中，始終堅持節(jié)能減排不動搖，把節(jié)能減排作為擴(kuò)內(nèi)需、保增長、調(diào)結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，2012年年末漁船總數(shù) 106.99萬艘、總噸位 1009.85萬噸、總功率 2173.57萬千瓦。其中，機(jī)動漁船69.56萬艘、總噸位954.23萬噸、總功率 2173.57萬千瓦；非機(jī)動漁船37.44萬艘、總噸位為 55.62萬噸[3]。由于機(jī)動漁船的耗油量在水產(chǎn)業(yè)耗能中占很大比重，加之燃油價格不斷上漲，燃油消耗成本仍然是影響海洋漁業(yè)發(fā)展的主要因素，也是制約漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。利用新能源可以減少不可再生能源的利用，從而起到節(jié)能減排的作用，有效降低漁船對環(huán)境的污染。盡管我國近年來也進(jìn)行了一些漁船節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)和使用，但成本較高，單一措施的節(jié)能指標(biāo)不顯著，因而成效不大。研究各種節(jié)能措施的綜合交叉運用，降低漁船能耗、提高漁船效能，對于遏制漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的滑坡現(xiàn)象、減輕漁民負(fù)擔(dān)、優(yōu)化海域資源、推廣科學(xué)捕撈意義重大[4-5]。

1 漁船節(jié)能方法

節(jié)能工作總體來說可以從三方面入手，即結(jié)構(gòu)調(diào)整、加強(qiáng)管理和技術(shù)進(jìn)步。

1.1 結(jié)構(gòu)調(diào)整

結(jié)構(gòu)調(diào)整需要充分發(fā)揮政府的作用，以保證市場機(jī)制仍然在生產(chǎn)要素配置中發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。政府要制定市場準(zhǔn)入規(guī)則，提供公共產(chǎn)品，運用稅收與財政政策調(diào)節(jié)投資方向，維護(hù)市場秩序，創(chuàng)造公平競爭的市場環(huán)境[2]。

1.2 加強(qiáng)管理

漁船的節(jié)能管理，主要有以下幾種方法：

1）做好節(jié)能普及宣傳工作，使每個崗位上的人員都有節(jié)能的意識；

2）在保證航行安全的前提下，選擇最佳的航線并適當(dāng)降低航速，要使航行距離最短，時間最少，消耗燃油減少，從而可以達(dá)到節(jié)能的效果，降低成本；

3）做好輪機(jī)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，確保輪機(jī)設(shè)備的額定工況，充分挖掘潛力，正確使用、維護(hù)、檢修與保養(yǎng)柴油機(jī)及燃油系統(tǒng)，保持操作系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)處于良好技術(shù)狀態(tài)，防止跑冒滴漏；

4）船體要定期清掃，采用防污涂料，使船體性能恢復(fù)，保持船體光滑；

5）應(yīng)注意燃料、淡水、漁具和漁獲物的裝載方式，合理配載，在航行生產(chǎn)過程中按既定程序消耗燃料淡水，以調(diào)整船體首尾的吃水深度在最佳縱向傾角，從而改變船體在水中的幾何形狀，提高船體推進(jìn)效率，達(dá)到節(jié)約能源的目的；

6）不使用的漁具不要放在船上，應(yīng)搬入陸上的倉庫，燃料和淡水的裝載盡量控制在必要的需要量以內(nèi)，以減少漁船的排水量；

7）利用風(fēng)力和潮流，縮短航行時間[1，5]。

1.3 技術(shù)進(jìn)步[2]

技術(shù)節(jié)能主要有以下幾種方法。

1）研究改進(jìn)推進(jìn)器，安裝漁船尾部水動力附加節(jié)能裝置。附加節(jié)能裝置有：補(bǔ)償導(dǎo)管、適伴流導(dǎo)管、舵球鰭、槳帽渦輪、整流隔板、不對稱船尾線型、導(dǎo)流罩、槳轂帽鰭、槳前扇形整流鰭、導(dǎo)管螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳、對轉(zhuǎn)螺旋槳[6-7]。

2）通過優(yōu)化船型達(dá)到節(jié)能的效果。對漁船尺度比、型線、速長比、船型系數(shù)、進(jìn)流角和去流角等影響性能的參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到節(jié)能效果。如今比較常用的可以安裝球鼻艏、球艉。球鼻艏可以在艏部形成有利的興波干擾，使艏部波高降低，從而減少興波阻力；球艉型船則是利用球艉產(chǎn)生的波系與船艉波系反向等幅，從而減少艉波，改善艉流，使伴流分布均勻。

3）新能源在漁船上的應(yīng)用?，F(xiàn)在可以利用的新能源有風(fēng)能和太陽能?？梢杂脕碇苯庸╇?，也可以用來制冷或海水談化等。這些新能源的利用都可以減少化石燃料的利用，從而起到節(jié)能減排的作用。

節(jié)能減排工作實施的好，要靠結(jié)構(gòu)調(diào)整、加強(qiáng)管理和技術(shù)進(jìn)步三種途徑來實現(xiàn)。就節(jié)能而言，結(jié)構(gòu)節(jié)能和管理節(jié)能是一項長期任務(wù)，在短時期內(nèi)難以有很大的調(diào)整，技術(shù)節(jié)能更具有實效性[2]。

2 潮流能的應(yīng)用

2.1 潮流能的應(yīng)用設(shè)計

由于海洋能蘊(yùn)含量巨大，能量密度高[8]，其開發(fā)與利用就顯得十分有價值，考慮到漁船的特點可以將海洋能中的潮流能應(yīng)用到漁船上。

漁船在作業(yè)時并不總是在航行狀態(tài)，而且對于很多遠(yuǎn)洋漁船錨泊的時間很長，這時候不需要柴油機(jī)大功率輸出。如果在船舶錨泊時，利用潮流能發(fā)電供船舶使用，這樣不僅能夠節(jié)約能源，而且對環(huán)境還可以起到保護(hù)作用。

本文設(shè)計了一種漁船錨泊時用來發(fā)電的潮流能發(fā)電裝置，供應(yīng)船上的基本用電。這樣就不需要啟動柴油機(jī)?，F(xiàn)在國內(nèi)外所研究的潮流發(fā)電裝置以大型發(fā)電站為主，不適合船舶自帶，也不便于安裝與操作。設(shè)計一種與漁船相適應(yīng)的裝置是應(yīng)用到漁船節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。

將潮流能水輪機(jī)以固定結(jié)構(gòu)與拋錨停泊船舶相連。該裝置便攜易操作，在船舶拋錨停泊時可以施放、啟動進(jìn)行發(fā)電，當(dāng)船舶航行、作業(yè)時又可將其收回，不影響船舶正常航行。設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 漁船錨泊潮流發(fā)電裝置機(jī)構(gòu)圖

2.2 發(fā)電裝置設(shè)計

本設(shè)計發(fā)電系統(tǒng)包括水輪機(jī)捕能裝置、傳動裝置、硅整流發(fā)電機(jī)、DC/DC變換器、逆變器、蓄電池、充放電保護(hù)電路以及控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的直流電經(jīng)過DC/DC變換器，再由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為所需的交流電供負(fù)載使用。其中 DC/DC變換器是用來改變發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率和控制蓄電池充放電；能耗負(fù)載用來保護(hù)發(fā)電機(jī)組[9]?？刂破鞯淖饔檬牵海?）最大捕獲潮流能，實現(xiàn)最大功率點跟蹤，提高電能傳輸效率和質(zhì)量；（2）保護(hù)蓄電池，防止過充和過放，提供足夠充電能量進(jìn)行快速充電；（3）減少流速隨機(jī)變化對輸出電能的影響，使輸出電壓穩(wěn)定，減少紋波；（4）保證水輪機(jī)安全運行，在電氣特性和機(jī)械特性允許范圍內(nèi)運行。

從能量轉(zhuǎn)換角度來說，主要有兩大部分的轉(zhuǎn)換，第一部分是水輪機(jī)將潮流能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，第二部分是發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

2.2.1 水輪機(jī)

潮流能發(fā)電技術(shù)中，潮流水輪機(jī)是其核心技術(shù)之一，近年來研究取得很大的發(fā)展，有多種類型的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)其運行情況，潮流能水輪機(jī)可分為水平軸、豎軸和橫軸三類。水平軸水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸軸向與水流方向平行，主要利用水流對葉片的升力作用。豎軸水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸軸向與水流方向垂直，與海平面垂直。橫軸水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸軸向與水流方向垂直，與海平面平行。

水平軸水輪機(jī)正對水流方向時，發(fā)電功率較大。當(dāng)水流方向與旋轉(zhuǎn)軸方向有夾角時，其獲能效率迅速下降，一般需要安裝偏航控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，以提高發(fā)電輸出功率。

豎軸水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與水平面垂直，不受水流方向的影響，不僅減少了偏航機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計，還可以直接通過旋轉(zhuǎn)軸將扭矩輸出，減小機(jī)械傳動損失。根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)，豎軸水輪機(jī)分為H-Darrieus式、O-Darrieus式、Savonius式以及Gorlov式等。

橫軸水輪機(jī)與豎軸水輪機(jī)結(jié)構(gòu)相似，只是放置方式不同，常將兩種水輪機(jī)統(tǒng)稱為垂直軸水輪機(jī)。橫軸水輪機(jī)因其應(yīng)用的局限性，常被豎軸水輪機(jī)所代替。多數(shù)資料中所說的垂直軸水輪機(jī)特指豎軸水輪機(jī)[10]。

經(jīng)過分析比較，本文設(shè)計中選用Savonius式水輪機(jī)作為潮流能發(fā)電裝置的水輪機(jī)。其示意圖如圖3所示。Savonius型葉輪是應(yīng)用最廣泛的海流發(fā)電葉輪之一，其成本低、自啟動性較好[11-13]。這種水輪機(jī)總成本低，制造和維修簡單，轉(zhuǎn)子在水流速度很低的情況下就開始向外輸出功率，在流速很高的情況下依然能夠持續(xù)輸出。因此可利用的流速范圍很廣，雖然效率低，但總體效率高[12]。

水輪機(jī)輸出功率的計算公式為：

式中：ρ為海水密度，為1030 kg/m3；A為為潮流水輪機(jī)轉(zhuǎn)子掃掠面積，單位是m2；V為潮流流速，單位是m／s；η為效率。

圖3 Savonius式水輪機(jī)

2.2.2 發(fā)電機(jī)及調(diào)節(jié)器

發(fā)電機(jī)是潮流能發(fā)電裝置中必不可少的部分，本文中選用硅整流發(fā)電機(jī)，內(nèi)含由整流板和硅二極管組成的整流器，所以輸出為直流電，可以直接輸出給變換器。硅整流發(fā)電機(jī)按總體結(jié)構(gòu)分普通硅整流交流發(fā)電機(jī)、整體式硅整流交流發(fā)電機(jī)、帶泵硅整流交流發(fā)電機(jī)、無刷硅整流交流發(fā)電機(jī)、永磁硅整流交流發(fā)電機(jī)。按硅整流器結(jié)構(gòu)分六管交流發(fā)電機(jī)、八管交流發(fā)電機(jī)、九管交流發(fā)電機(jī)、十一管交流發(fā)電機(jī)。按磁場繞組的搭鐵方式分內(nèi)搭鐵式和外搭鐵式。本文選擇14 V的外搭鐵式六管交流發(fā)電機(jī)作為該裝置的發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 外搭鐵式六管交流發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)中的整流器整流的原理圖如圖 5所示。a是原理結(jié)構(gòu)圖，b是交流電的輸出電壓波形，c是整流輸出波形圖。其整流原理是：三只正二極管負(fù)極端連接在一起時，正極端電位最高者導(dǎo)通；三只負(fù)二極管正極端連接在一起時，負(fù)極端電位最低者導(dǎo)通；每一瞬時都有一個正極和一個管導(dǎo)通 ，使電路形成回路[14]。

另外發(fā)電機(jī)必須配裝電壓調(diào)節(jié)器才能工作，電壓調(diào)節(jié)器對發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行控制，使其保持基本恒定。由于交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由水輪機(jī)驅(qū)動的，而水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速隨水流的變化比較大，因此交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍非常大，這樣將引起發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生較大變化，無法滿足各種用電器的的工作要求，所以必須配用電壓調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器也有很多類型。為了與發(fā)電機(jī)的種類相匹配，本文選用外搭鐵式晶體管調(diào)節(jié)器JFT106，其電壓調(diào)節(jié)范圍是 13.8 ～14.6 V,滿足本設(shè)計的要求。

圖5 整流器整流原理

3 小結(jié)

節(jié)能技術(shù)在漁船上的廣泛應(yīng)用，不是一朝一夕所能完成的，需要所有漁船設(shè)計人員、使用人員和管理人員共同關(guān)心和長期努力才能取得預(yù)期效果。研究和利用船舶節(jié)能新技術(shù)，并且考慮漁船的特點，提高漁船行業(yè)整體裝備水平和運行水平，才能實現(xiàn)漁業(yè)又好又快發(fā)展[1]。本文提出的適用于漁船錨泊時的潮流能發(fā)電裝置設(shè)計體積小，重量輕，易于攜帶，便于安裝，既環(huán)保又有顯著的節(jié)能效果。

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