陸燕軍

中船澄西船舶修造有限公司 江蘇江陰 214433

1 概述

如今，多源系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)交通工具以此來(lái)減少能源消耗和溫室氣體的排放。在船舶領(lǐng)域，由于混合動(dòng)力船舶（HEB）負(fù)載的波動(dòng)，船用發(fā)電機(jī)需要在暫態(tài)過(guò)程獲得一定的功率補(bǔ)充，以免發(fā)電機(jī)性能惡化。使用鋰電池和超級(jí)電容器能夠減少功率波動(dòng)對(duì)于發(fā)電機(jī)的擾動(dòng)，以提高HEB動(dòng)態(tài)性能。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠在一定時(shí)間內(nèi)平滑的緩解負(fù)荷波動(dòng)的影響。本次研究使用鋰電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備，使用直流電網(wǎng)作為主系統(tǒng)，這是由于相當(dāng)一部分設(shè)備需要直流電源為其供電。相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)能減少電力電子轉(zhuǎn)換器數(shù)目，降低了成本，同時(shí)也降低控制系統(tǒng)復(fù)雜程度。

混合動(dòng)力船舶是指配備了兩種或兩種以上動(dòng)力源的船舶。新型現(xiàn)代混合動(dòng)力船舶不同于古代風(fēng)帆與人力混合驅(qū)動(dòng)以及近代風(fēng)帆與蒸汽輪機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，它是通過(guò)傳動(dòng)裝置耦合柴油機(jī)（氣體機(jī)）與電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，或者具有一種以上電力來(lái)源（如柴油機(jī)發(fā)電、氣體機(jī)發(fā)電、燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)電、鋰電池、超級(jí)電容等）的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)?；旌蟿?dòng)力船舶具有節(jié)約不可再生能源消耗，提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，減少?gòu)U氣排放和機(jī)械振動(dòng)，適應(yīng)多工況運(yùn)行的特點(diǎn)。目前，混合動(dòng)力推進(jìn)已在作業(yè)船、渡船、拖船、大型游輪、近海鉆井平臺(tái)以及軍事艦船等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

2.1 柴油機(jī)余熱混合式推進(jìn)系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能目標(biāo)，重點(diǎn)在于制作技術(shù)的提升、航行狀態(tài)的優(yōu)化以及余熱利用能力的提升等方面，特別是在余熱回收上，具有較大的可行性。就目前的優(yōu)質(zhì)柴油機(jī)的熱效率一般在50%左右，摸排出的冷卻水的熱量則占據(jù)熱效率的20%以上，通過(guò)廢氣帶走的熱量也將近30%，對(duì)于一些輸出功率較大的柴油機(jī)的余熱回收是具有一定經(jīng)濟(jì)性價(jià)值的，特別是在排出的大量廢氣中，高溫廢氣就像是高電勢(shì)，其做功的潛力較大，這些余熱的回收可以用來(lái)進(jìn)行加熱、制造淡水，也可以用作蒸汽渦輪發(fā)電等，回收利用價(jià)值較大[1]。

2.2 太陽(yáng)能電力混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

這一混合動(dòng)力系統(tǒng)主要是借助于太陽(yáng)能、鋰電池、柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組等的混合推進(jìn)和施工，實(shí)現(xiàn)船舶的動(dòng)力供應(yīng)。這一混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)于智能化技術(shù)應(yīng)用的典型示范。系統(tǒng)能夠在不同的日照條件下，能夠計(jì)算船舶行駛需要的動(dòng)力，并在太陽(yáng)能和柴油機(jī)組之間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電力的節(jié)省，促進(jìn)排放量的減少，應(yīng)用的節(jié)能效益比較顯著。

2.3 超級(jí)電容混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

基于超級(jí)電容混合動(dòng)力的傳播電力推進(jìn)系統(tǒng)主要包含了混合供電電源、充電系統(tǒng)、駕駛操作控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等等，這一系統(tǒng)中的超級(jí)電容往往是相對(duì)于蓄電池而言的，充電速度比較快，能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的充電工作，且在應(yīng)用中具有無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，自身的應(yīng)用噪音小，能夠大大提升船舶行駛的環(huán)境，提高船舶行駛舒適度[2]。

3 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用分析

國(guó)外（尤其是歐洲）的船舶技術(shù)相對(duì)比較先進(jìn)，環(huán)保理念也更超前，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶發(fā)展和應(yīng)用較早，世界上第一艘混合動(dòng)力拖輪“CarolynDorothy”號(hào)混合動(dòng)力拖輪于2009年11月交船，其船長(zhǎng)23.77m、船寬10.36m，服務(wù)于美國(guó)長(zhǎng)灘和洛杉磯港，主動(dòng)力為2臺(tái)CumminsQSK50柴油機(jī)，每臺(tái)額定功率300kW；配備了兩組0.5MWh（總計(jì)1MWh）的鉛酸電池；該船擁有5000hp（1hp=0.735kW）的強(qiáng)勁動(dòng)力，具有綠色環(huán)保，低噪聲航行等優(yōu)越性能。

2013年，一艘當(dāng)時(shí)最大的混合動(dòng)力渡船在德國(guó)與丹麥兩國(guó)之間交付。該船長(zhǎng)142m、寬25.4m、船速為18.5kn、設(shè)計(jì)載客數(shù)為1140人，載車(chē)354輛。主動(dòng)力配置了4臺(tái)Mak的8M32主機(jī)+1臺(tái)MAN的6L32/44CR主機(jī)，總功率達(dá)17440kW；總共配置了2.6MWh的三元鋰電池。采用基于鋰電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)后，大幅度提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率，從而減少溫室氣體排放量，降低維護(hù)成本且大幅度降低燃料成本。

國(guó)內(nèi)的混合動(dòng)力船舶以基于變頻軸發(fā)的混合動(dòng)力系統(tǒng)為主，如由中船重工七一一所提供動(dòng)力系統(tǒng)集成的粵海鐵火車(chē)渡輪、5000噸級(jí)公務(wù)船、12500載重噸MPV船、“海港711”拖輪等。以2016年末交付的12500載重噸級(jí)多用途重吊船為例，該船首次裝載了混合軸帶系統(tǒng)，包括500kW軸帶變頻及軸帶發(fā)電機(jī)，是目前重吊領(lǐng)域最先進(jìn)的環(huán)保節(jié)能型船舶。而“海港711”拖輪，則采用雙機(jī)雙槳配置，配備兩套軸帶混動(dòng)系統(tǒng)，可工作于PTO、PTI兩種模式，有效提升動(dòng)力系統(tǒng)靈活性，降低船舶能耗。通過(guò)應(yīng)用混合動(dòng)力系統(tǒng)，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、減少維護(hù)成本。大型船舶的混合動(dòng)力解決方案國(guó)外目前也尚屬空白，因此在發(fā)展小型船舶的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)同時(shí)，加強(qiáng)大型船舶的混合動(dòng)力解決能力，是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)各大船舶設(shè)計(jì)院、科研機(jī)構(gòu)、集成商需要努力與改進(jìn)的方向[3]。

4 問(wèn)題與展望

混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)作為船舶獲取了敏捷的操控能力、比較低的安全性與冗余，提升了船舶的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了污染物廢氣與能源消耗，是未來(lái)船舶的發(fā)展方向。但是混合動(dòng)力船舶相對(duì)傳統(tǒng)船舶來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)建造更為簡(jiǎn)單，對(duì)初始投資與保障提交越來(lái)越低的要求。所以并不是所有種類(lèi)的船舶均適宜使用混合動(dòng)力前進(jìn)系統(tǒng)。綜合性考量經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，混合動(dòng)力前進(jìn)系統(tǒng)局限在工況多變、有小電力負(fù)載、需動(dòng)力定位及對(duì)于廢氣與噪聲有嚴(yán)格要求的船舶?；旌蟿?dòng)力船舶需要更為簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，目前對(duì)這方面的研究余分散于能量管理領(lǐng)域，對(duì)模式轉(zhuǎn)換的研究比較欠缺。因而模式切換過(guò)程的沖擊問(wèn)題對(duì)提升船舶操控品質(zhì)與使用壽命、減少燃油消耗與部件磨損具備關(guān)鍵意義。

國(guó)內(nèi)的混合動(dòng)力船舶以基于變頻軸發(fā)的混合動(dòng)力系統(tǒng)為主，如由中船重工七一一所提供動(dòng)力系統(tǒng)集成的粵海鐵火車(chē)渡輪、5000噸級(jí)公務(wù)船、12500載重噸MPV船、“海港711”拖輪等。以2016年末交付的12500載重噸級(jí)多用途重吊船為例，該船首次裝載了混合軸帶系統(tǒng)，包括500kW軸帶變頻及軸帶發(fā)電機(jī)，是目前重吊領(lǐng)域最先進(jìn)的環(huán)保節(jié)能型船舶。而“海港711”拖輪，則采用雙機(jī)雙槳配置，配備兩套軸帶混動(dòng)系統(tǒng)，可工作于PTO、PTI兩種模式，有效提升動(dòng)力系統(tǒng)靈活性，降低船舶能耗。通過(guò)應(yīng)用混合動(dòng)力系統(tǒng)，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、減少維護(hù)成本。隨著電池技術(shù)的發(fā)展及環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始研究應(yīng)用基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)。2018年7月，首艘入級(jí)CCS的電池混合動(dòng)力游船——“寰島云帆”號(hào)在太湖順利通過(guò)試航。該船為鋼制雙體船型，總長(zhǎng)22.51m、型寬9.0m、型深2.45m，最大航速9.3kn，載客80人。該船為滿足三亞海域抗臺(tái)風(fēng)時(shí)需要具有自持力持續(xù)航行至避風(fēng)港，以及在異地避風(fēng)期間不能?？看a頭充電的特殊需求，量身定制了純電池、油電及電池/油電混合動(dòng)力三種模式系統(tǒng)，可滿足全年所有情況的使用要求[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，目前，全球范圍之內(nèi)，在船舶動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及研發(fā)領(lǐng)域，西方以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家仍然處在領(lǐng)先地位，這此國(guó)家同時(shí)還壟斷了燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐、蒸汽輪機(jī)及電力推進(jìn)裝置的先進(jìn)技術(shù)。

混合動(dòng)力模式已于大型的拖輪船、運(yùn)輸船等船舶之上獲得了構(gòu)建。于約束條件下及龐大空間之內(nèi)，透過(guò)對(duì)于恰當(dāng)?shù)倪x型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲取了裝置的解決方案。進(jìn)而構(gòu)建了裝置的可靠性、機(jī)槳對(duì)應(yīng)的合理性以及系統(tǒng)協(xié)調(diào)性，減少了運(yùn)行過(guò)程之中造成的振動(dòng)以及噪聲，從而精確的提升了船舶的可靠性以及靈活性。

隨著工業(yè)社會(huì)的快速發(fā)展，物質(zhì)資源日漸緊缺、地球環(huán)境日益惡化。綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新能源技術(shù)逐漸成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿足船舶在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多變工況時(shí)對(duì)與大推力輸出的要求，同時(shí)也能夠降低船舶耗油量及廢氣排放量，從而降低船舶的營(yíng)運(yùn)成本。