船舶混合動力系統(tǒng)的發(fā)展與應用

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)廣泛應用于各類交通工具以此來減少能源消耗和溫室氣體的排放。在船舶領域，由于混合動力船舶（HEB）負載的波動，船用發(fā)電機需要在暫態(tài)過程獲得一定的功率補充，以免發(fā)電機性能惡化。使用鋰電池和超級電容器能夠減少功率波動對于發(fā)電機的擾動，以提高HEB動態(tài)性能。能量存儲系統(tǒng)能夠在一定時間內平滑的緩解負荷波動的影響。本次研究使用鋰電池和超級電容器作為儲能設備，使用直流電網(wǎng)作為主系統(tǒng)，這是由于相當一部分設備需要直流電源為其供電。相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)能減少電力電子轉換器數(shù)目，降低了成本，同時也降低控制系統(tǒng)復雜程度。

混合動力船舶是指配備了兩種或兩種以上動力源的船舶。新型現(xiàn)代混合動力船舶不同于古代風帆與人力混合驅動以及近代風帆與蒸汽輪機共同驅動，它是通過傳動裝置耦合柴油機（氣體機）與電機來驅動，或者具有一種以上電力來源（如柴油機發(fā)電、氣體機發(fā)電、燃料電池、太陽能、風電、鋰電池、超級電容等）的電動機來驅動?；旌蟿恿Υ熬哂泄?jié)約不可再生能源消耗，提高航運經(jīng)濟性，減少廢氣排放和機械振動，適應多工況運行的特點。目前，混合動力推進已在作業(yè)船、渡船、拖船、大型游輪、近海鉆井平臺以及軍事艦船等領域進行廣泛應用。

2 混合動力系統(tǒng)工作模式

2.1 柴油機余熱混合式推進系統(tǒng)

要實現(xiàn)船舶的節(jié)能目標，重點在于制作技術的提升、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)質柴油機的熱效率一般在50%左右，摸排出的冷卻水的熱量則占據(jù)熱效率的20%以上，通過廢氣帶走的熱量也將近30%，對于一些輸出功率較大的柴油機的余熱回收是具有一定經(jīng)濟性價值的，特別是在排出的大量廢氣中，高溫廢氣就像是高電勢，其做功的潛力較大，這些余熱的回收可以用來進行加熱、制造淡水，也可以用作蒸汽渦輪發(fā)電等，回收利用價值較大[1]。

2.2 太陽能電力混合動力推進系統(tǒng)

這一混合動力系統(tǒng)主要是借助于太陽能、鋰電池、柴油機發(fā)電機組等的混合推進和施工，實現(xiàn)船舶的動力供應。這一混合動力系統(tǒng)的設計是對于智能化技術應用的典型示范。系統(tǒng)能夠在不同的日照條件下，能夠計算船舶行駛需要的動力，并在太陽能和柴油機組之間進行相應的調節(jié)，以實現(xiàn)對于電力的節(jié)省，促進排放量的減少，應用的節(jié)能效益比較顯著。

2.3 超級電容混合動力推進系統(tǒng)

基于超級電容混合動力的傳播電力推進系統(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)、推進系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等等，這一系統(tǒng)中的超級電容往往是相對于蓄電池而言的，充電速度比較快，能夠實現(xiàn)在短時間內完成相應的充電工作，且在應用中具有無污染的優(yōu)勢，自身的應用噪音小，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 船舶混合動力系統(tǒng)的應用分析

國外（尤其是歐洲）的船舶技術相對比較先進，環(huán)保理念也更超前，基于儲能系統(tǒng)的混合動力船舶發(fā)展和應用較早，世界上第一艘混合動力拖輪“CarolynDorothy”號混合動力拖輪于2009年11月交船，其船長23.77m、船寬10.36m，服務于美國長灘和洛杉磯港，主動力為2臺CumminsQSK50柴油機，每臺額定功率300kW；配備了兩組0.5MWh（總計1MWh）的鉛酸電池；該船擁有5000hp（1hp=0.735kW）的強勁動力，具有綠色環(huán)保，低噪聲航行等優(yōu)越性能。

2013年，一艘當時最大的混合動力渡船在德國與丹麥兩國之間交付。該船長142m、寬25.4m、船速為18.5kn、設計載客數(shù)為1140人，載車354輛。主動力配置了4臺Mak的8M32主機+1臺MAN的6L32/44CR主機，總功率達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力系統(tǒng)后，大幅度提高了發(fā)動機效率，從而減少溫室氣體排放量，降低維護成本且大幅度降低燃料成本。

國內的混合動力船舶以基于變頻軸發(fā)的混合動力系統(tǒng)為主，如由中船重工七一一所提供動力系統(tǒng)集成的粵海鐵火車渡輪、5000噸級公務船、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，是目前重吊領域最先進的環(huán)保節(jié)能型船舶。而“海港711”拖輪，則采用雙機雙槳配置，配備兩套軸帶混動系統(tǒng)，可工作于PTO、PTI兩種模式，有效提升動力系統(tǒng)靈活性，降低船舶能耗。通過應用混合動力系統(tǒng)，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、減少維護成本。大型船舶的混合動力解決方案國外目前也尚屬空白，因此在發(fā)展小型船舶的混合動力推進系統(tǒng)同時，加強大型船舶的混合動力解決能力，是現(xiàn)今國內各大船舶設計院、科研機構、集成商需要努力與改進的方向[3]。

4 問題與展望

混合動力推進系統(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)濟性，減少了污染物廢氣與能源消耗，是未來船舶的發(fā)展方向。但是混合動力船舶相對傳統(tǒng)船舶來說設計建造更為簡單，對初始投資與保障提交越來越低的要求。所以并不是所有種類的船舶均適宜使用混合動力前進系統(tǒng)。綜合性考量經(jīng)濟效益與環(huán)境效益，混合動力前進系統(tǒng)局限在工況多變、有小電力負載、需動力定位及對于廢氣與噪聲有嚴格要求的船舶。混合動力船舶需要更為簡單的控制系統(tǒng)，目前對這方面的研究余分散于能量管理領域，對模式轉換的研究比較欠缺。因而模式切換過程的沖擊問題對提升船舶操控品質與使用壽命、減少燃油消耗與部件磨損具備關鍵意義。

國內的混合動力船舶以基于變頻軸發(fā)的混合動力系統(tǒng)為主，如由中船重工七一一所提供動力系統(tǒng)集成的粵海鐵火車渡輪、5000噸級公務船、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，是目前重吊領域最先進的環(huán)保節(jié)能型船舶。而“海港711”拖輪，則采用雙機雙槳配置，配備兩套軸帶混動系統(tǒng)，可工作于PTO、PTI兩種模式，有效提升動力系統(tǒng)靈活性，降低船舶能耗。通過應用混合動力系統(tǒng)，船舶可以有效提高燃油效率、降低燃油滑油成本、減少維護成本。隨著電池技術的發(fā)展及環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，國內也開始研究應用基于儲能系統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)。2018年7月，首艘入級CCS的電池混合動力游船——“寰島云帆”號在太湖順利通過試航。該船為鋼制雙體船型，總長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風時需要具有自持力持續(xù)航行至避風港，以及在異地避風期間不能?？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 結語

總之，目前，全球范圍之內，在船舶動力系統(tǒng)的設計以及研發(fā)領域，西方以及日本等發(fā)達國家仍然處在領先地位，這此國家同時還壟斷了燃氣輪機、鍋爐、蒸汽輪機及電力推進裝置的先進技術。

混合動力模式已于大型的拖輪船、運輸船等船舶之上獲得了構建。于約束條件下及龐大空間之內，透過對于恰當?shù)倪x型與結構設計，獲取了裝置的解決方案。進而構建了裝置的可靠性、機槳對應的合理性以及系統(tǒng)協(xié)調性，減少了運行過程之中造成的振動以及噪聲，從而精確的提升了船舶的可靠性以及靈活性。

隨著工業(yè)社會的快速發(fā)展，物質資源日漸緊缺、地球環(huán)境日益惡化。綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新能源技術逐漸成為世界各國研究的熱點。相對來說，混合動力系統(tǒng)能夠滿足船舶在較短時間內出現(xiàn)多變工況時對與大推力輸出的要求，同時也能夠降低船舶耗油量及廢氣排放量，從而降低船舶的營運成本。