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船舶电力推动系统的现状及发展前景
船舶电力推动系统的现状及发展前景
• 船舶电力推进系统已有近百年历史,但是由于受各种因素 制约,发展缓慢,且大多数只应用在特种船舶上。 从 20 世纪 80 年代起,供电系统、推进电机和微电子及信息技 术的迅猛发展,使船舶电力推进装置打破了 长期徘徊局 面,得到了大力的发展。电力推进系统基本由机械原动机 (柴油机、燃气轮机或核动力)构成, 用以驱动交流发电机, 发电机再为推进电动机提供动力。电动机可能是直流、交 流同步电动机或交流感应 电动机。同传统的机械推进方 式相比,采用电力推进系统的船舶在经济性、振动噪声、 船舶操纵、布置和 安全可靠性等方面具有明显优点。船 舶综合全电力推进系统包括:发电、输电、配电、变电、 拖动、推进、 储能、监控和电力管理,是现行船舶平台 的电力和动力两大系统发展的综合;它不是电力推进加自 动电站 的简单组合,而是从概念到方案、组成、配置、 技术等均发生重大变化,给未来的船舶带来一场革命。
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超导电磁推进技术
• 超导电磁推进技术是利用安装在船上的超导线圈产生的磁 场与通过海水的电流之间的作用,产生一个沿着 船的纵 轴方向的劳伦磁力,并由向船尾运动的海水喷射而获得推 力。
• 美国于 1980 年完成了 300 kW 的电磁推进船海上试验, 并制造了 2250 kW 的样机。 日本于 1985 年成立了“超 导电磁推进开发委员会”,开始从事超导电磁推进船的开 发工作。1992 年,世界上第一艘载人超导电磁推 进船 “大和一号”在日本神户港正式试航成功,标志着超导电 磁推进技术进入实用阶段。
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我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚,但在原动机、发电机、 配电、变频调速等关键技术方 面有一定的工业基础。目前我国在船用大功率 永磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等设计与 制造方面与发达 国家还有很大差距。我国应进一步加强相关技术的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ究和开发应用,积极参 与这一领域的 国际竞争,力争在市场上占有一席之地。
(2)推进电机技术研究。推进电机是电力推进系统的重要组成部分。电力推进的一个主要研究内容就 是推进 电机交流化,其核心是电力变换器与交流推进电机的技术组合。未来电力船舶对推进电机单 机容量的需求 日益增大,直流推进电机因受极限功率的限制,已不能满足要求。随着电力电子技术、 现代控制理论技术 的发展,研发新型高功率的推进电机技术也是刻不容缓。
吊舱式电力推进系统
• 吊舱式电力推进系统是当今备受推崇的一种推进方式。它是一种全方 位转动的装置,电动机位于吊舱内, 直接驱动螺旋桨。该系统的操纵 性能和推进效率非常好,而且由于不需要轴系、舵及助推器,节省了 大量 的空间,减轻了自身重量,降低了噪声和振动,机动性能更佳, 安装也更方便。在民用船舶推广电力推进过程中,促进了吊舱式推进 模块的发展。这是一种特殊的推进模块,尽管它的体 积不大,却能够 代替完整的传统轴系。 • 吊舱式推进的主要优点如下:①吊舱可以 360°转动,向各个方向发 出推力,为舰船提供了更快、更安全的机动性能。舰船可以在各种气 候和紧急条件下实施机动,大约可减 少 20%的反应时间,舰船制动 的距离更短。②节省燃料,极大减少废气排放。③降低了振动和噪声。 ④维 修工作量小。⑤推进装置可在舰船建造后期进行安装,不会与其 他建造工序发生冲突。⑥可采用对转螺旋 桨等推进技术,改善空泡性 能和提高效率。因此,吊舱式电力推进对舰船技术的发展具有重要意 义,它将 是未来舰船的主要推进方式之一。近年来,由于一些大型船 舶的需要,吊舱式电力推进装置的功率已经达 到几万千瓦,技术也日 趋成熟。
潜艇燃料电池电力推进装置
• 艇燃料电池电力推进装置是以燃料电池为潜艇水下航行动 力源的推进装置。燃料电池是一种能把化学能 直接转换 成电能的能量转换装置,电池本体加上燃料、氧化剂及它 们的贮存器构成一个完整的燃料电池系统。其特点是:在 能量转换方式上与蓄电池相同,都是化学能转换成电能, 因此具有安静、效率高的优点; 在构成方式上则与柴油 发电机组相似,即贮能部分(贮存燃料及氧化剂的贮存器) 与能量转换装置部分相分 离,因此具有长时间连续工作 的能力(只要燃料和氧化剂足够),而不像蓄电池那样需要 来回充放电。各国 曾主要研究过两种潜艇用燃料电池: 氢-氧电池和肼-过氧化氢电池。近年来,燃料电池研究取 得了一些重大的技术突破。例如:潜艇上液态氧贮存器采 用新式壳体结构,有些 国家研究了用氢化物制取氢的方 法等。
(3)船舶电力系统适装性技术研究。电力推进系统装备船舶,不仅需要研究其与船舶总体的关系,还 应考虑 其与船上其他系统、设备的关系。需主要开展以下方面的研究:系统装备于船舶的适装性问 题,并研究与 此相关的对船舶安全性、可靠性等的影响,以及系统对船舶海洋环境的适装性问题等; 解决系统内部及与 其他船用电子设备之间的电磁兼容性问题。
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船舶电力推进技术的兴起是现代电力电子技术进步的必然结果。尽管目前电 力推进需较高的初投资,维护 管理难度大,但能通过船舶营运后节能、增加 舱容和赢利来弥补。随着电力电子器件的改进,电机控制技 术和谐波抑制技 术的发展,推进器和推进电机技术的成熟,必将进一步降低电力推进的初投 资。可以预见,科技的进步必将为电力推进技术提供更加广阔的市场,也将 成为船舶推进装置的主要发展方向 。
电力推进系统的优点
• • • • • 空间配置灵活。 节省燃油,提高经济性。 提高了船舶的操纵性。 振动小,噪音低。 提高了船舶的安全性。
普及电力推进系统需要研发的关键技术
1)全船电力系统总体技术研究。由于电力推进系统的设计是当今先进的电力电子技术、交流调速技 术、电 机制造技术、永磁材料技术、计算机控制技术、原动机技术等的综合运用,技术含量高。许 多不同专业的 各个设备的研制需要相互协调,功能相当且接口一致。综合电力系统各个模块是否运 行良好并相互协调以 发挥系统最佳效能,是事关整个系统优劣和良好运行的关键。需要开展构成综 合电力系统的各个模块,以 及各模块集成的技术研究,主要包括:发电模块关键技术研究,包括全 船环形电网关键技术的研究;配电 模块关键技术研究,主要包括区域配电模式研究等;电力变换模 块关键技术研究,主要包括大容量电能变 换技术研究,中、高压电网的安全性研究等;电力控制模 块关键技术研究,主要包括电力系统智能化综合 监控与管理技术研究等;能量储存模块关键技术研 究等等。在船舶电力推进系统中,电力的产生、维护、 管理就成为船舶的生命线,船舶综合电力系 统总体技术的研究必须取得突破。
船舶电力推进装置
• 常用船舶电力推进装置一般由下述几部分 组成:原动机、发电机、电动机、螺旋桨 以及控制调节设备。 • 船舶电力推进系统的方案分类:永磁电机技 术、超导电磁推进技术、潜艇燃料电池电 力推进装置、吊舱式电力推进系统
永磁电机技术
• 现代永磁电机采用稀土材料励磁,不仅使 电机尺寸大大减小,重量减轻,而且使之 维护方便,运行可靠, 效率提高。与同容 量的异步电动机相比,永磁电机效率提高 了 4%~13%,功率因子提高了 5%~20%。 但 由于转子磁场强度受到当前永磁材料的 限制,10~30 MW 额定功率的永磁电动机 的设计仍面临极大的困 难。