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。