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风力发电技术在船舶上的应用与展望

张  三,李  四

(上海海事大学商船学院,上海  201306

摘  要风能以其清洁、可再生和储量广泛而受到越来越多的关注和利用。风力发电在船舶上利用是一种新型的风能利用形式。该文介绍风力发电技术在船舶上的应用形式,以及风能在船舶上的应用现状,探讨了风力发电在船舶上应用存在的限制因素,当前应用过程中遇到的困难以及相关研究的重点方向,为进一步深入研究风力发电技术在船舶上的应用提供参考。

关键词风能;风力发电;船舶;应用

中图分类号U671.99    文献标志码A

Development and Application of Wind Power Generation Technologies Onboard Ships

ZHANG San, LI Si

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)

Abstract:  Wind energy, with its clean, renewable and extensive reserves, has attracted more and more attention and utilization. Wind power generation is a new form of wind energy utilization on ships. This paper introduces the application form and the application status of wind power on ships, discusses the limitations of wind power on ships, the difficulties encountered in the current applications, and discusses the key directions of relevant research, points out the direction for further in-depth study of the application of wind power on ships.

Key words:  wind energy; wind power generation; ship; application

0  引言

       国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)海洋环境保护委员会(Marine Environment Protection Committee,MEPC)自1997年9月通过MARPOL附则VI《防止船舶造成空气污染规则》以来,一直致力于减少船舶的温室气体和大气污染物排放,不断通过决议逐渐实施了船舶能效营运指数、燃油含硫量限制、船舶能效管理计划和船舶能效设计指数,强制要求船舶取得国际能效证书,以降低它们对区域和全球大气及环境的污染。随后又通过一系列强制性规定,包括进一步减少船舶燃油含硫量、建立燃油消耗的强制性数据收集系统、加强船舶节能措施的执行、制定2023年前减少船舶温室气体排放路线图和禁止携带非合规燃油等,进一步加强对全球船舶温室气体和有害气体排放控制。随着环境保护法规越来越严格,能源危机和环境问题不断突出,开发利用清洁可再生能源已进入造船业和航运业视野,并开始逐步利用。

      风能是一种清洁、可再生能源,分布广泛,取之不尽用之不竭。辽阔的大海蕴藏着丰富的风能资源,船舶航行于大海上,利用风能可以节省燃料,有效减小船舶污染物的排放,提高经济效益。目前,风能在船舶上的应用主要有风帆助航和风力发电两种方式[1][2]。现代风帆助航技术在上世纪能源危机之后就达到一个高潮,随着计算机技术和现代控制技术的进步,通过电脑程序自动操纵风帆和计算机模拟进行帆型优化,为风帆助航技术在船舶的利用提供了技术支持和提升空间。风力发电技术最早应用于陆上,发电设备种类多样,既有规模化的并网风电场又有离网风力发电系统,但目前只在少数船舶应用风力发电技术[3]。风力发电在船舶上应用还处于起步阶段,远不及陆上风力发电技术的应用广泛。

       本文详细介绍了风力发电技术在船舶上的应用形式、应用现状、应用遇到的限制及困难,探讨了风力发电技术在船舶上的研究方向及应用前景。

1  船舶风力发电

1.1  主要应用形式

       根据船舶不同的航行状况和不同的运行特点,风力发电技术在船舶上的应用形式多种多样,主要有以下几种:

        1)风力发电驱动船舶。如图1所示,这是一种采用风能作为能量来源,通过风力发电来驱动船舶行驶或是供船舶负载用电的一种方式[4],其发电原理与陆上风力发电基本相同,即在船舶上安装水平轴风力机。动力系统由风力发电机、与发电机相联的变压器、与变压器输出端联接的电动机组成,利用风力发电产生电能供电动机运转,从而产生推动船舶的动力。

      

图1  风力发电驱动船舶的结构示意图[4]

         2)风力发电船舶。其利用海域开阔、风能大,不占陆地面积的特点,同时利用海水为做功介质或能量转化介质进行电能的生产和储存,是一种特殊的专门从事电能生产的船舶。

        船舶的主要尺度如表1所示。

表1  船舶主尺度

项目

强峰1800

苏连海起重08

总长/m

112.8

98.8

型宽/m

45.8

27.6

型深/m

9.0

6.6

吃水/m

4.8

4.2

2  结论

       从风力发电应用现状来看,风力发电技术在船舶应用面不广,仅在某些船舶上应用并展现出经济和环保性能,且主要以环保性为主。风力发电技术还面临着如何实现风能最优捕获、缺乏经济又高密度能量储存设备、没有完备可靠的风力发电自动控制系统、没有成熟的垂直轴风力机基础研究理论、没有科学可推广应用的评价体系和缺乏配套的顶层规范指南等问题。希望本文引起学者和政策制定者的关注,为进一步研究船舶风力发电技术指明方向,并为该技术应用提供指引。

参考文献:

[1]   林宗虎. 风能及其利用[J]. 自然杂志, 2008, 30(6): 309-314.

[2]   严新平. 新能源在船舶上的应用进展及展望[J]. 船海工程, 2010, 39(6): 111-115, 120.

[3]   YAN J, LI G, LIU K. Development Trend of Wind Power Technology[J]. International Journal of Advanced Engineering Research and Science. 2020, 7(6): 124-132.

[4]   曾一非. 海洋工程环境[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2007.

[5]   张森. 漂浮式水上风力发电船: CN201753660U [P]. 2011-03-02.

[6]   KIM J, PARK C. Wind Power Generation with a Parawing on Ships, Aproposal[J]. Energy, 2009, 35(3): 1425-1432.

[7]   钱正彦. 船舶新能源供电应用技术研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2012.

[8]   中国船级社. 海上移动平台入级规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2016.

[9]   HUANG Y L. Numerical Model Tests for Mooring Damping[C]//Proceeding of 17th OMAE Conference, 1998.

[10] 中国渔业协会. 深远海养殖-渔业最具发展潜力的产业[EB/OL]. http://www.tensfish.com/news-detailed--30392.html, 2017-06-29.

[11] 赵强, 韩用波. 某集装箱船模型试验报告[R]. 中国船舶科学研究中心上海分部, 2017.

收稿日期:2020-06-08;修回日期:2020-07-01

基金项目:上海市科委资助项目(10010001000)

作者简介:张  三(1986—),男,博士研究生,研究方向:船舶新能源。