风能发电在远洋货船上应用的研究.pdf

1、风 能 发 电 在 远 洋 货 船 上 应 用 的 研 究上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 张 钧 存摘 要 风 能 发 电 在 陆 上 早 已 应 用 , 而 作 为 大 型 远 洋 船 舶 的 电 源 近 来 也 引 起 了 讨 论 。 它 不 仅 能达 到 节 约 能 源 的 目 的 , 又 保 护 了 海 洋 环 境 。 近 来 , 日 本 把 一 条 万 吨 的 煤 炭 专 用 船 作 为 风 能 发 电 的对 象 船 进 行 了 研 究 , 并 对 降 低 燃 料 消 耗 量 和 减 少 、 排 放 量 的 效 果 作 了 理 论 上 的 分 析 评 价 。关 健 词 风

2、 能 发 电 船 舶 电 源 系 统 节 能 环 保渐 , 划 故一 忍 苗 尔 五 矽 , 口 军 过 艺 。 如 式 卯 , 如 娜 孑 ” 只 口 次 刃 心 几介 脚 朴 夕 瓦 , ,价 夕 , 竹 , 刁 , 矛 ,吻为 了 节 约 石 油 、 煤 炭 等 不 可 再 生 能 源 的 消 耗 、保 护 环 境 和 保 持 生 态 平 衡 , 人 们 一 直 在 寻 找 自 然 界中 能 够 取 之 不 尽 的 能 源 来 代 榭 专 统 的 能 源 。 风 能 是人 们 在 古 代 就 最 早 应 用 的 能 源 之 一 , 现 在 , 风 能 作为 发 电 能 源 在 陆 地 上

3、 应 用 已 有 一 定 的 规 模 , 世 界 各国 总 的 装 机 功 率 已 达 千 万 千 瓦 左 右 , 居 前 几 位 的是 德 国 、 美 国 、 丹 麦 等 国 , 详 见 表 。表 世 界 各 国 风 能 发 电 装 机 功 率各 国 对 于 风 能 在 现 代 大 型 船 舶 上 的 应 用 也 已 经进 行 了 不 少 的 研 究 、 试 验 和 尝 试 。 特 别 是 把 风 能 作为 船 舶 推 进 能 源 在 现 代 大 型 船 舶 上 的 应 用 作 了 大 量的 研 究 和 实 船 尝 试 。 近 来 , 日 本 又 对 在 大 型 远 洋 货船 上 应 用 风

4、 能 发 电 系 统 的 可 能 性 开 展 了 多 项 比 较 深人 的 研 究 和 评 价 工 作 , 主 要 涉 及 风 能 发 电 装 置 运 行风 速 的 设 定 方 法 、 风 能 发 电 装 置 抗 风 力 的 计 算 方 法 、不 同 情 况 下 风 能 发 电 系 统 在 船 舶 电 源 系 统 中 的 利 用国国 家家 年年 年年德德 国国 , , 又 旧旧 , ,口 厌美美 国国 , , , ,侧 】丹丹 麦麦 , ,以 刃刃 , ,以 刃刃印印 度度 ,仪 旧旧 , 犯犯西西 班 牙牙 ,口 厌 , 荷荷 兰兰 , 洲 又 , 洲 叉英英 国国 , 卫 ,全全 世 界界

5、界机 电 设 备 年 第 期和 评 价 程 序图 为 带 有 风 能 发 电 的 船 用 混 合 电 源 系 统 的 研究 和 评 价 程 序 框 图 。从 图 可 知 , 此 研 究 评 价 程 序 有 好 几 个 环 节 。譬 如 , 在 考 虑 采 纳 风 能 发 电 系 统 的 时 候 , 首 先 要 选择 合 适 的 船 型 , 选 择 时 要 注 意 该 船 的 甲 板 是 否 有 利于 安 装 风 能 发 电 装 置 其 次 , 根 据 对 象 船 的 船 体 布置 图 对 风 能 发 电 装 置 的 安 装 位 置 、 台 数 、 风 叶 直 径 、叶 片 数 量 进 行 研

6、究 确 定 根 据 海 况 等 因 素 , 确 定 风能 发 电 装 置 额 定 风 速 、 启 用 风 速 、 卸 荷 风 速 还 有计 算 风 能 发 电 量 等 环 节 。 直 至 对 整 个 电 源 系 统 进 行总 体 评 价 。开 始在 对 象 船 上 装 备风 能 发 电 装 置船 体 布 置 图航 行 海 域 的 平 均相 对 风 速 和 风 向风 能 发 电 装 置 的 安 装 位置 、 风 叶 直 径 、 台 数 、叶 片 枚 数 的 确 定求 出 平 均 相 对 风速 和 风 向 的 分 布风 能 发 电 装 置 的 载 荷 、卸 荷 、 额 定 风 速 的 确 定平 均

7、 相 对风 速 值平 均 使 用 电 量电 力 调 查 表电 路 系 统 图风 能 发 电 量 的 计 算排 水 量 等曲 线 图主 机 功 率燃 料 耗各 负 荷 系 统 需 电星 比 十 算风 能 发 电 装置 重 量 使 主机 制 动 功 率增 加 值 计 算空 气 阻 力使 主 机 制动 功 率 增加 值 计 算供 应 负 荷 系 统 的 决 定现 燃 料 耗 量 、 、排 放 量带 风 能 发 电 的 电 源 系 统 燃 料 耗 量 、 排 放 量电 源 系 统 的 评 价完 成图 风 能 发 电 系 统 的 研 究 评 价 程 序 框 图一 一 机 电 设 备 年 第 期适 合 安

8、 装 风 能 发 电 装 置 的 船 舶不 是 所 有 的 船 舶 都 能 安 装 使 用 风 能 发 电 装 置的 , 所 以 , 选 择 适 合 的 船 型 是 首 先 要 考 虑 的 问 题 。譬 如 集 装 箱 船 就 很 不 适 合 , 这 是 由 于 甲 板 上 装 了 集装 箱 后 , 就 难 以 保 证 有 风 能 发 电 装 置 的 安 装 位 置 。而 煤 炭 运 输 船 舶 就 能 有 足 够 的 位 置 来 安 装 风 能 发 电装 置 。 所 以 , 日 本 此 项 研 究 的 对 象 船 就 选 用 了 日 本邮 船 株 式 会 社 已 在 运 营 的 大 型 远

9、洋 煤 炭 专 用 船 。 该船 走 日 本 至 北 美 和 日 本 至 澳 洲 东 岸 航 线 , 大 约 每天 往 返 一 次 。 据 统 计 , 该 船 自 年 月 日 到年 月 日 的 一 年 多 时 间 里 , 在 太 平 洋 上 航 行了 天 。 该 对 象 船 现 行 电 源 系 统 和 主 要 性 能 情 况如 图 、 表 所 示 。该 船 在 不 同 工 况 下 的 用 电 量 如 表 所 示 。表 对 象 船 在 不 同 工 况 下 的 用 电 量耗耗耗 电 量量 发 电 机机 负 荷 率率灭 使 用 台 数数航航 行 时时进进 出 港 时时装装 卸 作 业 时时柴 油 发

10、 电 机变变 压 器器曰曰曰系 统对 象 船 现 行 电 源 系 统 由 三 台 功 率 为 的柴 油 发 电 机 和 一 台 功 率 为 的 应 急 发 电 机 组成 。 航 行 中 使 用 一 台 的 柴 油 发 电 机 供 应 全 船的 电 力 。 对 航 行 状 态 下 耗 电 量 实 际 测 量 表 明 , 实 际运 行 一 小 时 的 最 大 耗 量 是 , 最 小 是, 平 均 是 。系 统既 系 统应 急 配 电 板图 对 象 船 现 行 电 源 系 统带 风 能 发 电 的 船 用 混 合 电 源 系 统船 舶 在 海 上 航 行 时 , 风 能 发 电 系 统 的 发 电

11、量 计算 与 相 对 风 速 真 风 速 与 船 速 之 差 有 关 。 日 本 对在 一 年 中 对 象 船 舶 天 的 航 海 资 料 进 行 了 分 析 ,绘 出 了 该 船 航 线 上 日 平 均 相 对 风 速 分 布 图 见 图。八八曰袱 燕只全全 长长型型 宽宽总总 吨吨 ,载载 重 吨吨 ,科航航 速速 、主 机连 续 最 大 输 出 功 率连 续 转 速发 电 原 动 机功 率转 速发 电 机柴 油 机 台,价柴 油 机 台一一 。扮 图一 一 一 一 以 几风 速日 平 均 相 对 风 速 值 的 分 布三 相 交 流 发 电 机 台电电 压压频频 率率 】功功 率率转转

12、速速 万 而备 用 柴 油 发 电 机 台为 确 保 风 能 的 有 效 利 用 , 风 能 发 电 系 统 是 在 一定 的 风 速 范 围 内 才 能 运 行 的 , 而 且 还 要 求 风 速 的 出现 频 度 范 围 比 较 一 致 , 以 尽 可 能 使 风 能 发 电 装 置 能处 于 比 较 稳 定 的 工 作 状 态 。 根 据 图 可 知 , 对 象 船遇 到 的 日 风 速 值 最 多 的 是 而 左 右 , 这 对 风 能 发 电系 统 额 定 风 速 的 选 定 是 一 个 相 当 重 要 的 依 据 。 图机 电 设 备 年 第 期为 平 均 风 速 、 风 能 与

13、风 速 出 现 频 度 的 分 布 图 。 这 些分 布 图 是 设 定 风 能 发 电 系 统 正 常 运 行 风 速 范 围 的 基础 。 由 图 可 见 , 订 是 出 现 频 度 最 高 的 风 速 。 风 速与 风 能 成 次 方 的 关 系 , 在 风 速 为 分 日 寸 风 力 能量 处 于 最 高 值 。 由 此 将 风 能 发 电 系 统 的 额 定 风 速 设定 为 龙 。 据 此 , 风 能 发 电 系 统 正 常 运 行 的 有 关参 数 范 围 设 定 为 风 力 能 量 的 分 布 在 以 上 ,风 速 在 一 而 之 间 。风 能 发 电 装 置 的 安 装 位

14、置 、 风 叶 直 径 、 每 台 的叶 片 数 、 安 装 高 度 等 要 素 均 需 以 对 象 船 舶 的 船 体 布置 图 为 依 据 来 确 定 。所 示 , 可 见 在 额 定 风 速 时 , 每 台 风 能 发 电 机 的 额 定功 率 是 。风 能 发 电 装 置 魂 台目 口 口 口 口 口 口 口图 风 能 发 电 装 置 的 布 置二 风 速风 能 功 率八八八一 一 一 一 一 一 一 风 速 耐图 风 能 发 电 系 统 的 功 率 特 性士黝招成侧舜卿王用喊风 速图 平 均 风 速 、 风 能 与 风 速 出 现 频 度 的 分 布陆 用 的 风 叶 旋 转 面 垂

15、 直 于 地 面 , 而 船 用 的 风 叶旋 转 面 平 行 于 甲 板 。 由 于 船 用 风 能 发 电 装 置 的 风 叶安 装 方 向 不 同 于 陆 用 , 所 以 , 船 用 风 能 发 电 装 置 的安 装 位 置 更 须 考 虑 诸 多 因 素 。 譬 如 , 安 装 在 左 右 船舷 的 风 叶 对 装 卸 作 业 时 舱 口 盖 的 开 闭 操 纵 和 船 舶 进出 港 时 绞 缆 机 的 操 纵 作 业 是 否 有 妨 碍 。 风 叶 的 最 大直 径 依 风 力 发 电 量 、 风 能 有 效 利 用 程 度 、 各 舱 口 间的 距 离 讨 算 。 同 一 风 叶

16、直 径 的 风 力 发 电 装 置 的 输 出功 率 与 风 叶 长 度 与 叶 数 的 乘 积 有 关 。 安 装 高 度 须 考虑 是 否 影 响 船 桥 驾 驶 室 的 航 海 了 望 和 操 纵 作 业 。图 为 风 能 发 电 装 置 的 安 装 示 意 图 , 可 见台 风 力 发 电 装 置 安 装 在 甲 板 上 的 各 舱 口 间 。 螺 旋 桨状 的 风 叶 直 径 为 , 风 叶 数 枚 , 风 叶 中 心 离 甲板 的 高 度 为 。 风 能 发 电 系 统 的 功 率 特 性 见 图风 能 发 电 系 统 的 额 定 功 率 和 功 率 特 性 是 根 据 运行 风

17、速 计 算 出 来 的 。 其 制 动 功 率 由 下 式 求 得 , 一其 中 少 一 风 能 发 电 系 统 的 制 动 功 率一 空 气 密 度一 风 车 受 风 面 积 时一 相 对 风 速 岁月 一 总 效 率而 总 效 率 可 由 下 式 计 算勺 勺 一 勺 “ 勺其 中 , 一 总 效 率” 一 理 想 风 车 效 率 , 研 究 中 设 为, 一 风 车 效 率 , 研 究 中 设 为介 一 风 能 发 电 装 置 及 电 力 变 换 器 的 效率 , 研 究 中 设 为 。风 能 发 电 多 数 是 小 型 的 , 一 般 采 用 三 相 交 流 同步 发 电 机 。 发

18、电 机 与 风 车 之 间 安 装 了 增 速 比 为 的变 速 机 。 额 定 风 速 下 的 发 电 机 转 速 为 加由 风 能 发 电 系 统 的 功 率 特 性 来 推 算 风 能 发 电 系机 电 设 备 年 第 期统 的 风 力 发 电 量 , 见 以 下 推 算 公 式腼 。 , 尸其 中 一 推 算 的 风 能 发 电 量均 一 发 电 装 置 工 作 时 间坟 一 风 速 出 现 频 率 关 系 数 雷 诺 数四 一 风 能 发 电 系 统 的 功 率。 一 卸 荷 风 速 耐一 载 荷 启 动 风 速 而根 据 对 象 船 的 情 况 , 其 计 算 结 果 是 , 推

19、算 的 日风 能 发 电 量 最 大 为 刃 , 平 均 为 刃船 舶 的 电 源 由 科 交 流 、 交 流 、交 流 及 直 流 等 系 统 组 成 。 由 航 海 、 轮 机 日 志 的累 计 记 录 可 知 道 日 平 均 电 力 消 耗 量 , 并 可 作 出 电 力调 查 表 , 了 解 船 内 各 电 路 系 统 动 力 、 照 明 、 船 内通 信 、 航 海 仪 器 、 无 线 电 等 各 负 荷 系 统 的 使 用 电力 量 。 从 而 以 可 能 提 供 的 风 能 发 电 量 为 依 据 , 设 计出 风 能 发 电 装 置 系 统 的 电 力 供 应 负 荷 系 统

20、。推咬变变 压 器器用用用通 性 系 统风 能 发 电 系 统 对 主 机 制 动 功 率 的 影 响风 能 发 电 系 统 对 整 体 重 量 的 影 响船 舶 在 海 上 航 行 时 , 由 于 风 能 发 电 系 统 的 整 体重 量 将 使 装 备 有 风 能 发 电 系 统 的 船 舶 吃 水 加 大 , 从而 增 加 船 舶 航 行 时 的 摩 擦 阻 力 。 理 沦 上 讲 , 船 舶 要保 持 既 定 航 速 , 就 要 增 加 主 机 的 制 动 功 率 来 克 服 增加 的 摩 擦 力 , 这 也 就 增 加 了 燃 料 消 耗 量 。对 象 船 装 备 风 能 发 电 系

21、 统 后 , 船 舶 重 量 约 增 加吨 , 依 排 水 量 等 曲 线 图 求 得 吃 水 面 积 增 加 了。 对 于 载 重 量 为 万 多 吨 的 对 象 船 来 说 , 这个 吃 水 面 积 的 增 加 量 是 很 微 小 的 , 所 以 对 主 机 航 行时 的 制 动 功 率 几 乎 没 有 影 响 。风 能 发 电 装 置 空 气 阻 力 的 影 响当 有 风 吹 过 时 , 设 置 在 甲 板 上 的 风 能 发 电 装 置在 发 电 的 同 时 也 产 生 了 空 气 阻 力 。 此 时 , 风 能 发 电装 置 产 生 的 空 气 阻 力 也 需 要 消 耗 一 部 分

22、 的 主 机 制 动功 率 , 这 就 意 味 着 主 机 的 燃 料 消 耗 量 要 增 加 。 但 实际 上 , 由 于 使 用 了 风 力 发 电 装 置 而 使 发 电 柴 油 机 的燃 料 消 耗 量 降 低 值 已 经 大 于 主 机 燃 料 的 增 加 值 , 从而 整 个 船 舶 动 力 装 置 还 是 实 现 了 节 能 。当 乒 以 船 首 方 向 吹 来 时 , 风 能 发 电 装 置 产 生 的空 气 阻 力 由 主 机 制 动 功 率 来 克 服 , 假 如 此 时 风 能 发电 装 置 停 止 工 作 的 话 , 全 船 的 燃 料 消 耗 量 将 增 加 。主 机

23、 制 动 功 率 的 增 加 量 按 以 下 公 式 计 算系 统汉系 统应 急 配 电 板图 带 有 风 能 发 电 的 电 源 系 统图 给 出 了 布 置 有 风 能 发 电 装 置 的 对 象 船 混 合电 源 系 统 示 意 图 。 风 能 发 电 装 置 发 出 的 电 经 过 整 流器 整 流 后 变 成 直 流 电 , 再 经 变 流 器 变 为 交 流 电 , 然后 再 经 变 压 器 升 高 到 交 流 科 后 并 人 船 用 电 网 。从 充 分 利 用 风 能 的 角 度 , 要 求 电 网 系 统 的 用 电 量 应尽 量 由 风 能 发 电 来 满 足 , 不 足

24、部 分 才 由 柴 油 发 电 机补 充 。 而 针 对 对 象 船 来 讲 , 风 能 发 电 量 只 能 满 足 小部 分 的 负 荷 需 要 。 对 象 船 在 实 际 风 况 下 推 算 的 风 能发 电 量 占 总 用 电 量 的 比 例 最 大 为 , 平 均 为幼 脚 刀其 中 八 一 主 机 制 动 功 率 的 增 加 量坟 一 风 速 出 现 频 度 关 系 数 雷 诺 数四 一 制 动 功 率 增 加 量 特 胜一 最 大 风 速 而制 动 功 率 增 加 量 特 性 按 以 下 公 式 计 算 六 一其 中 少 一 制 动 功 率 增 加 量 特 性少 一 空 气 阻 力

25、一 船 速, 一 推 进 效 率 , 研 究 中 设 为风 能 发 电 装 置 的 空 气 阻 力 由 以 下 公 式 计 算 。当 相 对 风 速 从 到 载 荷 启 动 风 速 以 下 , 以 及 相对 风 速 超 过 卸 荷 风 速 时 的 雷 诺 数 为 麟 。机 电 设 备 年 第 期当 相 对 风 速 在 起 始 载 荷 风 速 至 卸 荷 风 速 范 围内 时 , 雷 诺 数 为 麟 其 中 一 空 气 阻 力, 一 风 车 的 体 积 比 , 研 究 中 设 为一 风 车 受 风 面 积 时一 相 对 风 速 汀一 船 首 方 向 的 相 对 风 向 角 度公 式 中 假 设

26、, 对 着 船 首 方 向 正 面 吹 来 的 风 , 其风 向 角 度 视 作 为 度 。 由 公 式 可 知 , 燃 料 消 耗 量随 着 相 对 风 向 角 的 变 大 而 逐 渐 减 少 。 当 风 以分 平 均 相 对 风 速 向 船 首 吹 来 时 , 主 机 至 少 要 负担 的 制 动 功 率 , 而 此 时 风 能 发 电 量 为刃 。 由 燃 料 消 耗 量 计 算 方 法 可 算 得 , 此 时 的发 电 柴 油 机 的 燃 料 消 耗 量 减 少 值 为 , 而 主机 的 燃 料 消 耗 量 增 加 值 为 。 全 船 的 整 体 燃 料消 耗 量 减 少 了 , 可

27、见 节 能 效 果 还 是 明 显 的 。撤 料 消 耗 , 及 、 排 放刀刀 。石 助召 摆寨幕纂刀 刀 刀 刀 刀功 率图 发 电 柴 油 机 功 率 与 燃 料 消 耗 关 系 特 性 曲 线沪沪洲洲尹尹乏全蝴翼哀纂功 率 夕图 主 机 功 率 与 燃 料 消 耗 关 系 特 性 曲 线从 现 有 的 电 源 系 统 来 看 , 装 备 有 风 能 发 电 系 统的 混 合 电 源 系 统 的 发 电 柴 油 机 和 主 机 燃 料 消 耗 量 及、 和 排 放 量 可 分 别 由 图 和 图 的 特 性 曲 线求 得 。以 上 图 表 是 根 据 船 舶 驾 驶 和 轮 机 部 门

28、的 航 行日 志 记 录 资 料 而 生 成 的 发 电 柴 油 机 和 主 机 的 功 率 与燃 料 消 耗 量 关 系 恃 性 曲 线 。、 排 放 量 根 据 发 动 机 负 荷 率 按 以 下 公 式 计算一 一 , , 其 中 一 、 排 放 量 小一 发 动 机 负 荷 率巧 一 柴 油 机 功 率、 排 放 量 根 据 燃 料 消 耗 量 按 以 下 公 式 计 算其 中 一 排 放 量一 燃 料 消 耗 量 乡、 一 氧 化 硫 含 量对 象 船 采 用 现 行 电 源 系 统 的 燃 料 消 耗 量 平 均为 , 采 用 装 备 了 风 能 发 电 装 置 的 混 合 电源

29、系 统 后 , 平 均 为 。 可 见 , 船 舶 航 行小 时 可 节 省 吨 燃 料 。现 行 电 源 系 统 的 排 放 量 平 均 为 吵 ,装 备 风 能 发 电 装 置 后 的 混 合 电 源 系 统 平 均 为, 则 航 行 小 时 可 减 少 的 排 放量 。现 行 电 源 系 统 的 抖 澈 量 平 均 为 ,装 备 风 能 发 电 装 置 的 混 合 电 源 系 统 平 均 为吵 , 则 航 行 小 时 可 减 少 的 排 放 量 。至 于 装 备 有 台 额 定 功 率 各 为 的 风 能发 电 系 统 的 大 型 远 洋 煤 炭 运 输 船 的 实 际 运 行 节 能

30、效果 和 排 放 废 气 减 少 的 情 况 是 否 与 上 述 研 究 推 算 情 况完 全 一 致 , 还 需 要 进 一 步 的 探 索 和 实 践 。此 外 , 对 现 行 电 源 系 统 和 装 备 风 能 发 电 装 置 的混 合 电 源 系 统 二 者 之 间 各 自 的 燃 料 消 耗 量 、 、 和、 排 放 量 的 比 较 , 以 及 二 者 的 节 能 、 环 保 效 果 具体 定 量 计 算 尚 需 作 进 一 步 的 深 人 研 究 。对 于 今 后 的 海 洋 天 然 能 量 的 有 效 利 用 , 有 人 设想 采 用 风 能 发 电 系 统 、 太 阳 能 发 电 系 统 并 用 的 混 合电 源 系 统 太 阳 能 、 风 能 和 发 电 柴 油 机 。 对 于 这 样的 系 统 在 节 能 和 环 保 效 果 方 面 的 评 价 尚 需 作 大 量 深人 的 进 一 步 研 究 。 风 能 发 电 在 大 型 船 舶 上 的 应 用 研究 现 在 还 只 是 处 于 初 始 阶 段 , 真 正 实 用 尚 需 时 日 。一 一 机 电 设 备 年 第 期