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基于混合电力推进的小型船舶能效改进
N. Bennabi1,2, H. Menana3, J. F. Charpentier2, J. Y. Billard2, B. Nottelet1
- SEGULA 科技公司， 勒阿佛尔 76600， 法国; 2. 法国布雷斯特海军学院研究所, 布雷斯特 29240， 法国;3. 洛汉纳大学 GREEN 电气实验室, 南希 54000, 法国）
摘要：未来小型船舶建造的目标之一是减少船舶排放，以符合国际海事组织（IMO）关于温室气体和污染物排放现行和将来的规定。 首先介绍了船舶对环境影响的背景和相关规章，指出电力 推 进，特别是混合动力推进系统（HPS）是减少小型船舶环境影响的具有前景的解决方案。 小型船舶常常在人口密集区域附近使用，这些区域是减少污染和排放的非常关键的区域。 然后提出了几种小型船舶混合动力和电力推进系统，包括综述了对未来船舶建造的挑战，以及描述了可能用于小型船舶的 HPS 拓扑结构。 最后介绍了 HPS 的主要特征，并给出了小型电力混合船舶的实例。
关键词：混合电力船舶；串联混合；并联混合；燃料电池；蓄电池；超级电容；二氧化碳排放；电力电能
1引言
运输部门约占世界商业能源消费总量的25%[1]。
80%以上的货物是通过海运运输的，海运占运输部门CO2排放量的30%以上，约占人类CO2排放量的3%至4%。与船舶有关的温室气体排放是十分重要的，而且迅速增长。如果不采取行动，到2050年，由于全球经济的预期增长和相关的运输需求，这些排放将增加一倍以上。这就是制定并且实施严格的国际法规，以限制船舶排放的原因。
在这样的背景下，最少量的减少燃料消耗和废气排放是设计未来船舶[3]的主要目标之一。其中一个主要挑战是提高效率并优化管理能源/推进链，以尽可能低的投资降低燃料消耗和环境影响[4]。从这个角度来看，推进链的电气化和混合化是开发更高效的船舶和实现船舶环保的解决方案之一[5-6]。
本文是参考文献【7】的延伸版，首先介绍了减少船舶污染和排放的全球性挑战。在第二部分，我们将重点放在小型船舶推进的混合能源上。给出了各种混合配置和能量源和存储系统的选择准则。事实上，在许多情况下，小型船舶工作在非常危险的区域在污染(港口、城市、河流)方面，直到今天，由于技术和经济原因，小型船舶的电气化和融合都得到了重视。
2 船舶影响和管制方面
如图1所示，柴油发动机仍然是目前在常规推进系统中使用最多的船舶发动机。
图1 传统推进系统结构
与其他动源相比，柴油发动机具有高度的自主性。然而，它们的特点是温室气体和污染物排放量很高，特别是在它们的功率低于额定功率的时候。柴油机排放的气体主要有氮气(N)、氧气(O)、二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)，含有少量的一氧化碳(CO)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)和部分碳氢化合物(PM)[2-3]。
图2描述了柴油机排放的废气组成成分及比例[8]。由图可见，CO2是污染物中的主要部分，其次是氮氧化物和硫氧化物。
图2 柴油引擎排放废气
船舶的排放与其发动机的报废直接相关。这些排放物都是油类燃烧产物，可归类为PRI、MARY或次级污染物[4]。主要污染物是在燃烧过程中直接形成的污染物(硫氧化物、碳氧化物、氮氧化物、hellip;)，二次污染物是大气中化学反应的结果(二氧化氮、臭氧、二次粒子、hellip;)[5]。
如果不采取措施，到2050年，CO2排放量将增加一倍以上，这是由于全球经济的预期增长和相关的运输需求引起的，具体情况如图3所示。
CO2的百万分之一
年份
图3 船舶CO2排放量
国际海事组织（海事组织）通过的73/78号“海洋污染防污公约”旨在预防、排放和减轻全球海洋污染[9]。例如，如图4所示，“防污公约”附件六对英吉利海峡、北海、北美海岸和美国控制区下的氧化氮和硫的排放控制区(ECAS)作出了严格的限制和规定[10]。如图5所示，在这些保护区(ECAS)，海上燃料的最高允许含油量在2015年下降到0.1%。在其他地区，这些含硫量限制在3.5%。这一总体限制很可能会在2025年降至0.5%，同时等待2018完成的审查结果。表1列出了船舶建造的NOx限制，根据“防污公约”第六章对违章情况进行罚款[2]。
限制小船舶对环境的影响是特别困难的。事实上，一方面，这些小船(游船、拖船、纳瓦航天飞机等)经常在污染和排放方面受到最高限制的集聚地区使用，另一方面，在这些小船上，能源链的体积和部件数量非常有限，从而减少了采用创新能源推进系统的可能性。这就是为什么本文的第二部分将集中讨论减少小 型船舶的影响的解决方案，特别是基于能源链的电气化和融合的解决方案。
排放控制区如图4所示：
排放控制区
图4 硫排放受控地区
含硫量
年份
图5 硫化物排放限制的发展
表1 氮氧化物的排放限值
|
等级 |
施工日期 |
氮氧化物限值量（g/kWh） N为机器的额定转速（rpm） nlt;130 130le;nle;2000 nge;2000 |
||
|
Ⅰ |
01/01/2000 |
17 |
45.n-0.2 |
9.8 |
|
Ⅱ |
01/01/2011 |
14 |
44.n-0.23 |
7.7 |
|
Ⅱ |
01/01/2016 |
3.4 |
9.n-0.2 |
2.0 |
3 减少小型船舶环境影响的方法
1）减少使用天然燃料的船舶排放量
表2是针对不同类型的燃料CO2排放不同的转换因素综述[9]。这些数据特别强调了生物燃料相对于化石燃料的利益。近年来，液化天然气（LNG）一直被认为是船舶替代燃料［13］。图6显示几种不同燃料之间在减排方面的比较。这些结果表明，液化天然气是一个非常有趣的替代柴油，可以减少约85%至90%的氮氧化物排放量，几乎100%的SOX排放量和约15%至20%的CO2排放量。
硫氧化物排放量（吨/年）
传统燃料
传统燃料 scrubb
液化天然气
低硫燃料
（a）
氮氧化物排放量（吨/年）
传统燃料
传统燃料 scrubb
低硫燃料
液化天然气
(b)
碳氧化物排放量（吨/年）
传统燃料
传统燃料 scrubb
低硫燃料
液化天然气
（c）
微粒排放量（吨/年）
传统燃料
液化天然气
传统燃料 scrubb
低硫燃料
(d)
图6 典型船舶不同类型燃料的排放
表2是针对不同类型的燃料CO2排放不同的转换因素综述：
表2 燃料排放转换因子
2）船舶推进电气化与融合
新的电力和混合动力推进系统，采用创新和高性能部件（电池、燃料电池、超级电容器），是一种非常有希望的减少污染物和温室气体排放的途径。如果进行一些研究，以便在大型船舶中集成这种结构，小型船舶在这种系统中获益不大。事实上，将这些新的推进架构集成在小型船舶上进行短周期循环是一个真正的技术挑战。在这样的船上，能源储存和能源/推进系统的数量被大大减少了。此外，它们经常在电力需求短暂的情况下运行。充电系统的可用时间也常常有限。
在下面，我们描述了不同的混合能源/推进拓扑，并给出了与这些拓扑结构的充分性有关的一些元素，以满足小型船舶的具体要求。
A.电动和混合动力推进综合优势
混合动力系统（HPS）在运行过程中对功率需求有很大的变化是令人关注的。这种类型的系统的设计规则对于不同类型的船只可能有很大的不同，主要是由于不同的任务类型和操作要求。混合动力系统是设计高效率、环保的小型船舶的一种非常有前途的技术［14-15］。
·与传统的机械系统相比，HPS提供了更好的能源效率和显著的温室气体和污染物减排［15-16］。
·混合系统是模块化的，并提供了一个电源冗余。
·电力推进系统的使用（吊舱系统和推进器）可以改善噪声和振动［15］。
·电力推进系统为海军建设提供了更大程度的自由并能够在船上自由使用空间。
·HPS可以降低向船体结构传递的振动水平。
·HPS减少了对内燃机的维护操作，因为内燃机的使用状态更多的时候是最优的。
然而，所有的技术还不成熟，在成本、质量和能源管理性能方面还没有达成令人十分满意的程度。
混合推进拓补结构
混合推进链是减少燃料消耗的一种很有前途的方法，特别是对于需要高度操纵性和非常多变的工作周期的船舶[14-17]。它是基于几种不同能源的组合。船舶动力和能源需求的选择，主要包括低功率和高功率的要求、工作模式的灵活性和冗余性和可靠性的要求。
遇到的三个主要HPS架构：
a . 串联混合型
这种类型的HPS架构（图7），两种能量系统（内燃机和电动系统）被串联使用。推进是由变速电驱动（推进电机和功率变换器）完成的。推进电动机的电力一般由一组内燃机驱动的发电机提供。另一种选择是使用燃料电池来提供电力或由燃烧引擎驱动的燃料电池和发电机的组合来提供电力。能量存储系统（ESS），如电池、超级电容器等可以连接到电动公交车上。ESS可以单独使用，也可以与发电机一起使用［17］。
图7 典型串联混合结构
在这种结构中，电被用作内燃机和推进电机之间的能量矢量，因此在内燃机和螺旋桨之间没有直接的机械连接[18]。这种结构可以分离内燃机和螺旋桨的操作点。这就是为什么它可以通过从效率的角度优化内燃机和螺旋桨的操作点来提高系统的整体效率。当然，如果使用几台发电机和ESS，这一优势将更加显著，因为它可以通过选择最佳的源组合来提供所需的推进功率，从而使运转中的内燃机保持在其最佳工作区域。这就是为什么这种结构被大量用作大功率船舶的原因。然而，对于小型船舶来说，由于体积和质量的限制，使源倍增的可能性非常有限。
b.并行混合结构
一个典型的并行HPS是图8所示。并联混合动力系统结合了两种推进电机：电动机和内燃机，它们通过变速箱和离合器通过同一轴机械耦合。电动机和驱动器由电气ESS和/或独立动力源（例如由发动机和/或燃料电池驱动的发电机）提供。两推进系统可以一起使用或单独。
图8是典型并联混合推进系统的示意图：
图8 典型并联混合推进系统
在大多数情况下，其中一种推进系统致力于低速操作（典型地是电力系统），另一种用于高速。第一个系统也可以用作升压系统，以提供瞬态（起动、加速等）的辅助电源。与串联融合相比，该体系结构减少了元素的数量，并可以优化每个能源的大小。
表3给出了串联和并联融合结构在特点、冗余和效率方面的比较。
表3 混合结构拓扑的性能比较
|
参数 |
HPS串联 |
HPS并联 |
|
特点 |
--为了完全有效为了完全有效，系统必须把额定功率等于总功率的一部分的几个电源结合在一起。它决定了基本的成本，体积和重量。 --电力推进电机的尺寸对应峰值功率。 |
---优化了推进系统各单元的尺寸。 ---电机尺寸减小。 ---附加费用和数量与复杂的机械系统（离合器，变速箱）有关 |
|
功率和效率 |
--效率受到串联系统(发动机、发电机、变压器、共变流器、电动机等)的限制。 --该系统可以对螺旋桨速度进行精确控制和渐变。如果使用多种能源，内燃机就可以达到最大效率。 |
---良好的效率与减少的串联组 全文共11428字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[15582]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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