風能在船舶上的應用現狀及展望

伍志龍

摘要：在未來的幾十年中我國面臨能源的挑戰較為巨大，在面對資源短缺和環境惡化的狀態下，我國更應該注重技術的轉型和可持續發展，比如風能在船舶上的應用。水上運輸是較為常見的交通方式，且電力在船舶上經常使用，本文將分析風能發電的原理，從而更好地運用風能在船舶上的應用，試圖設計自動的風力發電系統。

Abstract： In the next few decades， China will face huge energy challenges. In the face of resource shortages and environmental degradation， China should pay more attention to technological transformation and sustainable development， such as the application of wind energy on ships. Water transportation is a relatively common mode of transportation， and the electricity is often used on ships. This article analyzes the principles of wind power generation， so as to better use the wind energy on ships， and tries to design an automatic wind power generation system.

關鍵詞：能源短缺;風能;船舶;新能源

Key words： energy shortage;wind energy;ship;new energy

中圖分類號：U671.99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0236-02

0 ?引言

近幾年來我國新能源產業的發展成為越來越多的人注重的項目，新能源技術的發展是我國經濟結構轉型的重要途徑之一，我國交通運輸近些年來的快速發展，水路運輸的排放相對較低，但是同時需要較高的成本，因為水運一般來說需要消耗石油，排放大量的污染物在海水之中，所以低碳式的環保經濟無法在其中體現出來，如果運用風能轉化成船舶發電，那么就可以極大緩解環境保護的問題。

1 ?風能的研究現狀及意義

1.1 風能的概念

一般來說可再生資源包括風能、太陽能、土地資源等等，這些自然資源可以重復使用，并且再生周期短，可利用的范圍廣闊。風能作為一種無限再生的資源，近幾年來我國風能發電的產業和基礎設施建設較多，以風帆作為主要船舶前進的動力在當中較為普遍，這就使得燃油有效減少，漁船有了一定的保障，風能的轉換能夠從一定程度上供給照明、通信等設備的運行。

1.2 風能利用的現狀

目前風能是地球最具有活力的一種可再生資源，它的產生原理較為簡單，一般表面存在著大量的空氣，這個空氣流動，會產生無限可再生的資源，這就非常符合船舶上的動力發電，風力發電在船舶上的影響較大，廣泛運用在海島和偏僻的鄉村，近幾年來，許多柴油的上漲使得風能利用的關注點越來越高，并且大部分的輪船運輸常年處在一個風力較強的位置，比如長江口，四周都沒有遮攔物，風力資源較為豐富，在生產區域中能生產較多的風能，尤其是高原、沿海等地區。

1.3 我國大部分地區風能源豐富

我國大部分的風能能源密度能達到200W/m2的等值線，并且有效風力的持續時間能夠達到百分之八十到百分之九十之間，風能是通過風的動能轉換為機械能的，它的利用方式多種多樣，沿海風能風力渦輪機通常對風速有一定的要求，風力渦輪機可以移動它，因為它們需要達到風速。它被稱為風速。而當風力渦輪機發生故障時，當風速達到一定水平時，它通常無法工作，并且要求風速低于給定值。因此，風速必須介于風速和風速之間的最大風速之間。一般來說風能機器是由風扇葉片掃過的空氣供給流，用于驅動旋轉葉片的表面，這也被稱為操作盤。當風速恒定時，通過葉片兩端的空氣質量變為一定值，風力渦輪機使用風力發電機，從而風力渦輪機會改變風速。通過理論分析可知，我們需要盡可能多的捕捉能量，有效利用風能。在風場中，變速率是風機性能的主要指標的密度較為密集，比如上海、深圳，其中青島是我國風能密度最豐富的地區之一，它的穩定風向頻率能達到百分之三十以上。

2 ?風力機發電系統

風速和風向是隨機變化，所以在轉換能量的時候較為麻煩。為了有效地轉換風能，必須通過改變風速來保持最高的葉尖速比。因此，使用不超過10千伏的微型風力發電機和發電機的二次發電機和交流發電機的直流發電系統來存儲電池的能量。而且，換向器和電刷的維護不適合風力發電機組的運行環境。因此，本微型風力發電系統中使用的主發電機為交流永磁發電機和無刷自勵發電機，整流后輸出直流電。轉子采用永磁結構。由于不消耗勵磁繞組和勵磁功率，因此效率很高。永磁發電機轉子結構有許多特殊形式。根據磁路結構的磁化方向，基本上可以分為徑向型，但采用交流永磁發電機的微型風車是直接連接的。在這種低速交流永磁發電機中，定子鐵心損耗和機械損耗相對較小，定子繞組銅損耗較大。為了提高發電機的效率，由于定子銅的消耗量大大降低，采用較大的繞組導體橫截面電流密度實現低無刷爪極自勵發電機是可能的。不同于普通同步電動機的定子鐵心和電樞繞組與一般同步電動機基本相同同步電動機。由于爪極發電機的磁路系統是一個并聯磁路結構，其中一對磁極的磁勢來自一個共同的勵磁繞組，勵磁繞組所用材料小于普通同步發電機所需的勵磁功率。當各自磁極的磁通密度和磁通密度相同時，爪極電機消耗的銅線和勵磁功率小于普通同步電機的一半，效率高。無刷爪板電機和永磁電機均為無刷結構，基本上，由于除機械摩擦力矩外不需要維護摩擦，所以無刷爪板自勵發電機基本上沒有其他起動阻力矩。另一個優點是它具有良好的控制性能。通過調節勵磁，可以很容易地控制輸出特性，達到風力機最佳的芯片速比，獲得最高的運行效率，這種發電機非常適合小千瓦級。

3 ?船舶利用風力發電的必要性

風力作為海上可移動建筑，其使用條件是獨特的。風能的利用率比陸地上任何建筑物都要高。特別是，安裝風力渦輪機來儲存電力，不需要放置電池，而且由于所有船舶都是照明和啟動的，船舶的原電池由硅整流器和柴油發電機充電來等待能量。然而，使用風力渦輪機將無法在任何時候手動管理存儲池中丟失的電力，因此，運動頻率不高，但使用時間較長。因此，在凸起處安裝風電機組是最合適的安裝方式。一般來說，風力發電具有風力發電的特殊性。風能和太陽能發電設施需要建在固定的船只和水上平臺上。然而，風力發電系統并沒有受到這樣的限制。只要有足夠的風力發電量就可以運行。有時風力發電會鼓勵船舶轉移力。研究了風能-太陽能混合發電系統在移動船舶上的應用。然而，它主要集中在風力發電的研究上。為了實現風力發電系統的自動化，需要對所有的時間測量進行檢查，以便對所有的風力發電進行相應的控制。

4 ?風力發電系統及工作原理

風能轉換系統是近年來發展迅速的發電技術之一，風力發電的原理是旋轉風力機葉片使其旋轉以滿足恒定的初始發電速度。發電機提速后進入發電模式。顯然，這艘船的發電系統是低發電量的。在業內更為流行的風力發電系統是風能轉換系統。正常情況下，船舶的新能源系統由風力發電控制、光伏發電系統和太陽能發電系統組成。首先將電源輸送至從耦合器箱連接的電池組和逆變器，其中一部分用于船上，其余的則保存在電池組中。電池的作用是儲存太陽能電池板和風能的能量。發電機的多余電能總是連接到逆變器上以供船舶使用，達到了智能化、高效化的目的。逆變器的功能是將直流電轉換成交流電。太陽能電池板和風力渦輪機到匯流箱的傳輸是直流電，而船舶的電力負荷則使用交流電。因此，逆變器必須將直流電轉換為交流，并將直流電轉換為直流電，然后將電氣電壓轉換為工業標準電壓。本文選用的風力發電機為變槳距風力機。采用變速定槳距控制作為風力發電機組的功率捕獲側。WECS的特點是調節風力渦輪機的速度。一般來說，WEC的作用是最大化風力渦輪機的功率。吹風扇葉片時，風速并不總是相同的，風向與風扇葉片前部相同，角度在0度到180度之間，風扇1的功率在一定范圍內變化。隨著風速在垂直方向上的增加，風機功率隨著風向接近葉片而增加。

5 ?風能在船舶上的應用

5.1 風帆助航

中國最早使用風帆助航是以利用風能來作為主要的推進動力，但是由于風帆自身的局限性，使得大多數的船隊在使用風帆前進時容易受到風向的問題，從而造成船舶前進的不穩定性，如果遇到惡劣的天氣更是容易發生意外。并且風帆自身占用面積較大，船舶上攜帶的面積較小，所以到工業革命時期，風帆被柴油機代替了，標志著船舶由原來的風能轉化成熱能來推進船舶前進的動力，但是從目前出現的狀況來看，柴油會讓海洋的污染越來越嚴重，從而造成能源短缺，海洋污染等環境問題，所以風能在船舶上的應用十分有必要。

5.2 風力發電

目前，船舶風力發電的三種運行方式是：

5.2.1 獨立運行模式 ?通常是在發電后的小型風力發電機讓電能儲存在電池中進行每天發電。雖然目前這種方法在沿海小型漁船上得到了廣泛的應用，但目前還沒有得到廣泛的應用，但我國沿海地區的小型漁船數量眾多，從經濟和社會的角度來看，應用領域非常廣泛。

5.2.2 風力發電與柴油機等其他發電方式相結合 ?發電所需的發電功率通過發電與光伏發電相結合的方式積累。目前，項目船舶采用“風光互補電源系統”技術，中交四航局、長江水務站等二級公司擁有利用光伏發電和風力發電系統進行互補發電和儲能，再進行逆變器轉換成風電系統。

5.2.3 風力發電并入傳統電網，向船舶提供電力 ?所有船舶都可以安裝風力發電站，集裝箱船在甲板上包裝集裝箱，以選擇合適的船型。一般來說，大型散貨船有足夠的空間安裝風力發電廠。

5.3 風能致熱

風能致熱是通過風力發電來實現的。目前，利用風能加熱的主要方法有液體攪拌混合加熱、液壓阻尼加熱、固體摩擦加熱、渦流加熱等，每種方法都存在潛在的不利因素。目前對這些加熱方式的研究較多。盡管這些方法的真正原理是一樣的，受安裝位置和容器上的一些差異的限制，液體攪拌加熱或液體攪拌加熱與液體阻尼加熱相結合的方式更適合于考慮船舶的具體情況。通過在甲板上安裝這樣的裝置，以便在日常浴室中加熱。對于現有船舶或新船，具有良好的應用前景。在當今節能減排的大環境下，船舶風能利用提出了新的理念。

5.4 風能推廣的前景

風能發電不需要燃料，消耗的能源較少，成本很低，也不會產生空氣污染等問題，再加上風能較為豐富，所以我國的風能產業較為廣闊，通過實際測試我們發現，風能是未來發展的一個重要趨勢。

6 ?結論

風能是未來使用的重要戰略資源之一，需要應用的范圍較為廣闊，是可持續發展的重要資源，它的應用能影響到資源整合和環境保護。

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