小型電動風電運維船的研究與展望

王圣品，高 佳

綜述

小型電動風電運維船的研究與展望

王圣品，高 佳

（上海電氣風電集團股份有限公司，上海 200233）

本文分析了小型電動船舶的發展背景和優勢，通過結合國內風場實地運維場景工況和船舶混合動力系統實例，得出了風電運維船動力系統的低排放或零排放設計發展方向和制約因素。本文可為小型電動風電運維船的應用和發展提供參考。

風電運維船 混合動力 海上充電樁

0 引言

綠色環保的概念是貫穿于整個風電行業，這就包括了海上風電的運維階段。電動風電運維船可以實現船舶運行的低排放，甚至在純電動時可以達到“零排放”，完全滿足國家對節能減排的要求，這也正是海上風電行業建設的初衷。目前隨著電池技術的不斷革新、優化，電力電子技術的飛速發展，各領域、各行業、各種類型的新型混合動力，甚至純電動力船舶成為了各國船舶設計、建造的新趨勢。

1 小型電動風電運維船的技術優勢

1.1 節能減排，節約成本

根據風電運維船具有固定運行工況的特點，可以通過定制化的船舶設計選型合適的推進系統及電池組，一定程度上較少燃油消耗。如：風電運維船在各個風機之間的運維航行或處于等待或停泊時的工況下，傳統的柴油機推進系統主機將處于低負荷運行工況，對于柴油機的油耗等方面是不經濟的，此工況下完全可以使用純電池能源，達到節能減排和節約成本的需求。

1.2 提升船舶操縱性能及系統的冗余性，可靠性，靈活性

船舶低速巡航時，電池驅動的電動機的調速性能是優于柴油機的，可以使得船舶低速下的操縱性更加靈活可靠。如使用并聯式混合動力系統時的主機與電動機共同驅動模式下，更能提高船舶的推進功率，可以用于大功率的頂推工況等。

主柴油機和電動機均可單獨工作，動力系統的冗余性顯著提高，充分保證船只運行的可靠性。同時船舶供電系統因為搭載應急發電機，軸帶發電機，電池組，在使用上可以針對不同工況供電源選擇上更加靈活，更加經濟。

2 小型電動風電運維船的技術方案

2.1 混合動力方案類型

常見的船舶混合動力方案分為串聯式和并聯式根據CCS《混合動力船舶檢驗指南》的定義：

串聯混合動力船舶是指船舶推進器的直接驅動力只來源于電動機的混合動力船舶，其典型結構特點是發動機帶動發電機發電，電能通過變頻器驅動電動機，另外，儲能系統可以單獨向電動機提供電能驅動船舶行駛。

并聯混合動力船舶是指船舶推進器的直接驅動力可由電動機和發動機同時供給的混合動力船舶[1]。

2.2 小型風電運維船運維工況

如表1所示，此表記錄了一艘小型風電運維船搭載12名運維人員出海作業的典型工況數據。即早上運送4人一個運維小組共3組分別頂靠3個風樁作業后船舶風場內停泊等待充電，中午接送人員午飯后風場內繼續停泊等待充電，晚上接到全部運維人員返回碼頭。

混合動力方案的配置包括：1，發動機推進，電機處于PTO模式，并提供日用負載及電池組充電；2，電動機推進，電機處于PTI模式，電池組提供PTI電機及日用負載（在特殊天氣下也可開啟主機配合）；3，電池組提供停泊日用負載，同時風場內充電樁向電池組充電；4，岸電向電池組充電。

表1 風電運維船工況表

2.3 系統組成

結合小型風電運維船運維工況，目前小型電動風電運維船的推進方案采用并聯式混合動力方案更具有優勢。例如，在節省、減重船舶機艙空間和重量方面，并聯式混合動力的系統組成更為簡單，可以節約更多的機艙空間及重量；在船舶建造成本方面，并聯式混合動力系統初始投資較串聯式更低，這也更符合國內運維市場需求；在系統冗余度上，并聯式混合動力系統的船舶在電動機失效的情況下依舊可以正常航行等優勢[2]。參考目前常規30 m級單體風電運維船的推進功率及頂靠功率，小型電動風電運維船的混合動力系統大致為：2x700 kW柴油機， 2x250 kW PTI/PTO電機， 630 kWh磷酸鐵鋰電池組，1x50 kW應急發電機，2x PTI/PTO功能齒輪箱，2xFPP螺旋槳軸系，配電及遙控系統。

其中，柴油機，發電機，電機、齒輪箱多為成熟產品，無論常規動力還是混合動力皆應用廣泛，國內外品牌均可，在選型上需考慮匹配船型特點，選用體積小，重量輕的產品較為合適。整套混合動力系統間接口較多，集成度要求較高，國內目前該系統的集成以712、704所、賽思億等為主。

2.3.1電池組

近年來，各種類型的鋰電池技術飛速發展，市場上大致可以分為四種不同的電芯類型，如表2所示：

目前在國外主流的是三元鋰電池，DNV船級社等已審查通過多艘三元鋰電池動力船。雖然其能量密度大，但出于安全等原因，其在國內船舶的應用仍受CCS的限制，故國內當前CCS只批準使用磷酸鐵鋰電池[3]。磷酸鐵鋰電池的技術、安全性方面相對成熟，當前技術上的缺點是能量密度較低，因此選擇大容量的磷酸鐵鋰電池帶來節約燃油經濟性的同時，也必然增加了船舶的載重量和機艙空間等參數，兩者間平衡是船舶設計上需要重點考慮的。目前國內的磷酸鐵鋰電池發展環境較好，諸如有寧德時代等的成熟電池廠家及集成商。

表2 鋰電池性能對比

從表1可以看出風電運維船既具有往返于風場和碼頭間的高速航行工況，又有長時間的風場內低速航行、頂靠和停泊等待工況。每日有10個小時的時間處于低負荷工況，如采用電池組提供能源將極大的減少燃油消耗，節約成本，降低排放。小型風電運維船的每日運維工況相對固定，船舶運行周期上的工況及功率需求相對可以預估的比較準確，進而可以較準確的估算出電池組的配置容量。圖2為配置630 kWh電池組的風電運維船按照表1每日工況的電量變化模擬趨勢圖。

圖2 每日電池電量變化模擬趨勢圖

2.3.2系統節能效果

按照國內常規小型風電運維船全年平均180天的出海窗口期，且每日工作工況按表1循環執行的模型估算。采用傳統柴油機推進的風電運維船每年的燃油消耗量約為236.7 t，而采用并聯式混合推進的風電運維船每年的燃油消耗量約為171.3 t，其余推進能量來源于電池組。按照0號柴油價格：8 000元/噸，電池充電價格：0.8元/kWh的經濟性計算，得出每年將有約15%以上的運營成本減少及相對應的節能減排效果。

3 小型電動風電運維船的制約因素

3.1 船用鋰電池的性能不足

目前鋰電池的能量密度尚無法和燃油競爭，價格也較為昂貴，壽命較短，現有的國內相關法規要求船舶只能使用磷酸鐵鋰電芯這類能力密度較低的電池，國內純電動船舶和混合動力船舶的數量發展較為緩慢。各大電池廠家正在不斷的加大新型電池的研發力度，未來的幾年內電池組的技術變革將是翻天覆地的，也會為電動船舶的發展提供強力的后盾。同時由于電池系統的更換較為簡單，所以現在也有不少船舶盡管搭載了小容量的電池組，但已經預留和儲備了未來更換更先進電池組的空間和技術接口。

在重量方面，電池系統自身重量必須考慮在內。理論上可以通過增加吃水來增加其承載能力，但更高的吃水會增加船體阻力，因此需要更多動力來達到相同航速[4]。在空間體積方面，從已知的全電動或混合動力推進系統的案例研究表明，通過將電池組件分布在現有的船舶空間、機械和變壓器空間中，電池系統可以部分或完全取代變壓器系統，因此不會對船舶的對稱性和平衡產生重大影響，且可以在船舶內部更靈活地配置。因此如何平衡鋰電池本身的重量及空間體積與船舶傳統的發動機、燃料儲存和機械設備間的關系也給船舶設計者們帶來了新的課題。

3.2 續航能力的不足

目前對于配置電池組的電動船舶來說，最大的困擾就是遠距離航行的續航能力不足[5]，沒有合適的充電樁及時充電。

對于有固定航線的船舶，歐洲現在主要采用的方案就是根據計算出來的船舶單次航行距離，在固定航線上設置港口岸電快速充電樁，這種方案類似于高速公路上加油站內的汽車充電樁。但對于風電運維船這類離岸的近海航行船舶，歐洲最近一個新的設計名字應運而生-海上充電樁。這種海上充電樁專門為海上風電運維船提供充電服務，保證其續航；另一個應用場景，就是運維船將運維人員送到風機或升壓站以后，在風場內等待時，可以關閉引擎，依靠連接充電樁維持日用負載供電及充電。海上充電樁的設立為風電運維船的遠距離航行及單次風場內的工作時間延長提供了充足的能源保證，同時依靠升壓站或者單個風機的電能，真正意義上做到了風電綠色能源的周期循環鏈，又能夠提供船舶的遠海系泊需要。

目前國際上以沃旭能源和馬士基聯合設計研發的海上充電樁設計方案為主,詳見以下四種方案。

圖3 方案1海上充電樁電氣原理圖

方案1：電氣系統原理如圖3，通過單個風機的內部改造，直接（1A）或間接借助海上浮式充電樁(1B)連接至需要充電的運維船。

圖4 案2海上充電樁電氣原理圖

方案2：電氣系統原理如圖4，通過風場內的升壓站的改造，直接（2A）或間接借助海上浮式充電樁（2B）連接至需要充電的運維船。

方案3：通過單個風機加其內部或外部固定式的獨立的變壓裝置，借助海上浮式充電樁連接至需要充電的運維船。

方案4：通過風場內的升壓站加其內部或外部固定式的獨立的變壓裝置，借助海上浮式充電樁連接至需要充電的運維船。

除此之外，歐洲還有諸多品牌方案，如荷蘭Bluewater公司生產的E-buoy產品[7]。

以上幾種方案具體的連接形式，需要綜合考慮當地風場和升壓站的電制參數以及運維船的充電接口的電制參數，來匹配合適的充電樁方案。綜上所述，未來國內海上充電樁的發展必然會解決小型電動風電運維船續航不足的制約因素。

4 小型電動風電運維船的現狀

國內的小型風電運維船領域，均采用傳統的柴油機推進方式，并無混合動力的案例，歐洲的電動風電運維船正快速發展。

廣州英輝南方造船有限公司近年接連交付了多艘丹麥MHO船東公司的混合動力小型風電運維船MHO APPLO，MHO ASGARD等，船長～35 m，航速25 kn。

該船采用串聯式混合動力系統，整套推進系統由Danfoss的永磁推進電機、發電機、直流組網、鋰電池和Volvo的IPS 推進器及混合動力遙控系統等。設計上滿足船舶的綠色，低能耗設計。搭載的IPS是一種將拉式螺旋槳與獨立轉向的吊艙推進器組合形式的推進裝置，能更好的滿足高速和惡劣海況下的船舶操縱要求。

此外，丹麥World Marine Offshore船東也投資建造了多艘小型混合動力風電運維船。

5 結論

小型風電運維船具有固定航程，固定工作區域，固定工作工況；可以根據詳細設計規劃出最佳的柴油機和電池組的功率分配等各類契合電動船舶設計條件的特點。隨著未來國內鋰電池技術及海上充電樁的發展，小型風電運維船近期采用混合動力，長遠規劃純電池動力的方案是十分可行，且具有多方面的社會價值，經濟價值，在新能源風電場內真正做到綠色零排放運維的愿景。希望本文引起學者和政策制定者的關注，為進一步研究小型電動風電運維船舶技術指明方向，并為該技術應用提供指引。

[1] 中國船級社. 混合動力船舶檢驗指南，2019.

[2] 夏敬停，李紹海，賴琛. 船舶并聯式油電混合動力系統設計[J]. 船舶工程，2019（5）：34-39，72.

[3] 杜睿，陳濤，翟毅. 船舶推進鋰電池應用討論[J]. 船舶（2018）s-0146-05.

[4] Jessica Kersey, Natalie D. Popovich, Amol A. Phadke. Rapid battery cost declines accelerate the prospects of all-electric interregional container shipping[J]. Nature Energy, 2022, 7, 664-674. DOI: 10.1038/s41560-022-01065.

[5] 劉繼海，肖金超，魏三喜，馮東英. 綠色船舶的現狀和發展趨勢分析[J]. 船舶工程, 2016, (S2): 3-37.

Research and prospect of small electric wind-power operation and maintenance vessel

Wang Shengpin，Gao Jia

（Shanghai Electric Windpower Group Co., Ltd, Shanghai 200233, China）

TM614

A

1003-4862（2023）12-0042-04

2023-09-11

王圣品（1988-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail：wangshp2@shanghai-electric.com