渔船节能技术中潮流能发电的应用设计

刘莹莹，谢永和，李国强，张吉萍

（1. 浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316000；2. 浙江海洋学院船舶于海洋工程学院，浙江舟山 316000）

0 引言

能源是关系到国计民生和国家安全的重要资源，是经济发展的保障和后盾，在国民经济中占有重要地位。在中央制定和实施扩大内需促进经济增长政策措施中，始终坚持节能减排不动摇，把节能减排作为扩内需、保增长、调结构的重要内容[1-2]。据统计，2012年年末渔船总数 106.99万艘、总吨位 1009.85万吨、总功率 2173.57万千瓦。其中，机动渔船69.56万艘、总吨位954.23万吨、总功率 2173.57万千瓦；非机动渔船37.44万艘、总吨位为 55.62万吨[3]。由于机动渔船的耗油量在水产业耗能中占很大比重，加之燃油价格不断上涨，燃油消耗成本仍然是影响海洋渔业发展的主要因素，也是制约渔业可持续发展的关键问题。利用新能源可以减少不可再生能源的利用，从而起到节能减排的作用，有效降低渔船对环境的污染。尽管我国近年来也进行了一些渔船节能技术和产品的开发和使用，但成本较高，单一措施的节能指标不显著，因而成效不大。研究各种节能措施的综合交叉运用，降低渔船能耗、提高渔船效能，对于遏制渔业经济的滑坡现象、减轻渔民负担、优化海域资源、推广科学捕捞意义重大[4-5]。

1 渔船节能方法

节能工作总体来说可以从三方面入手，即结构调整、加强管理和技术进步。

1.1 结构调整

结构调整需要充分发挥政府的作用，以保证市场机制仍然在生产要素配置中发挥基础性作用。政府要制定市场准入规则，提供公共产品，运用税收与财政政策调节投资方向，维护市场秩序，创造公平竞争的市场环境[2]。

1.2 加强管理

渔船的节能管理，主要有以下几种方法：

1）做好节能普及宣传工作，使每个岗位上的人员都有节能的意识；

2）在保证航行安全的前提下，选择最佳的航线并适当降低航速，要使航行距离最短，时间最少，消耗燃油减少，从而可以达到节能的效果，降低成本；

3）做好轮机设备的维护保养工作，确保轮机设备的额定工况，充分挖掘潜力，正确使用、维护、检修与保养柴油机及燃油系统，保持操作系统和传动系统处于良好技术状态，防止跑冒滴漏；

4）船体要定期清扫，采用防污涂料，使船体性能恢复，保持船体光滑；

5）应注意燃料、淡水、渔具和渔获物的装载方式，合理配载，在航行生产过程中按既定程序消耗燃料淡水，以调整船体首尾的吃水深度在最佳纵向倾角，从而改变船体在水中的几何形状，提高船体推进效率，达到节约能源的目的；

6）不使用的渔具不要放在船上，应搬入陆上的仓库，燃料和淡水的装载尽量控制在必要的需要量以内，以减少渔船的排水量；

7）利用风力和潮流，缩短航行时间[1，5]。

1.3 技术进步[2]

技术节能主要有以下几种方法。

1）研究改进推进器，安装渔船尾部水动力附加节能装置。附加节能装置有：补偿导管、适伴流导管、舵球鳍、桨帽涡轮、整流隔板、不对称船尾线型、导流罩、桨毂帽鳍、桨前扇形整流鳍、导管螺旋桨、可调螺距螺旋桨、对转螺旋桨[6-7]。

2）通过优化船型达到节能的效果。对渔船尺度比、型线、速长比、船型系数、进流角和去流角等影响性能的参数等进行优化以达到节能效果。如今比较常用的可以安装球鼻艏、球艉。球鼻艏可以在艏部形成有利的兴波干扰，使艏部波高降低，从而减少兴波阻力；球艉型船则是利用球艉产生的波系与船艉波系反向等幅，从而减少艉波，改善艉流，使伴流分布均匀。

3）新能源在渔船上的应用。现在可以利用的新能源有风能和太阳能。可以用来直接供电，也可以用来制冷或海水谈化等。这些新能源的利用都可以减少化石燃料的利用，从而起到节能减排的作用。

节能减排工作实施的好，要靠结构调整、加强管理和技术进步三种途径来实现。就节能而言，结构节能和管理节能是一项长期任务，在短时期内难以有很大的调整，技术节能更具有实效性[2]。

2 潮流能的应用

2.1 潮流能的应用设计

由于海洋能蕴含量巨大，能量密度高[8]，其开发与利用就显得十分有价值，考虑到渔船的特点可以将海洋能中的潮流能应用到渔船上。

渔船在作业时并不总是在航行状态，而且对于很多远洋渔船锚泊的时间很长，这时候不需要柴油机大功率输出。如果在船舶锚泊时，利用潮流能发电供船舶使用，这样不仅能够节约能源，而且对环境还可以起到保护作用。

本文设计了一种渔船锚泊时用来发电的潮流能发电装置，供应船上的基本用电。这样就不需要启动柴油机。现在国内外所研究的潮流发电装置以大型发电站为主，不适合船舶自带，也不便于安装与操作。设计一种与渔船相适应的装置是应用到渔船节能的重要环节。

将潮流能水轮机以固定结构与抛锚停泊船舶相连。该装置便携易操作，在船舶抛锚停泊时可以施放、启动进行发电，当船舶航行、作业时又可将其收回，不影响船舶正常航行。设计方案如图1所示。

图1 渔船锚泊潮流发电装置机构图

2.2 发电装置设计

本设计发电系统包括水轮机捕能装置、传动装置、硅整流发电机、DC/DC变换器、逆变器、蓄电池、充放电保护电路以及控制系统。其系统结构图如图2所示。

图2 系统结构图

水轮机驱动发电机发电，发出的直流电经过DC/DC变换器，再由逆变器将直流电转换为所需的交流电供负载使用。其中 DC/DC变换器是用来改变发电机的负载特性，调节发电机的输出功率和控制蓄电池充放电；能耗负载用来保护发电机组[9]。控制器的作用是：（1）最大捕获潮流能，实现最大功率点跟踪，提高电能传输效率和质量；（2）保护蓄电池，防止过充和过放，提供足够充电能量进行快速充电；（3）减少流速随机变化对输出电能的影响，使输出电压稳定，减少纹波；（4）保证水轮机安全运行，在电气特性和机械特性允许范围内运行。

从能量转换角度来说，主要有两大部分的转换，第一部分是水轮机将潮流能转换为机械能，第二部分是发电机把机械能转换为电能。

2.2.1 水轮机

潮流能发电技术中，潮流水轮机是其核心技术之一，近年来研究取得很大的发展，有多种类型的结构形式。根据其运行情况，潮流能水轮机可分为水平轴、竖轴和横轴三类。水平轴水轮机的旋转轴轴向与水流方向平行，主要利用水流对叶片的升力作用。竖轴水轮机的旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面垂直。横轴水轮机的旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面平行。

水平轴水轮机正对水流方向时，发电功率较大。当水流方向与旋转轴方向有夹角时，其获能效率迅速下降，一般需要安装偏航控制系统来调节，以提高发电输出功率。

竖轴水轮机的旋转轴与水平面垂直，不受水流方向的影响，不仅减少了偏航机械系统的设计，还可以直接通过旋转轴将扭矩输出，减小机械传动损失。根据叶片的结构，竖轴水轮机分为H-Darrieus式、O-Darrieus式、Savonius式以及Gorlov式等。

横轴水轮机与竖轴水轮机结构相似，只是放置方式不同，常将两种水轮机统称为垂直轴水轮机。横轴水轮机因其应用的局限性，常被竖轴水轮机所代替。多数资料中所说的垂直轴水轮机特指竖轴水轮机[10]。

经过分析比较，本文设计中选用Savonius式水轮机作为潮流能发电装置的水轮机。其示意图如图3所示。Savonius型叶轮是应用最广泛的海流发电叶轮之一，其成本低、自启动性较好[11-13]。这种水轮机总成本低，制造和维修简单，转子在水流速度很低的情况下就开始向外输出功率，在流速很高的情况下依然能够持续输出。因此可利用的流速范围很广，虽然效率低，但总体效率高[12]。

水轮机输出功率的计算公式为：

式中：ρ为海水密度，为1030 kg/m3；A为为潮流水轮机转子扫掠面积，单位是m2；V为潮流流速，单位是m／s；η为效率。

图3 Savonius式水轮机

2.2.2 发电机及调节器

发电机是潮流能发电装置中必不可少的部分，本文中选用硅整流发电机，内含由整流板和硅二极管组成的整流器，所以输出为直流电，可以直接输出给变换器。硅整流发电机按总体结构分普通硅整流交流发电机、整体式硅整流交流发电机、带泵硅整流交流发电机、无刷硅整流交流发电机、永磁硅整流交流发电机。按硅整流器结构分六管交流发电机、八管交流发电机、九管交流发电机、十一管交流发电机。按磁场绕组的搭铁方式分内搭铁式和外搭铁式。本文选择14 V的外搭铁式六管交流发电机作为该装置的发电机，其结构示意图如图4所示。

图4 外搭铁式六管交流发电机

发电机中的整流器整流的原理图如图 5所示。a是原理结构图，b是交流电的输出电压波形，c是整流输出波形图。其整流原理是：三只正二极管负极端连接在一起时，正极端电位最高者导通；三只负二极管正极端连接在一起时，负极端电位最低者导通；每一瞬时都有一个正极和一个管导通 ，使电路形成回路[14]。

另外发电机必须配装电压调节器才能工作，电压调节器对发电机的输出电压进行控制，使其保持基本恒定。由于交流发电机的转子是由水轮机驱动的，而水轮机的转速随水流的变化比较大，因此交流发电机转子的转速变化范围非常大，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，无法满足各种用电器的的工作要求，所以必须配用电压调节器。调节器也有很多类型。为了与发电机的种类相匹配，本文选用外搭铁式晶体管调节器JFT106，其电压调节范围是 13.8 ～14.6 V,满足本设计的要求。

图5 整流器整流原理

3 小结

节能技术在渔船上的广泛应用，不是一朝一夕所能完成的，需要所有渔船设计人员、使用人员和管理人员共同关心和长期努力才能取得预期效果。研究和利用船舶节能新技术，并且考虑渔船的特点，提高渔船行业整体装备水平和运行水平，才能实现渔业又好又快发展[1]。本文提出的适用于渔船锚泊时的潮流能发电装置设计体积小，重量轻，易于携带，便于安装，既环保又有显著的节能效果。

[1] 蔡冠华, 袁士春. 渔船节能技术与方法探讨[J]. 南通航运职业技术学院学报, 2010, （03）: 35～37, 41.

[2] 刘瑞芳.发展新能源推广节能新模式——访全国政协常委、泰豪集团董事长黄代放[J].建设科技，2010，

[3] 农业部渔业局. 2012年全国渔业经济统计公报[N].中国渔业报, 2013-05-27001.

[4] 朱建康. 浅谈渔船节能的几种有效途径[J]. 中国水产,1995, （08）: 35-36.

[5] 邓礼标.新形势下渔船节能技术的推广应用[A].中国航海学会海洋船舶驾驶专业委员会.气象海洋环境与船舶航行安全论文集[C].中国航海学会海洋船舶驾驶专业委员会, 2010: 5.

[6] 郭欣, 俞爱华, 李广年.渔业船舶节能研究进展[J].造船技术, 2010, （02）: 5-7.

[7] 蔡学廉.渔船节能开发和推广要点[J].渔业现代化，2007, 02：61-62.

[8] http://baike.baidu.com/view/65613.htm海洋能

[9] 王刚. 海洋潮流能发电控制系统研究[D].中国海洋大学,2010.

[10] 戴军,单忠德,王西峰,杨杰.潮流水轮机的研究进展[J].可再生能源，2010（4）：130-133.

[11] 谢晶, 王亚军, 黄小贤, 蔡国营, 陶健, 武晓伟, 任若冰. Savonius型风力机结构的优化设计[J]. 能源技术, 2009, （04）: 215-218.

[12] Binyet Emmanuel Mbondo（仁飘零）. 多叶片Savonius垂直轴风力机的设计与数值分析[D]. 华中科技大学, 2011.

[13] 宋保维, 杨莼, 田文龙. 导流板对 Savonius型海流发电叶轮的影响分析[J]. 鱼雷技术, 2013, （01）: 1-5.

[14] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术. 北京: 机械工业出版社.