伍志龍

摘要：在未來(lái)的幾十年中我國(guó)面臨能源的挑戰(zhàn)較為巨大，在面對(duì)資源短缺和環(huán)境惡化的狀態(tài)下，我國(guó)更應(yīng)該注重技術(shù)的轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展，比如風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用。水上運(yùn)輸是較為常見的交通方式，且電力在船舶上經(jīng)常使用，本文將分析風(fēng)能發(fā)電的原理，從而更好地運(yùn)用風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用，試圖設(shè)計(jì)自動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

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(guān)鍵詞：能源短缺;風(fēng)能;船舶;新能源

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

中圖分類號(hào)：U671.99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）24-0236-02

0 ?引言

近幾年來(lái)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成為越來(lái)越多的人注重的項(xiàng)目，新能源技術(shù)的發(fā)展是我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要途徑之一，我國(guó)交通運(yùn)輸近些年來(lái)的快速發(fā)展，水路運(yùn)輸?shù)呐欧畔鄬?duì)較低，但是同時(shí)需要較高的成本，因?yàn)樗\(yùn)一般來(lái)說(shuō)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(huán)保經(jīng)濟(jì)無(wú)法在其中體現(xiàn)出來(lái)，如果運(yùn)用風(fēng)能轉(zhuǎn)化成船舶發(fā)電，那么就可以極大緩解環(huán)境保護(hù)的問題。

1 ?風(fēng)能的研究現(xiàn)狀及意義

1.1 風(fēng)能的概念

一般來(lái)說(shuō)可再生資源包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、土地資源等等，這些自然資源可以重復(fù)使用，并且再生周期短，可利用的范圍廣闊。風(fēng)能作為一種無(wú)限再生的資源，近幾年來(lái)我國(guó)風(fēng)能發(fā)電的產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較多，以風(fēng)帆作為主要船舶前進(jìn)的動(dòng)力在當(dāng)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(fēng)能的轉(zhuǎn)換能夠從一定程度上供給照明、通信等設(shè)備的運(yùn)行。

1.2 風(fēng)能利用的現(xiàn)狀

目前風(fēng)能是地球最具有活力的一種可再生資源，它的產(chǎn)生原理較為簡(jiǎn)單，一般表面存在著大量的空氣，這個(gè)空氣流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生無(wú)限可再生的資源，這就非常符合船舶上的動(dòng)力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電在船舶上的影響較大，廣泛運(yùn)用在海島和偏僻的鄉(xiāng)村，近幾年來(lái)，許多柴油的上漲使得風(fēng)能利用的關(guān)注點(diǎn)越來(lái)越高，并且大部分的輪船運(yùn)輸常年處在一個(gè)風(fēng)力較強(qiáng)的位置，比如長(zhǎng)江口，四周都沒有遮攔物，風(fēng)力資源較為豐富，在生產(chǎn)區(qū)域中能生產(chǎn)較多的風(fēng)能，尤其是高原、沿海等地區(qū)。

1.3 我國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)能源豐富

我國(guó)大部分的風(fēng)能能源密度能達(dá)到200W/m2的等值線，并且有效風(fēng)力的持續(xù)時(shí)間能夠達(dá)到百分之八十到百分之九十之間，風(fēng)能是通過風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的，它的利用方式多種多樣，沿海風(fēng)能風(fēng)力渦輪機(jī)通常對(duì)風(fēng)速有一定的要求，風(fēng)力渦輪機(jī)可以移動(dòng)它，因?yàn)樗鼈冃枰_(dá)到風(fēng)速。它被稱為風(fēng)速。而當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定水平時(shí)，它通常無(wú)法工作，并且要求風(fēng)速低于給定值。因此，風(fēng)速必須介于風(fēng)速和風(fēng)速之間的最大風(fēng)速之間。一般來(lái)說(shuō)風(fēng)能機(jī)器是由風(fēng)扇葉片掃過的空氣供給流，用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉片的表面，這也被稱為操作盤。當(dāng)風(fēng)速恒定時(shí)，通過葉片兩端的空氣質(zhì)量變?yōu)橐欢ㄖ担L(fēng)力渦輪機(jī)使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，從而風(fēng)力渦輪機(jī)會(huì)改變風(fēng)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(fēng)能。在風(fēng)場(chǎng)中，變速率是風(fēng)機(jī)性能的主要指標(biāo)的密度較為密集，比如上海、深圳，其中青島是我國(guó)風(fēng)能密度最豐富的地區(qū)之一，它的穩(wěn)定風(fēng)向頻率能達(dá)到百分之三十以上。

2 ?風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)速和風(fēng)向是隨機(jī)變化，所以在轉(zhuǎn)換能量的時(shí)候較為麻煩。為了有效地轉(zhuǎn)換風(fēng)能，必須通過改變風(fēng)速來(lái)保持最高的葉尖速比。因此，使用不超過10千伏的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的二次發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)的直流發(fā)電系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)電池的能量。而且，換向器和電刷的維護(hù)不適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境。因此，本微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用的主發(fā)電機(jī)為交流永磁發(fā)電機(jī)和無(wú)刷自勵(lì)發(fā)電機(jī)，整流后輸出直流電。轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)。由于不消耗勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁功率，因此效率很高。永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有許多特殊形式。根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)的磁化方向，基本上可以分為徑向型，但采用交流永磁發(fā)電機(jī)的微型風(fēng)車是直接連接的。在這種低速交流永磁發(fā)電機(jī)中，定子鐵心損耗和機(jī)械損耗相對(duì)較小，定子繞組銅損耗較大。為了提高發(fā)電機(jī)的效率，由于定子銅的消耗量大大降低，采用較大的繞組導(dǎo)體橫截面電流密度實(shí)現(xiàn)低無(wú)刷爪極自勵(lì)發(fā)電機(jī)是可能的。不同于普通同步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心和電樞繞組與一般同步電動(dòng)機(jī)基本相同同步電動(dòng)機(jī)。由于爪極發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一個(gè)并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，其中一對(duì)磁極的磁勢(shì)來(lái)自一個(gè)共同的勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組所用材料小于普通同步發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁功率。當(dāng)各自磁極的磁通密度和磁通密度相同時(shí)，爪極電機(jī)消耗的銅線和勵(lì)磁功率小于普通同步電機(jī)的一半，效率高。無(wú)刷爪板電機(jī)和永磁電機(jī)均為無(wú)刷結(jié)構(gòu)，基本上，由于除機(jī)械摩擦力矩外不需要維護(hù)摩擦，所以無(wú)刷爪板自勵(lì)發(fā)電機(jī)基本上沒有其他起動(dòng)阻力矩。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有良好的控制性能。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁，可以很容易地控制輸出特性，達(dá)到風(fēng)力機(jī)最佳的芯片速比，獲得最高的運(yùn)行效率，這種發(fā)電機(jī)非常適合小千瓦級(jí)。

3 ?船舶利用風(fēng)力發(fā)電的必要性

風(fēng)力作為海上可移動(dòng)建筑，其使用條件是獨(dú)特的。風(fēng)能的利用率比陸地上任何建筑物都要高。特別是，安裝風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)儲(chǔ)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(dòng)的，船舶的原電池由硅整流器和柴油發(fā)電機(jī)充電來(lái)等待能量。然而，使用風(fēng)力渦輪機(jī)將無(wú)法在任何時(shí)候手動(dòng)管理存儲(chǔ)池中丟失的電力，因此，運(yùn)動(dòng)頻率不高，但使用時(shí)間較長(zhǎng)。因此，在凸起處安裝風(fēng)電機(jī)組是最合適的安裝方式。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)力發(fā)電的特殊性。風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施需要建在固定的船只和水上平臺(tái)上。然而，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并沒有受到這樣的限制。只要有足夠的風(fēng)力發(fā)電量就可以運(yùn)行。有時(shí)風(fēng)力發(fā)電會(huì)鼓勵(lì)船舶轉(zhuǎn)移力。研究了風(fēng)能-太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)在移動(dòng)船舶上的應(yīng)用。然而，它主要集中在風(fēng)力發(fā)電的研究上。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)化，需要對(duì)所有的時(shí)間測(cè)量進(jìn)行檢查，以便對(duì)所有的風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行相應(yīng)的控制。

4 ?風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及工作原理

風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展迅速的發(fā)電技術(shù)之一，風(fēng)力發(fā)電的原理是旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片使其旋轉(zhuǎn)以滿足恒定的初始發(fā)電速度。發(fā)電機(jī)提速后進(jìn)入發(fā)電模式。顯然，這艘船的發(fā)電系統(tǒng)是低發(fā)電量的。在業(yè)內(nèi)更為流行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。正常情況下，船舶的新能源系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電控制、光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)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(chǔ)存太陽(yáng)能電池板和風(fēng)能的能量。發(fā)電機(jī)的多余電能總是連接到逆變器上以供船舶使用，達(dá)到了智能化、高效化的目的。逆變器的功能是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)到匯流箱的傳輸是直流電，而船舶的電力負(fù)荷則使用交流電。因此，逆變器必須將直流電轉(zhuǎn)換為交流，并將直流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后將電氣電壓轉(zhuǎn)換為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓。本文選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為變槳距風(fēng)力機(jī)。采用變速定槳距控制作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率捕獲側(cè)。WECS的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)的速度。一般來(lái)說(shuō)，WEC的作用是最大化風(fēng)力渦輪機(jī)的功率。吹風(fēng)扇葉片時(shí)，風(fēng)速并不總是相同的，風(fēng)向與風(fēng)扇葉片前部相同，角度在0度到180度之間，風(fēng)扇1的功率在一定范圍內(nèi)變化。隨著風(fēng)速在垂直方向上的增加，風(fēng)機(jī)功率隨著風(fēng)向接近葉片而增加。

5 ?風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用

5.1 風(fēng)帆助航

中國(guó)最早使用風(fēng)帆助航是以利用風(fēng)能來(lái)作為主要的推進(jìn)動(dòng)力，但是由于風(fēng)帆自身的局限性，使得大多數(shù)的船隊(duì)在使用風(fēng)帆前進(jìn)時(shí)容易受到風(fēng)向的問題，從而造成船舶前進(jìn)的不穩(wěn)定性，如果遇到惡劣的天氣更是容易發(fā)生意外。并且風(fēng)帆自身占用面積較大，船舶上攜帶的面積較小，所以到工業(yè)革命時(shí)期，風(fēng)帆被柴油機(jī)代替了，標(biāo)志著船舶由原來(lái)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成熱能來(lái)推進(jìn)船舶前進(jìn)的動(dòng)力，但是從目前出現(xiàn)的狀況來(lái)看，柴油會(huì)讓海洋的污染越來(lái)越嚴(yán)重，從而造成能源短缺，海洋污染等環(huán)境問題，所以風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用十分有必要。

5.2 風(fēng)力發(fā)電

目前，船舶風(fēng)力發(fā)電的三種運(yùn)行方式是：

5.2.1 獨(dú)立運(yùn)行模式 ?通常是在發(fā)電后的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)讓電能儲(chǔ)存在電池中進(jìn)行每天發(fā)電。雖然目前這種方法在沿海小型漁船上得到了廣泛的應(yīng)用，但目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用，但我國(guó)沿海地區(qū)的小型漁船數(shù)量眾多，從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的角度來(lái)看，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

5.2.2 風(fēng)力發(fā)電與柴油機(jī)等其他發(fā)電方式相結(jié)合 ?發(fā)電所需的發(fā)電功率通過發(fā)電與光伏發(fā)電相結(jié)合的方式積累。目前，項(xiàng)目船舶采用“風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)”技術(shù)，中交四航局、長(zhǎng)江水務(wù)站等二級(jí)公司擁有利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行互補(bǔ)發(fā)電和儲(chǔ)能，再進(jìn)行逆變器轉(zhuǎn)換成風(fēng)電系統(tǒng)。

5.2.3 風(fēng)力發(fā)電并入傳統(tǒng)電網(wǎng)，向船舶提供電力 ?所有船舶都可以安裝風(fēng)力發(fā)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(lái)說(shuō)，大型散貨船有足夠的空間安裝風(fēng)力發(fā)電廠。

5.3 風(fēng)能致熱

風(fēng)能致熱是通過風(fēng)力發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，利用風(fēng)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(duì)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(jié)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(duì)于現(xiàn)有船舶或新船，具有良好的應(yīng)用前景。在當(dāng)今節(jié)能減排的大環(huán)境下，船舶風(fēng)能利用提出了新的理念。

5.4 風(fēng)能推廣的前景

風(fēng)能發(fā)電不需要燃料，消耗的能源較少，成本很低，也不會(huì)產(chǎn)生空氣污染等問題，再加上風(fēng)能較為豐富，所以我國(guó)的風(fēng)能產(chǎn)業(yè)較為廣闊，通過實(shí)際測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

6 ?結(jié)論

風(fēng)能是未來(lái)使用的重要戰(zhàn)略資源之一，需要應(yīng)用的范圍較為廣闊，是可持續(xù)發(fā)展的重要資源，它的應(yīng)用能影響到資源整合和環(huán)境保護(hù)。

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