海洋船舶發(fā)展及波浪能供電系統(tǒng)-王世明

海洋船舶發(fā)展及波浪能供電系統(tǒng)王世明匯報(bào)：李永國(guó)上海海洋大學(xué)工程學(xué)院海洋工程研究所smwang@

近年我國(guó)船舶總體情況船舶的能源供給現(xiàn)狀海洋波浪能供電系統(tǒng)海洋工程研究所簡(jiǎn)介內(nèi)容一、近年我國(guó)船舶總體情況2010年，中國(guó)成為全球最大造船國(guó)，共贏得造船訂單1590萬(wàn)噸（修正總噸），遠(yuǎn)超過(guò)排在第二位的韓國(guó)的1177萬(wàn)噸。目前，中韓兩國(guó)為全球民用造船業(yè)的中心。目前，中國(guó)能建造的最大的輪船，總噸位已經(jīng)達(dá)到了38.8萬(wàn)噸。2005年全國(guó)造船完工量1212萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng)42%；2006年造船完工量1452萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng)20%；2007年世界船舶市場(chǎng)空前繁榮，新船訂單創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到近2.5億載重噸，占世界市場(chǎng)份額44%，我國(guó)散貨船接單量躍居世界第一2008年發(fā)展目標(biāo)：全國(guó)規(guī)模以上船舶工業(yè)企業(yè)造船完工量超過(guò)2200萬(wàn)載重噸，工業(yè)總產(chǎn)值突破3000億元，工業(yè)增加值超過(guò)800億元，船舶出口金額實(shí)現(xiàn)160億美元，利潤(rùn)總額增長(zhǎng)20%，到2010年，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)、建造的主力船舶達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，年造船能力達(dá)到2300萬(wàn)載重噸，年產(chǎn)量1700萬(wàn)載重噸。本土生產(chǎn)的船用設(shè)備平均裝船率達(dá)到60%以上。近年我國(guó)船舶總體情況產(chǎn)業(yè)基本情況2010年1～9月，全國(guó)造船完工量4582萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng)65.0%，其中海船為1331萬(wàn)修正總噸，出口船舶占總量的82.3%。近年我國(guó)船舶總體情況2010年1～9月，我國(guó)新承接船舶訂單5071萬(wàn)載重噸，是去年同期新接訂單量的3倍，其中海船為1417萬(wàn)修正總噸，出口船舶占總量的76.6%。近年我國(guó)船舶總體情況我國(guó)手持船舶訂單量19474萬(wàn)載重噸，比2009年底手持訂單上升3.5%，比上年同期增長(zhǎng)1.2%，其中海船為5416萬(wàn)修正總噸，出口船舶占總量的87.3%。近年我國(guó)船舶總體情況存在的問(wèn)題隨著節(jié)能減排，降低能耗要求的不斷提高，國(guó)際社會(huì)對(duì)污染物排放管理的規(guī)則越來(lái)越嚴(yán)格，綠色環(huán)保成為當(dāng)今船舶行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但是，我國(guó)現(xiàn)有船舶在動(dòng)力、電力裝置、輔助能源供給裝備配套等諸多方面的能源使用效率不高，仍有較大的提升空間。近年我國(guó)船舶總體情況船舶配套業(yè)尤其是船舶的新能源利用，作為我國(guó)裝備制造業(yè)的重要組成部分，受到了國(guó)家的很大關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了《船舶工業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2006-2015）》、《船舶配套業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要》，《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》和《船舶工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》及實(shí)施細(xì)則。對(duì)發(fā)展船舶的新能源技術(shù)提出了要求及相應(yīng)的政策支持，國(guó)家的產(chǎn)業(yè)支持政策將是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)船舶配套業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。

近年我國(guó)船舶總體情況我國(guó)船舶的能源消耗狀況世界油價(jià)飆升對(duì)船舶運(yùn)輸業(yè)的影響能源補(bǔ)充方案二、船舶的能源供給現(xiàn)狀我國(guó)是一個(gè)人均占有資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，節(jié)能減排責(zé)任重大。在我國(guó)，物流業(yè)是僅次于制造業(yè)的石油消費(fèi)第二大行業(yè)，全行業(yè)石油制品消耗占全國(guó)的34%左右，二氧化碳排放量占18.9%，并且這一比例仍在逐年上升。而船舶，長(zhǎng)期以來(lái)一直是我國(guó)物流行業(yè)的能耗和排放“大戶”。我國(guó)船舶的能源消耗狀況2009年哥本哈根全球氣候大會(huì)上，中國(guó)曾向世界承諾：“到2020年前，將碳排放強(qiáng)度比2005年減少40%至45%”。我國(guó)是一個(gè)人均占有資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，節(jié)能減排責(zé)任重大。同時(shí)，能源的節(jié)省也是當(dāng)今船舶制造和營(yíng)運(yùn)業(yè)降低成本的最重要環(huán)節(jié)。我國(guó)船舶的能源消耗狀況

國(guó)際油價(jià)的上漲具有放大效應(yīng)，規(guī)律是：由于油價(jià)占海運(yùn)成本的比例大約為10%，油價(jià)每漲10%，國(guó)際海運(yùn)費(fèi)就會(huì)提高50%。據(jù)了解，燃油在整個(gè)船舶經(jīng)營(yíng)成本中占三至四成。世界油價(jià)飆升對(duì)船舶運(yùn)輸業(yè)的影響受原油價(jià)格不斷攀升和進(jìn)出口量增加等因素影響，去年以來(lái)我國(guó)海運(yùn)價(jià)格已提高了80%以上。有關(guān)專家預(yù)計(jì)，海運(yùn)價(jià)格仍將繼續(xù)看漲，至少還有兩到三成的增量。世界油價(jià)飆升對(duì)船舶運(yùn)輸業(yè)的影響能源補(bǔ)充方案太陽(yáng)能海洋能風(fēng)能

生物質(zhì)能目前新能源在船舶方面的應(yīng)用有風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能、核能等，這些能源的應(yīng)用多以行動(dòng)中的船舶為對(duì)象，設(shè)備體積大、成本高，且所使用的技術(shù)尚處于發(fā)展初期，對(duì)于船舶的運(yùn)載能力和自身穩(wěn)定性有一定的影響。地球上海洋面積占72%，全世界理論上可再生的海洋能總量為766億千瓦，技術(shù)允許利用功率為64億千瓦，約為目前全世界發(fā)電機(jī)容量的二倍。其中，海浪能密度最高，約為20億千瓦。根據(jù)海洋觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)沿海海域年平均波高在2米左右，波浪周期平均6s左右,可開(kāi)發(fā)利用的約5億千瓦。利用波浪能對(duì)離岸觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行供電是最直接和可行的方案。能源補(bǔ)充方案能源補(bǔ)充方案要象重視航空航天一樣重視海洋。從2010年起，財(cái)政部與海洋局聯(lián)合發(fā)布海洋能專項(xiàng)研究指南。

將近海海面波浪能收集發(fā)電，并加以利用，將大大降低船舶的能源消耗。

三、海洋波浪能供電系統(tǒng)(1)隨機(jī)性(2)發(fā)電成本(3)總效率：波浪時(shí)刻變化、能量分散不易集中(4)工程性：海洋環(huán)境、腐蝕性、生物附著1964年，世界上第一臺(tái)小型氣動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置研究成功；國(guó)內(nèi)以廣州能源研究所為代表的多家單位對(duì)波浪能進(jìn)行了較深入的研究。與太陽(yáng)能、風(fēng)能相比，波浪能并沒(méi)有普及到人們生活中，目前遇到的瓶頸有：1、波浪能發(fā)電裝置與系統(tǒng)海洋波浪能供電系統(tǒng)1)小型模塊化波浪能發(fā)電裝置:采取振蕩浮子+液壓系統(tǒng)是目前發(fā)展勢(shì)頭最強(qiáng)勁的波浪能裝置。目前項(xiàng)目組完成了三種型號(hào)的波浪能發(fā)電裝置樣機(jī)的制作與運(yùn)行。第一種樣機(jī)導(dǎo)流管直徑29.4cm，2層葉輪，在1米波高、7秒周期波況下實(shí)現(xiàn)了發(fā)電功率47.7W。基于雙層葉輪的波浪能發(fā)電裝置樣機(jī)VICKERSPVX泵：

液壓馬達(dá)：VICKERSAKS6-3000對(duì)于2米高的波浪：周期為5秒輸出功率為2KW

總轉(zhuǎn)換效率：60%

樣機(jī)參數(shù)：該樣機(jī)的特點(diǎn)：

1）采用輸入頻率控制和功率補(bǔ)償法，較大面積采集海洋波浪能，實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模發(fā)電;2）采用波能轉(zhuǎn)換裝置工作框架與浮體固定連接的柔性漂浮式結(jié)構(gòu)，使絕大部分工作構(gòu)件和液壓傳輸系統(tǒng)全部設(shè)置于海面之上，便于系統(tǒng)的維護(hù)和減輕海水腐蝕對(duì)裝置主體的損害；3）采用復(fù)合材料浮動(dòng)吸收器。

第二種樣機(jī)：海上測(cè)試

第二種樣機(jī)主浮箱4.3×1×0.35米，各部分重量總計(jì)500公斤左右，

設(shè)計(jì)輸出功率是2KW，轉(zhuǎn)換效率60%左右。軸的應(yīng)力軸的撓度葉輪靜壓湍流時(shí)分布

第三種樣機(jī)設(shè)計(jì)尺寸為0.8×0.8×0.7米，設(shè)計(jì)總重約120千克，實(shí)驗(yàn)室裝機(jī)成本約為1萬(wàn)元，設(shè)計(jì)壽命3-5年，單機(jī)實(shí)地測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其輸出功率平均約為1kW，轉(zhuǎn)換效率為60%左右。該裝置已申請(qǐng)專利（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01120102087.5）第三種樣機(jī)：船舶倒立擺式波浪能供電系統(tǒng)

倒立擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)，利用倒立擺的靜不定特性，收集起伏不定的波浪動(dòng)能。其具體原理為，將倒立擺波浪能發(fā)電系統(tǒng)置于特制的浮子上，浮子漂浮在海水中會(huì)隨海水的波動(dòng)搖擺不定，帶動(dòng)系統(tǒng)的多組倒立擺擺錘運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)一系列的傳動(dòng)及曾速機(jī)構(gòu)將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)組發(fā)電。所產(chǎn)生的電能通過(guò)一系列穩(wěn)壓整流等變換處理及短暫的貯存過(guò)程后，由輸電電纜將穩(wěn)定可用電能傳遞至停泊的船只上，供船只使用或儲(chǔ)存。

波浪周期/s平均波高/m實(shí)測(cè)發(fā)電功率/kW記錄

14.31.40.91記錄

23.91.10.83記錄

34.81.81.02記錄

44.51.80.96記錄

55.21.91.13

相同發(fā)電功率下，倒立擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)較其它各種類波浪能發(fā)電設(shè)備，體積明顯減小結(jié)構(gòu)緊湊，便于船只攜帶和投放回收，多組對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具備連續(xù)發(fā)電能力，且整個(gè)發(fā)電設(shè)備為密閉結(jié)構(gòu)不與海水和外界空氣直接接觸，具有相當(dāng)良好的穩(wěn)定性和低故障率，針對(duì)不同的客戶需求對(duì)其升級(jí)和改型也非常容易。實(shí)地試驗(yàn)船舶倒立擺式波浪能供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置可推廣應(yīng)用到其它海洋觀測(cè)裝備和平臺(tái)、海上軍事設(shè)施、極地考察裝備供電及海水淡化、供暖、制冷，解決部分電網(wǎng)未覆蓋的有居民海島、偏遠(yuǎn)無(wú)居民海島生態(tài)島建設(shè)中的供電需求。

同時(shí)，考慮到我國(guó)在制造成本上的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展外向型的波能利用行業(yè)大有可為，并且已在小型航標(biāo)燈、浮標(biāo)用波浪發(fā)電裝置方面有良好的開(kāi)端。經(jīng)小批量推廣后，再根據(jù)歐洲的波能資源，設(shè)計(jì)制造出口型的裝置，具有十分良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。2）浮子振蕩頻率智能控制和反應(yīng)系統(tǒng)：對(duì)不同頻率的波浪做出辨別和不同反應(yīng)?？刂葡到y(tǒng)：

1、使浮子的吃水深度隨波浪的變化而變化，使浮子振蕩頻率自適應(yīng)于波浪的頻率，從而提高浮子的吸收能量。

2、使發(fā)電設(shè)備具有自動(dòng)下潛功能，確保在臺(tái)風(fēng)情況下不被破壞。3）導(dǎo)葉形狀上下對(duì)稱，確保波浪上升和下降都能使葉輪機(jī)始終向同一方向旋轉(zhuǎn)4）模塊化供電及低能耗、智能電源管理技術(shù)

采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)供電海床基系統(tǒng)電能需求，對(duì)各單元模塊進(jìn)行優(yōu)化組合，將動(dòng)力部分與發(fā)電、控制中心分離，從而極大地降低造價(jià)，增加靈活性。

主要研究?jī)?nèi)容有：各電池組充放電的優(yōu)先次序控制；各電池組的充放電電流的限制；電池組內(nèi)部的能量流動(dòng)控制等。5）電能的傳輸絕緣柔性臍狀光電復(fù)合海纜，直流輸電。防纏繞：設(shè)計(jì)電纜卷繞系統(tǒng)，在電纜兩端增加卷筒。防扭矩：在選擇合理的卷繞工藝以減小扭切的基礎(chǔ)上，選擇合適的電纜，確?？古けＷo(hù)網(wǎng)具有足夠的抗扭能力。防牽引：用倒S形錨鏈，上掛浮球，下掛沉塊。浮子采用工程橡膠和普通鋼材的復(fù)合材料，增加柔性，為了防腐和防止海洋生物附著，表面用全波紅外涂料進(jìn)行涂裝，提高抗腐蝕能力和耐久性。電磁兼容性：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，兼容性測(cè)試，使用低功率電路，雙絞線的差分輸出信號(hào)，電源去耦，過(guò)濾或屏蔽技術(shù)，各模塊封裝，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。6）可靠性研究

設(shè)計(jì)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀況、控制誤差、充電系統(tǒng)性能和能量再生系統(tǒng)性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)控制，對(duì)其基本故障進(jìn)行診斷，對(duì)發(fā)電設(shè)備用電信息如負(fù)荷、電壓、電流、電量、需量、電能質(zhì)量、線損、變損等電力信息以及海床基各觀測(cè)設(shè)備的耗能情況、運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊設(shè)備在線采集、監(jiān)視、控制、統(tǒng)計(jì)、分析。7）發(fā)電設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)控制和故障診斷8）技術(shù)路線2.浪翼動(dòng)力推進(jìn)原理

定義：在波浪中產(chǎn)生推力推動(dòng)物體前進(jìn)的翼。

實(shí)驗(yàn)室速度3節(jié)，海上速度3.2節(jié)。視頻海洋工程研究所主要從事海洋測(cè)控裝備(浮潛標(biāo)等)、海洋能源開(kāi)發(fā)利用、海上工作平臺(tái)、以及海洋運(yùn)輸與物流等領(lǐng)域的研究。所長(zhǎng)：王世明上海海洋大學(xué)教授四、海洋工程研究所簡(jiǎn)介海洋工程研究所現(xiàn)有教授4人、副教授12人，講師20人，外聘院士3人，具有機(jī)械工程一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位授予權(quán)。團(tuán)隊(duì)具有合理的年齡和交叉學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu),已培養(yǎng)該研究方向的研究生16名，在讀研究生22名。碩士論文“海洋浮子式波浪放電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究”獲得上海市優(yōu)秀論文。團(tuán)隊(duì)及學(xué)術(shù)交流情況在研項(xiàng)目1.“上海海洋綜合觀測(cè)與安全保障應(yīng)用技術(shù)研究與示范”（上海市科委“登山計(jì)劃06DZ012）2.“海洋新能源在浮標(biāo)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究”（上海市教委科研創(chuàng)新10YZ129）”3.“海洋可再生波浪能轉(zhuǎn)換理論與技術(shù)（上海市自然基金項(xiàng)目，10ZR1414000）4.“波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物沖擊作用的多因素影響研究”(上海市科委)5.“海洋浮潛標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究”,上海市科委地方院校能力建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目(08210511900)”6.“水環(huán)境監(jiān)控仿生機(jī)器魚驅(qū)動(dòng)和無(wú)線通訊系統(tǒng)研究”(上海市科委)7.“海域環(huán)境生態(tài)浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應(yīng)用”上海科委長(zhǎng)三角項(xiàng)目（10595812800）8.“跨太平洋高速（TPE）S1S淺海段海底勘察”,908項(xiàng)目9.海洋新能源在浮標(biāo)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究,2009年上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目

已獲得多項(xiàng)專利：（1）海上可再生能源裝換裝置和系統(tǒng)（實(shí)用新型，結(jié)構(gòu)與原理設(shè)計(jì)）（2）波浪能發(fā)電裝置液壓變速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)（實(shí)用新型專利，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）（3）振蕩浮子式海洋波浪能發(fā)電裝置（發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)與原理設(shè)計(jì)）（4）壓縮氣動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置（實(shí)用新型，結(jié)構(gòu)與原理設(shè)計(jì)）（5）曲軸式浮標(biāo)用波浪能發(fā)電裝置（發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)與原理設(shè)計(jì)）（6）浮標(biāo)用波浪能發(fā)電裝置（實(shí)用新型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）（7）海洋波浪能發(fā)電裝置（實(shí)用