浅谈无线充电技术与船舶靠港供电方式＊

2020-11-28王小宇

科技与创新 2020年2期

王小宇

浅谈无线充电技术与船舶靠港供电方式＊

王小宇

（武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430063）

传统船舶靠港时大多数依靠柴油机等船舶辅机的持续运转来提供船舶所需的电能，在供电过程中会产生大量的氧化物，直接排放到空气中，很容易对港口附近空气造成严重污染。采取插座与插销连接方式的船舶岸电供电方式又存在安全性差、维修难度大、人工操作复杂、高压变频困难等问题。随着充电技术的发展，无线充电技术以其污染物质排放少、节约化石能源、安全性高等优异性能和在解决传统供电方式存在问题方面的突出优势逐渐地进入人们的视野。加之近年来，“绿色船舶”[1]“绿色发展”“绿色港口”[2]和“节能减排”等环保理念深入人心，无线充电技术在船舶上的应用也越来越多。对无线充电技术在船舶供电方面的优势、应用以及传统供电方式的优缺点等方面进行概述。

无线充电；岸电；生活体验；节能减排

随着科技水平迅速提高，人类的生活方式和生活体验发生了翻天覆地的变化。一方面，科技的进步为人们提供了诸多便利；但是另一方面，由于发展带来的环境污染也不容小视。在当前国际形势下，环境保护越来越受到各个国家的高度重视。

据统计，超过2/3的世界贸易都是通过航运完成，随着航运运输量的增大，污染物的排放量也在持续攀升。港口作为现今世界物流行业链的重要节点，在世界经济贸易发展过程中占据着越来越重要的集散枢纽地位，但是港口区域的污染程度也逐年增大。所以近年来，有关部门大力倡导“绿色港口”的理念。

在交通运输部印发的《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020年）》中明确提出了90%的港作船舶、公务船舶靠泊使用岸电，50%的集装箱、客滚和邮轮专业化码头具备向船舶供应岸电的能力[3]。《在深入推动长江经济带发展座谈会上的讲话》中也把绿色发展、改善生态环境提到了前所未有的高度，岸电成为船舶行业的一个必经之路。其中，采用无线充电技术的供电方式有很好的应用前景。

1 船舶靠港供电的现状以及存在的问题

1.1 利用船舶辅机进行供电

从柴油机问世，再到柴油机几乎完全取代蒸汽机大概用了60年，可见柴油机的出现对于人们的生产生活有很大的利用价值。在船舶方面也不例外。

船舶柴油机按照作用可分为主机和辅机，在船舶停靠码头、港口时，使用船舶辅机燃烧燃油的方式进行发电来提供此时船舶所需的电能。这种方法今天依然有很大一部分船舶在使用。船舶辅机在工作时燃烧的是重油，也有的燃烧柴油等。这使得其工作期间会产生大量对环境有污染的氧化物（尤其是硫氧化物）[4]、颗粒物和有机化合物等。对港口及周边的空气和水域环境有较为明显的污染。由于柴油机工作时会发出噪声，加之港口每天靠港的船舶数量较多，在辅机同时工作时产生的噪声足以影响船员、港口工作人员以及附近居民的正常生活和工作[5]。利用燃油发电的效率相对较低、工作中产生的多余电能无法进行储存、船舶维修成本高，这些都是这种方法不可忽略的短板。

近年来，随着船舶贸易行业在世界贸易占据的比例越来越大，各个国家对船舶行业节能减排的重视程度也越来越高。有关单位和船舶公司不止一次地对此方式的排气和噪声等问题进行整改和改善，也对燃油的含硫量等进行了严格控制，但大多都不能从根本上解决污染严重的问题。所以利用船舶辅机工作进行靠港供电方式的船舶已在逐年减少。中国的大多数港口也对靠港时靠辅机发电的船舶进行了限制，逐步淘汰化石能源[6]。

1.2 利用船舶岸电进行供电

船舶岸电技术是指船舶在靠港期间停止使用船舶上的燃油辅机，改用由陆上电网直接提供电能的供电技术[7]。2000年，瑞典哥德堡港码头安装了高压岸电系统。在中国2010年连云港首次实现对高压岸电的应用；2013年江苏淮安新港在6个泊位前配备岸电箱，每年可以节省燃油数百吨，同时也减少了燃油造成的污染；2016年，在连云港港和韩国仁川港工作的“紫玉兰”号上的船载受电系统和船用岸电设备收到了中国船级社颁发的首个入级证书，这也意味着该船所载岸电系统设备通过了中国船级社相关检验，具备了安全运行和使用岸电的能力[8]。

船舶岸电受到有关部门的大力提倡和推广的原因主要是其在节能减排、减少污染的方面表现较为突出[9]。有关部门也相继出台了对港口和船舶使用岸电的要求和计划。但是目前岸电的部分设施和技术存在一定的障碍，也存在一些明显的缺点。

岸电按照电压的高低可分为低压岸电和高压岸电两种。1 kV以下的为低压岸电，1～20 kV为高压岸电[3]。低压岸电对船舶供电工作比较容易实现，不需要进行复杂的码头改造。但在连接的过程中，不便于安放系统变电箱，需要驳船来进行充电，并且在连接时会产生额外的工作量。低压供电需要九根电缆来连接船舶受电系统与供电系统，安装和拆卸需要的时间就相应增加；在用高压岸电对船舶进行供电时，由高压变频变电设备变电输出到高压接线箱。与低压岸电相比，高压岸电仅需要使用一根电缆就可实现船舶受电系统与供电系统的连接，相应的工作流程有所减少。但是高压电在上船前需要进行降压操作，需要在船上安装变压器，改造过程过于复杂，变压设备会占据船舱内的有限空间[10]。所以综合来看传统的“有线式”岸电供电系统的缺点和现状在于以下6方面。

1.2.1 变频问题

国外的岸电系统多采用供电电网直接向船舶供电的方式，中国用电频率是50 Hz，国外一些国家为60 Hz[3]。在对用电频率不同的船舶供电时，需要大功率的变频设备。国内变频供电的项目数量很少，中国在这方面还没有十分成熟的技术。

1.2.2 供电与受电系统的线制匹配问题

中国大多数配电电网的中性点不接地，在各地的港口多采用三线四线制，但是目前的大多数船舶采用三相三线制。因为线制不同，如果不采取合适的处理设备进行处理，很有可能出现绝缘击穿以及其他的安全问题[11]。为了避免此类问题的发生，船舶受电端需要研发专门的接收系统，产生高额的成本投入。

1.2.3 岸电端和船舶受电端的连接问题

目前，供电端和受电端的连接都是依靠一定数量的电缆，在连接的过程中需要一定数量的工作人员。人工完成电缆的移动，大大增加了对接工作量，安装和拆卸花费的时间也比较长，不利于供电和受电系统的快速连接。

1.2.4 安全问题

岸电采用电缆连接船舶受电端和供电端，再加上插头插座等带电体裸露，在潮湿、盐碱，以及恶劣天气情况下很容易产生一定程度的损伤和接触不良，发生触电现象，其中存在的安全隐患不可忽视。

1.2.5 空间问题

空间可分为两部分，一部分为港口空间，另一部分为船舶上的空间。因为岸电的相关配电和输电、船舶受电以及各种处理设备都需要占用一定的空间。如果不配备小型化设备，将会影响港口和船舶的正常工作面积。

1.2.6 投资维修问题

岸电的推广和开发需要较大的投资[12]。另外，中国岸电技术的开发和应用与国外相比发展略晚，面对繁杂的系统设备，中国目前的维修技术不是十分成熟。

2 无线充电技术

无线充电技术是不以任何物理和金属介质作为载体，基于空气为介质的新型电能传输技术[13]。所以与传统的有线充电方式相比，无线充电不需要借助复杂的线路，其安全性和便捷性都十分突出。早在1980年，无线充电的构想由物理学尼古拉·特斯拉提出，并设计出了无线照明灯泡[14]。无线充电按照不同的工作原理可分成四种方式：电磁感应式、电场耦合式、磁场共振式和无线电波式[15]。

随着中国科技的发展，挡在无线充电面前的电能转换效率和辐射两个问题相继被解决，因此无线充电技术开始迅速地进入人们的生产和生活。

目前无线充电已在汽车火车领域使用，尤其在汽车方面应用十分广泛，但在船舶方面的应用却极为少见。然而在船舶方面的应用市场总会有一天会被开拓，并且高效广泛地运行，实现船舶供电的安全化、无线化、低污染化。

2.1 无线充电技术应用在船舶方面的优点

因为无线供电技术在船舶供电方面的应用属于新型的岸电技术，所以其具有岸电替代船舶辅机供电的有利条件，本文对无线充电与船舶辅机发电相比的优缺点不进行阐述。与传统有线岸电相比，无线充电技术应用在船舶方面主要具有以下5个优点。

2.1.1 安全性好

无线充电技术采用感应充电，没有任何的机械接触，避免人员与电缆直接接触，避免了潮湿、盐碱等恶劣环境对传统接口和连接电缆的影响，最重要的是有效降低了连接岸电端电缆与船端的工作过程中人员因电路接触不良、产生电火花等现象引发触电现象的可能性。

2.1.2 维修量和人员工作量少

因为取消了连接电缆和插座，所以避免了连接电缆磨损和插座损坏带来的大量维修保养工作，降低了设备磨损率。无线充电技术由于供电端和受电端的连接相对简单，可实现机械自动操作。

2.1.3 空间占用少

船舶采用无线充电技术后可减少供电和受电设备所占的公共区域面积，实现设备的小型化、简约化。

2.1.4 花费时间少

无线充电技术无需电缆连接船舶受电系统与岸上供电系统，其一旦应用到船舶上，会省去电缆连接和搬运的复杂工序产生的大量时间耗费；另一方面，无线充电技术可以在一定的距离内实现供电和断电，节约一部分船舶工作和充电所消耗的时间。

2.1.5 灵活性高

无线充电是多自由度的充电技术，所以与有线式岸电相比，其灵活性更高。

2.2 小结

利用无线充电技术的船舶供电方式优势较为突出，可以对传统有线岸电存在的一些不足进行有效弥补。所以从长远来看，无线充电技术可以更加完善地服务于岸电系统。

3 无线充电技术应用在船舶方面的研究实例

3.1 国外研究的部分实例

瓦锡兰公司于2017-08底在一艘混合动力船上进行了无线感应系统的测验，该船是世界上第一艘应用高压无线充电技术的船舶，此船采用感应电力传送，其感应距离可达到50 cm，在无线供电线圈之间传输的能量可超过2 MW，系统输电量可达到1 MW[16]。无线充电技术在此船上的成功应用，也验证了无线充电技术应用于船舶方面的可行性。据2017-09有关报道，美国海军空间与海战系统司令部太平洋中心的研究人员当时正在研发可以在水下为无人潜航器的无线充电技术，以提高无人潜航器的效用。

3.2 国内研究的部分实例

2017年，高洁等人[17]利用无线充电系统验证了电磁场对人体的安全仿真分析；2018年高洁等人[18]对纯电动船充电方式进行了研究，并设计了一套船用无线充电系统。

3.3 小结

无线充电技术在船舶方面的应用逐渐地激发了多个国家的研发兴趣，但是国内对于无线充电技术应用于船舶方面的研究还很少，多数在进行无线充电技术的原理及输出功率等方面进行研究，而且多局限于高校[19]，几乎没有相关的船舶研究成品。因此，中国应该加大此方向的研究力度，争取早日占据市场。

4 无线充电技术应用于船舶的未来市场

上述已经提及了无线充电技术应用在船舶上的诸多优点，并且此项技术已经被证实了可行性，在很多方面弥补了传统岸电实际工作中的不足。所以随着时间的推移，无线充电船舶会逐渐地占领主要的船舶市场。

目前有关科研人员一直在研发无线充电技术应用于船舶方面的完善方案，旨在使此项技术早日大面积进入船舶行业，使无线充电应用于船舶的技术越来越成熟。此项技术不仅对船舶岸电方面具有一定的利用价值，对于混合动力船舶也有很大的应用空间，因为此项技术一旦成熟，便可实现高效率传输，不仅仅提供船舶靠岸时所需的电量。根据充电时间的调整，可以为不同航程船舶提供充足的电量，会对船舶行业的污染问题有很大改善，对于船舶行业的节能减排有重要意义。将共同实现绿色港口，共同改善港口环境，保护海洋环境。

综上，无线充电技术在船舶岸电方面的应用有十分光明的前景，无线充电船舶的未来市场将会被世界各国开拓。随着中国科研水平的不断提高和有关人才的大量涌出，在此领域会更加的有影响力和发言权。

5 总结

本文简单地阐述了目前船舶靠港时存在的供电模式：使用船舶辅机燃烧燃油进行发电和目前大力推广的岸电。大体上阐述了这两种方式的现状和存在的缺点，以及目前世界上比较前卫的船舶无线充电技术。简单地介绍了无线充电技术和与传统岸电相比显示出的突出之处。无线充电技术作为一种新型的充电技术，应用于船舶虽然存在技术方面难题。但是其具有安全性好、人员工作量和维修量少、占用空间少等优势，在船舶行业的绿色发展、海洋环境的改善、岸电的高质量发展和节能减排等方面具有很大的作用。随着科学技术的不断进步和相关问题的深入研究，可在不同程度上解决无线充电技术在船舶应用上的问题，最终将无线充电技术真正运用到船舶上。因为无线充电技术在船舶行业远大的应用前景，所以此方面也会是未来船舶行业的热门话题。希望船舶岸电的“无线化”早日取代“有线化”，让船舶岸电变得更加完美。

［1］孙峰.中国绿色船舶发展展望［J］.船海工程，2019，48（3）：1-4.

［2］刘晋川，张玉波.绿色港口建设中的港口装备技术发展［J］.起重运输机械，2016（2）：8-11.

［3］邵勇，白玉峰.船舶岸电应用技术研究［J］.广州航海学院学报，2018，26（2）：25-28.

［4］杨文浩，邵琪，王立锋.浅谈船舶岸电技术的应用［J］.中国水运，2019，19（8）：109-110.

［5］徐长春.绿色港口与船舶岸电技术探讨［J］.技术与市场，2016，23（4）：132.

［6］JAGDESH K，LAURI K，KIMMO K.Technical design aspects of harbor area grid for shore to ship power：state of the art and future solutions ［J］.International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2019（104）：840-852.

［7］崔景侠.连云港码头船舶岸电技术的应用［J］.电力需求侧管理，2017，19（Suppl 1）：56-57.

［8］谈健，韩俊，归三荣，等.船舶岸电系统发展及应用［J］.上海海事大学学报，2017，38（3）：90-95.

［9］甘甜.中国船舶岸电系统发展现状及其推广分析［J］.企业技术开发，2019，38（9）：45-48.

［10］田鑫，杨柳，才志远，等.船用岸电技术国内外发展综述［J］.智能电网，2014，2（11）：9-14.

［11］卢浩，吴笑萍，沙金荣.一种新型岸电电源在沙钢码头的应用［J］.港口科技，2016（3）：43-45.

［12］本刊记者.中国港口岸电建设和使用现状及建议［J］.港口科技，2018（8）：11-12.

［13］毕建忠，叶天国.无线充电技术原理及应用浅析［J］.电脑知识与技术，2019，15（27）：219-220.

［14］PHILIP M，QUAN L.A critical review on wireless charging for electric vehicles［J］.Renewable and Suatainable Energy Reviews，2019（104）：209-234.

［15］陈婷.无线充电专利技术分析［J］.电子世界，2017（14）：96.

［16］国船.瓦锡兰、Cavote联手开发世界首个综合感应无线充电自动系泊系统［J］.军民两用技术与产品，2016（3）：29.

［17］高洁，包虹璐，陈玲.基于无线充电和太阳能辅助充电的纯电动船充电系统研究［J］.南通航运职业技术学院学报，2018，17（4）：45-49.

［18］高洁，包虹璐，陈玲.纯电动船充电方式的研究［J］.船舶，2018，29（Suppl 1）：151-156.