小型电动风电运维船的研究与展望

王圣品，高 佳

综述

小型电动风电运维船的研究与展望

王圣品，高 佳

（上海电气风电集团股份有限公司，上海 200233）

本文分析了小型电动船舶的发展背景和优势，通过结合国内风场实地运维场景工况和船舶混合动力系统实例，得出了风电运维船动力系统的低排放或零排放设计发展方向和制约因素。本文可为小型电动风电运维船的应用和发展提供参考。

风电运维船 混合动力 海上充电桩

0 引言

绿色环保的概念是贯穿于整个风电行业，这就包括了海上风电的运维阶段。电动风电运维船可以实现船舶运行的低排放，甚至在纯电动时可以达到“零排放”，完全满足国家对节能减排的要求，这也正是海上风电行业建设的初衷。目前随着电池技术的不断革新、优化，电力电子技术的飞速发展，各领域、各行业、各种类型的新型混合动力，甚至纯电动力船舶成为了各国船舶设计、建造的新趋势。

1 小型电动风电运维船的技术优势

1.1 节能减排，节约成本

根据风电运维船具有固定运行工况的特点，可以通过定制化的船舶设计选型合适的推进系统及电池组，一定程度上较少燃油消耗。如：风电运维船在各个风机之间的运维航行或处于等待或停泊时的工况下，传统的柴油机推进系统主机将处于低负荷运行工况，对于柴油机的油耗等方面是不经济的，此工况下完全可以使用纯电池能源，达到节能减排和节约成本的需求。

1.2 提升船舶操纵性能及系统的冗余性，可靠性，灵活性

船舶低速巡航时，电池驱动的电动机的调速性能是优于柴油机的，可以使得船舶低速下的操纵性更加灵活可靠。如使用并联式混合动力系统时的主机与电动机共同驱动模式下，更能提高船舶的推进功率，可以用于大功率的顶推工况等。

主柴油机和电动机均可单独工作，动力系统的冗余性显著提高，充分保证船只运行的可靠性。同时船舶供电系统因为搭载应急发电机，轴带发电机，电池组，在使用上可以针对不同工况供电源选择上更加灵活，更加经济。

2 小型电动风电运维船的技术方案

2.1 混合动力方案类型

常见的船舶混合动力方案分为串联式和并联式根据CCS《混合动力船舶检验指南》的定义：

串联混合动力船舶是指船舶推进器的直接驱动力只来源于电动机的混合动力船舶，其典型结构特点是发动机带动发电机发电，电能通过变频器驱动电动机，另外，储能系统可以单独向电动机提供电能驱动船舶行驶。

并联混合动力船舶是指船舶推进器的直接驱动力可由电动机和发动机同时供给的混合动力船舶[1]。

2.2 小型风电运维船运维工况

如表1所示，此表记录了一艘小型风电运维船搭载12名运维人员出海作业的典型工况数据。即早上运送4人一个运维小组共3组分别顶靠3个风桩作业后船舶风场内停泊等待充电，中午接送人员午饭后风场内继续停泊等待充电，晚上接到全部运维人员返回码头。

混合动力方案的配置包括：1，发动机推进，电机处于PTO模式，并提供日用负载及电池组充电；2，电动机推进，电机处于PTI模式，电池组提供PTI电机及日用负载（在特殊天气下也可开启主机配合）；3，电池组提供停泊日用负载，同时风场内充电桩向电池组充电；4，岸电向电池组充电。

表1 风电运维船工况表

2.3 系统组成

结合小型风电运维船运维工况，目前小型电动风电运维船的推进方案采用并联式混合动力方案更具有优势。例如，在节省、减重船舶机舱空间和重量方面，并联式混合动力的系统组成更为简单，可以节约更多的机舱空间及重量；在船舶建造成本方面，并联式混合动力系统初始投资较串联式更低，这也更符合国内运维市场需求；在系统冗余度上，并联式混合动力系统的船舶在电动机失效的情况下依旧可以正常航行等优势[2]。参考目前常规30 m级单体风电运维船的推进功率及顶靠功率，小型电动风电运维船的混合动力系统大致为：2x700 kW柴油机， 2x250 kW PTI/PTO电机， 630 kWh磷酸铁锂电池组，1x50 kW应急发电机，2x PTI/PTO功能齿轮箱，2xFPP螺旋桨轴系，配电及遥控系统。

其中，柴油机，发电机，电机、齿轮箱多为成熟产品，无论常规动力还是混合动力皆应用广泛，国内外品牌均可，在选型上需考虑匹配船型特点，选用体积小，重量轻的产品较为合适。整套混合动力系统间接口较多，集成度要求较高，国内目前该系统的集成以712、704所、赛思亿等为主。

2.3.1电池组

近年来，各种类型的锂电池技术飞速发展，市场上大致可以分为四种不同的电芯类型，如表2所示：

目前在国外主流的是三元锂电池，DNV船级社等已审查通过多艘三元锂电池动力船。虽然其能量密度大，但出于安全等原因，其在国内船舶的应用仍受CCS的限制，故国内当前CCS只批准使用磷酸铁锂电池[3]。磷酸铁锂电池的技术、安全性方面相对成熟，当前技术上的缺点是能量密度较低，因此选择大容量的磷酸铁锂电池带来节约燃油经济性的同时，也必然增加了船舶的载重量和机舱空间等参数，两者间平衡是船舶设计上需要重点考虑的。目前国内的磷酸铁锂电池发展环境较好，诸如有宁德时代等的成熟电池厂家及集成商。

表2 锂电池性能对比

从表1可以看出风电运维船既具有往返于风场和码头间的高速航行工况，又有长时间的风场内低速航行、顶靠和停泊等待工况。每日有10个小时的时间处于低负荷工况，如采用电池组提供能源将极大的减少燃油消耗，节约成本，降低排放。小型风电运维船的每日运维工况相对固定，船舶运行周期上的工况及功率需求相对可以预估的比较准确，进而可以较准确的估算出电池组的配置容量。图2为配置630 kWh电池组的风电运维船按照表1每日工况的电量变化模拟趋势图。

图2 每日电池电量变化模拟趋势图

2.3.2系统节能效果

按照国内常规小型风电运维船全年平均180天的出海窗口期，且每日工作工况按表1循环执行的模型估算。采用传统柴油机推进的风电运维船每年的燃油消耗量约为236.7 t，而采用并联式混合推进的风电运维船每年的燃油消耗量约为171.3 t，其余推进能量来源于电池组。按照0号柴油价格：8 000元/吨，电池充电价格：0.8元/kWh的经济性计算，得出每年将有约15%以上的运营成本减少及相对应的节能减排效果。

3 小型电动风电运维船的制约因素

3.1 船用锂电池的性能不足

目前锂电池的能量密度尚无法和燃油竞争，价格也较为昂贵，寿命较短，现有的国内相关法规要求船舶只能使用磷酸铁锂电芯这类能力密度较低的电池，国内纯电动船舶和混合动力船舶的数量发展较为缓慢。各大电池厂家正在不断的加大新型电池的研发力度，未来的几年内电池组的技术变革将是翻天覆地的，也会为电动船舶的发展提供强力的后盾。同时由于电池系统的更换较为简单，所以现在也有不少船舶尽管搭载了小容量的电池组，但已经预留和储备了未来更换更先进电池组的空间和技术接口。

在重量方面，电池系统自身重量必须考虑在内。理论上可以通过增加吃水来增加其承载能力，但更高的吃水会增加船体阻力，因此需要更多动力来达到相同航速[4]。在空间体积方面，从已知的全电动或混合动力推进系统的案例研究表明，通过将电池组件分布在现有的船舶空间、机械和变压器空间中，电池系统可以部分或完全取代变压器系统，因此不会对船舶的对称性和平衡产生重大影响，且可以在船舶内部更灵活地配置。因此如何平衡锂电池本身的重量及空间体积与船舶传统的发动机、燃料储存和机械设备间的关系也给船舶设计者们带来了新的课题。

3.2 续航能力的不足

目前对于配置电池组的电动船舶来说，最大的困扰就是远距离航行的续航能力不足[5]，没有合适的充电桩及时充电。

对于有固定航线的船舶，欧洲现在主要采用的方案就是根据计算出来的船舶单次航行距离，在固定航线上设置港口岸电快速充电桩，这种方案类似于高速公路上加油站内的汽车充电桩。但对于风电运维船这类离岸的近海航行船舶，欧洲最近一个新的设计名字应运而生-海上充电桩。这种海上充电桩专门为海上风电运维船提供充电服务，保证其续航；另一个应用场景，就是运维船将运维人员送到风机或升压站以后，在风场内等待时，可以关闭引擎，依靠连接充电桩维持日用负载供电及充电。海上充电桩的设立为风电运维船的远距离航行及单次风场内的工作时间延长提供了充足的能源保证，同时依靠升压站或者单个风机的电能，真正意义上做到了风电绿色能源的周期循环链，又能够提供船舶的远海系泊需要。

目前国际上以沃旭能源和马士基联合设计研发的海上充电桩设计方案为主,详见以下四种方案。

图3 方案1海上充电桩电气原理图

方案1：电气系统原理如图3，通过单个风机的内部改造，直接（1A）或间接借助海上浮式充电桩(1B)连接至需要充电的运维船。

图4 案2海上充电桩电气原理图

方案2：电气系统原理如图4，通过风场内的升压站的改造，直接（2A）或间接借助海上浮式充电桩（2B）连接至需要充电的运维船。

方案3：通过单个风机加其内部或外部固定式的独立的变压装置，借助海上浮式充电桩连接至需要充电的运维船。

方案4：通过风场内的升压站加其内部或外部固定式的独立的变压装置，借助海上浮式充电桩连接至需要充电的运维船。

除此之外，欧洲还有诸多品牌方案，如荷兰Bluewater公司生产的E-buoy产品[7]。

以上几种方案具体的连接形式，需要综合考虑当地风场和升压站的电制参数以及运维船的充电接口的电制参数，来匹配合适的充电桩方案。综上所述，未来国内海上充电桩的发展必然会解决小型电动风电运维船续航不足的制约因素。

4 小型电动风电运维船的现状

国内的小型风电运维船领域，均采用传统的柴油机推进方式，并无混合动力的案例，欧洲的电动风电运维船正快速发展。

广州英辉南方造船有限公司近年接连交付了多艘丹麦MHO船东公司的混合动力小型风电运维船MHO APPLO，MHO ASGARD等，船长～35 m，航速25 kn。

该船采用串联式混合动力系统，整套推进系统由Danfoss的永磁推进电机、发电机、直流组网、锂电池和Volvo的IPS 推进器及混合动力遥控系统等。设计上满足船舶的绿色，低能耗设计。搭载的IPS是一种将拉式螺旋桨与独立转向的吊舱推进器组合形式的推进装置，能更好的满足高速和恶劣海况下的船舶操纵要求。

此外，丹麦World Marine Offshore船东也投资建造了多艘小型混合动力风电运维船。

5 结论

小型风电运维船具有固定航程，固定工作区域，固定工作工况；可以根据详细设计规划出最佳的柴油机和电池组的功率分配等各类契合电动船舶设计条件的特点。随着未来国内锂电池技术及海上充电桩的发展，小型风电运维船近期采用混合动力，长远规划纯电池动力的方案是十分可行，且具有多方面的社会价值，经济价值，在新能源风电场内真正做到绿色零排放运维的愿景。希望本文引起学者和政策制定者的关注，为进一步研究小型电动风电运维船舶技术指明方向，并为该技术应用提供指引。

[1] 中国船级社. 混合动力船舶检验指南，2019.

[2] 夏敬停，李绍海，赖琛. 船舶并联式油电混合动力系统设计[J]. 船舶工程，2019（5）：34-39，72.

[3] 杜睿，陈涛，翟毅. 船舶推进锂电池应用讨论[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] 刘继海，肖金超，魏三喜，冯东英. 绿色船舶的现状和发展趋势分析[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，工程师。研究方向：船舶电气。E-mail：wangshp2@shanghai-electric.com