海洋船舶发展及波浪能供电系统-王世明

1、 2010 2010年，中国成为全球最大造船国，共赢得造船年，中国成为全球最大造船国，共赢得造船订单订单15901590万吨（修正总吨），远超过排在第二位的韩万吨（修正总吨），远超过排在第二位的韩国的国的11771177万吨。目前，中韩两国为全球民用造船业的万吨。目前，中韩两国为全球民用造船业的中心。中心。目前，中国能建造的最大的轮船，总吨位已经达目前，中国能建造的最大的轮船，总吨位已经达到了到了38.838.8万吨。万吨。l20052005年全国造船完工量年全国造船完工量12121212万载重吨，同比增长万载重吨，同比增长42%42%；l20062006年造船完工量年造船完工量1452145

2、2万载重吨，同比增长万载重吨，同比增长20%20%；l20072007年世界船舶市场空前繁荣，新船订单创纪录地达到近年世界船舶市场空前繁荣，新船订单创纪录地达到近2.52.5亿载重吨，亿载重吨，占世界市场份额占世界市场份额44%44%，我国散货船接单量跃居世界第一，我国散货船接单量跃居世界第一 l20082008年发展目标：全国规模以上船舶工业企业造船完工量超过年发展目标：全国规模以上船舶工业企业造船完工量超过22002200万载万载重吨，工业总产值突破重吨，工业总产值突破30003000亿元，工业增加值超过亿元，工业增加值超过800800亿元，船舶出口金亿元，船舶出口金额实现额实现16016

3、0亿美元，利润总额增长亿美元，利润总额增长20%20%， l到到20102010年，我国自主开发、建造的主力船舶达到国际先进水平，年造船年，我国自主开发、建造的主力船舶达到国际先进水平，年造船能力达到能力达到23002300万载重吨，年产量万载重吨，年产量17001700万载重吨。本土生产的船用设备平万载重吨。本土生产的船用设备平均装船率达到均装船率达到60%60%以上。以上。 l产业基本情况l20102010年年1 19 9月，全国月，全国造船完工量造船完工量45824582万载重吨，同比万载重吨，同比增长增长65.0%65.0%，其中海船为，其中海船为13311331万修正总吨，出口船舶占

4、万修正总吨，出口船舶占总量的总量的82.3%82.3%。l20102010年年1 19 9月，我国月，我国新承接船舶订单新承接船舶订单50715071万载重吨，万载重吨，是去年同期新接订单量的是去年同期新接订单量的3 3倍，其中海船为倍，其中海船为14171417万修正万修正总吨，出口船舶占总量的总吨，出口船舶占总量的76.6%76.6%。l我国手我国手持船舶订单量持船舶订单量1947419474万载重吨，比万载重吨，比20092009年底手持年底手持订单上升订单上升3.5%3.5%，比上年同期增长，比上年同期增长1.2%1.2%，其中海船为，其中海船为54165416万修正总吨，出口船舶占总

5、量的万修正总吨，出口船舶占总量的87.3%87.3%。l存在的问题l 随着节能减排，降低能耗要求的不断提高，国际社随着节能减排，降低能耗要求的不断提高，国际社会对污染物排放管理的规则越来越严格，会对污染物排放管理的规则越来越严格，绿色环保成绿色环保成为当今船舶行业的一个重要发展方向为当今船舶行业的一个重要发展方向。但是，我国现。但是，我国现有船舶在动力、电力装置、辅助能源供给装备配套等有船舶在动力、电力装置、辅助能源供给装备配套等诸多方面的能源使用效率不高，仍有较大的提升空间。诸多方面的能源使用效率不高，仍有较大的提升空间。l船舶配套业尤其是船舶的新能源利用，作为我国装备制造业的重要组成部分，

6、受到了国家的很大关注。l近年来，国家出台了船舶工业中长期发展规划（2006-2015）、船舶配套业发展“十一五”规划纲要，装备制造业调整和振兴规划和船舶工业调整和振兴规划及实施细则。对发展船舶的新能源技术提出了要求及相应的政策支持，国家的产业支持政策将是今后很长一段时间内船舶配套业发展的重要推动力。l我国船舶的能源消耗状况l世界油价飙升对船舶运输业的影响l能源补充方案l我国是一个人均占有资源相对贫乏的国家，节能减排责任重大。在我国，物流业是仅次于制造业的石油消费第二大行业，全行业石油制品消耗占全国的34%左右，二氧化碳排放量占18.9%，并且这一比例仍在逐年上升。而船舶，长期以来一直是我国物流

7、行业的能耗和排放“大户”。我国船舶的能源消耗状况l2009年哥本哈根全球气候大会上，中国曾向世界承诺：“到2020年前，将碳排放强度比2005年减少40%至45%”。我国是一个人均占有资源相对贫乏的国家，节能减排责任重大。同时，能源的节省也是当今船舶制造和营运业降低成本的最重要环节。我国船舶的能源消耗状况l 国际油价的上涨具有放大效应，规律是：由于油价占海运成本的比例大约为10%，油价每涨10%，国际海运费就会提高50%。据了解，燃油在整个船舶经营成本中占三至四成。世界油价飙升对船舶运输业的影响l受原油价格不断攀升和进出口量增加等因素影响，去年以来我国海运价格已提高了80%以上。有关专家预计，

8、海运价格仍将继续看涨，至少还有两到三成的增量。世界油价飙升对船舶运输业的影响能源补充方案太阳能海洋能风能 生物质能目前新能源在船舶方面的应用有风能、太阳能、生物能、核能等，这些能源的应用多以行动中的船舶为对象，设备体积大、成本高，且所使用的技术尚处于发展初期，对于船舶的运载能力和自身稳定性有一定的影响。地球上海洋面积占地球上海洋面积占72%72%，全世界理论上可，全世界理论上可再生的再生的海洋能海洋能总量为总量为766766亿千瓦，亿千瓦，技术允技术允许利用功率许利用功率为为6464亿千瓦，亿千瓦，约为目前全世约为目前全世界发电机容量的二倍。界发电机容量的二倍。其中，其中，海浪能密海浪能密度最

9、高，约为度最高，约为2020亿千瓦。亿千瓦。根据海洋观测资料统计，根据海洋观测资料统计，我国沿海海域我国沿海海域年平均波高在年平均波高在2 2米左右，波浪周期平均米左右，波浪周期平均6s6s左右左右, ,可开发利用的约可开发利用的约5 5亿千瓦。亿千瓦。利用波利用波浪能对离岸观测设备进行供电是最直接浪能对离岸观测设备进行供电是最直接和可行的方案。和可行的方案。能源补充方案能源补充方案 要象重视航空航天一样重视海洋。 从2010年起，财政部与海洋局联合发布海洋能专项研究指南。 将近海海面波浪能收集发电，并加以利用，将大大降低船舶的能源消耗。 (1) 随机性 (2) 发电成本(3) 总效率：波浪时

10、刻变化、能量分散不易集中(4) 工程性：海洋环境、腐蚀性、生物附着 1964年，世界上第一台小型气动式波浪能发电装置研究成功；国内以广州能源研究所为代表的多家单位对波浪能进行了较深入的研究。与太阳能、风能相比，波浪能并没有普及到人们生活中，目前遇到的瓶颈有：1、波浪能发电装置与系统1) 小型模块化波浪能发电装置:采取振荡浮子+液压系统是目前发展势头最强劲的波浪能装置。 目前项目组完成了三种型号的波浪能发电装置样机的制作目前项目组完成了三种型号的波浪能发电装置样机的制作与运行。第一种样机导流管直径与运行。第一种样机导流管直径29.4cm29.4cm，2 2层叶轮，在层叶轮，在1 1米波米波高、高

11、、7 7秒周期波况下实现了发电功率秒周期波况下实现了发电功率47.7W47.7W。基于双层叶轮的波浪能发电装置样机基于双层叶轮的波浪能发电装置样机VICKERSPVX泵：液压马达：VICKERSAKS6-3000对于2米高的波浪：周期为5秒输出功率为2KW总转换效率：60%样机参数：该样机的特点： 1）采用输入频率控制和功率补偿法，较大面积采集海洋波浪能，实现较大规模发电; 2）采用波能转换装置工作框架与浮体固定连接的柔性漂浮式结构，使绝大部分工作构件和液压传输系统全部设置于海面之上，便于系统的维护和减轻海水腐蚀对装置主体的损害； 3）采用复合材料浮动吸收器。 第二种样机：海上测试第二种样机：

12、海上测试 第二种样机第二种样机主浮箱主浮箱4.34.31 10.350.35米，各部分重量总计米，各部分重量总计500500公公斤左右，斤左右， 设计输出功率是设计输出功率是2KW2KW，转换效率，转换效率60%60%左右。左右。轴的应力轴的挠度叶轮静压湍流时分布 第三种样机第三种样机设计尺寸为设计尺寸为0.80.80.80.80.70.7米，设计总重约米，设计总重约120120千克，实验室装机成本约为千克，实验室装机成本约为1 1万元，设计寿命万元，设计寿命3-53-5年，单机实地年，单机实地测试实验，其输出功率平均约为测试实验，其输出功率平均约为1kW1kW，转换效率为，转换效率为60%6

13、0%左右。该左右。该装置已申请专利（专利申请号：装置已申请专利（专利申请号：201120102087.5201120102087.5）第三种样机：船舶倒立摆式波浪能供电系统第三种样机：船舶倒立摆式波浪能供电系统 倒立摆式波浪能发电系统，利用倒立摆的静不定特性，收集起伏不定的波浪动能。其具体原理为，将倒立摆波浪能发电系统置于特制的浮子上，浮子漂浮在海水中会随海水的波动摇摆不定，带动系统的多组倒立摆摆锤运动，再通过一系列的传动及曾速机构将机械能传递给发电机组发电。所产生的电能通过一系列稳压整流等变换处理及短暂的贮存过程后，由输电电缆将稳定可用电能传递至停泊的船只上，供船只使用或储存。 波浪周期波浪

14、周期/s/s平均波高平均波高/m/m实测发电功率实测发电功率/kW/kW记录记录 1 14.34.31.41.40.910.91记录记录 2 23.93.91.11.10.830.83记录记录 3 34.84.81.81.81.021.02记录记录 4 44.54.51.81.80.960.96记录记录 5 55.25.21.91.91.131.13 相同发电功率下，倒立摆式波浪能发电系统较其它各种类波浪能发电设备，体积明显减小结构紧凑，便于船只携带和投放回收，多组对称式的结构设计使其具备连续发电能力，且整个发电设备为密闭结构不与海水和外界空气直接接触，具有相当良好的稳定性和低故障率，针对不同

15、的客户需求对其升级和改型也非常容易。实地试验船舶倒立摆式波浪能供电系统整体结构设计 该装置可推广应用到其它该装置可推广应用到其它海洋观测装备和平台、海上海洋观测装备和平台、海上军事设施、极地考察装备供电及海水淡化军事设施、极地考察装备供电及海水淡化、供暖、制冷，、供暖、制冷，解决部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无居民海岛生态解决部分电网未覆盖的有居民海岛、偏远无居民海岛生态岛建设中的供电需求。岛建设中的供电需求。 同时，考虑到我国在制造成本上的优势，发展外向型同时，考虑到我国在制造成本上的优势，发展外向型的波能利用行业大有可为，并且已在小型航标灯、浮标用的波能利用行业大有可为，并且已在小型航标

16、灯、浮标用波浪发电装置方面有良好的开端。经小批量推广后，再根波浪发电装置方面有良好的开端。经小批量推广后，再根据欧洲的波能资源，设计制造出口型的装置，具有十分良据欧洲的波能资源，设计制造出口型的装置，具有十分良好的经济和生态效益。好的经济和生态效益。 2）浮子振荡频率智能控制和反应系统：对不同频率的波浪做出辨别和不同反应。 控制系统： 1、使浮子的吃水深度随波浪的变化而变化，使浮子振荡频率自适应于波浪的频率，从而提高浮子的吸收能量。 2、使发电设备具有自动下潜功能，确保在台风情况下不被破坏。3）导叶形状上下对称，确保波浪上升和下降都能使叶轮机始终向同一方向旋转4）模块化供电及低能耗、智能电源管

17、理技术 采用模块化设计，根据供电海床基系统电能需求，对各单元模块进行优化组合，将动力部分与发电、控制中心分离，从而极大地降低造价，增加灵活性。主要研究内容有：各电池组充放电的优先次序控制；各电池组的充放电电流的限制；电池组内部的能量流动控制等。绝缘柔性脐状光电复合海缆，直流输电。防缠绕：设计电缆卷绕系统，在电缆两端增加卷筒。防扭矩：在选择合理的卷绕工艺以减小扭切的基础上，选择合适的电缆，确保抗扭保护网具有足够的抗扭能力。防牵引：用倒S形锚链，上挂浮球，下挂沉块。浮子采用工程橡胶和普通钢材的复合材料，增加柔性，为了防腐和防止海洋生物附着，表面用全波红外涂料进行涂装，提高抗腐蚀能力和耐久性。电磁兼

18、容性：传导干扰和辐射干扰，兼容性测试，使用低功率电路，双绞线的差分输出信号，电源去耦，过滤或屏蔽技术，各模块封装，软开关技术。 6）可靠性研究 设计发电设备运行状况、控制误差、充电系统性能和能量再生系统性能实时监测监测控制，对其基本故障进行诊断，对发电设备用电信息如负荷、电压、电流、电量、需量、电能质量、线损、变损等电力信息以及海床基各观测设备的耗能情况、运行状态通过数据通讯设备在线采集、监视、控制、统计、分析。7）发电设备实时运行状况监测控制和故障诊断8 8）技术路线）技术路线2.浪翼动力推进原理 定义：在波浪中产生推力推动物体前进的翼。 l实验室速度3节， 海上速度3.2节。视频l海洋工程

19、研究所主要从事海洋测控装备海洋工程研究所主要从事海洋测控装备(浮潜浮潜标等标等)、海洋能源开发利用海洋能源开发利用、海上工作平台、海上工作平台、以及海洋运输与物流等领域的研究。以及海洋运输与物流等领域的研究。l所长：王世明所长：王世明 上海海洋大学教授上海海洋大学教授l海洋工程研究所现有教授4人、副教授12人，讲师20人，外聘院士3人，具有机械工程一级学科硕士学位授予权。团队具有合理的年龄和交叉学科知识结构, 已培养该研究方向的研究生16名，在读研究生22名。l硕士论文“海洋浮子式波浪放电装置结构设计及试验研究”获得上海市优秀论文。团队及学术交流情况团队及学术交流情况在研项目在研项目1.“上海

20、海洋综合观测与安全保障应用技术研究与示范”（上海市科委“登山计划06DZ012）2.“海洋新能源在浮标中应用的关键技术研究”（上海市教委科研创新10YZ129）”3.“海洋可再生波浪能转换理论与技术（上海市自然基金项目，10ZR1414000）4.“波浪对结构物冲击作用的多因素影响研究”(上海市科委)5.“海洋浮潜标关键技术研究”,上海市科委地方院校能力建设重点项目 (08210511900)”6.“水环境监控仿生机器鱼驱动和无线通讯系统研究”(上海市科委)7.“海域环境生态浮标关键技术研究及示范应用”上海科委长三角项目（10595812800）8.“跨太平洋高速（TPE）S1S浅海段海底勘察

21、”,908项目9.海洋新能源在浮标中应用的关键技术研究,2009年上海市教委创新项目 已获得多项专利：已获得多项专利：（1 1）海上可再生能源装换装置和系统（实用新型，结构与原理设计）海上可再生能源装换装置和系统（实用新型，结构与原理设计）（2 2）波浪能发电装置液压变速系统优化设计（实用新型专利，结构设计）波浪能发电装置液压变速系统优化设计（实用新型专利，结构设计）（3 3）振荡浮子式海洋波浪能发电装置（发明专利，结构与原理设计）振荡浮子式海洋波浪能发电装置（发明专利，结构与原理设计）（4 4）压缩气动式波浪能发电装置（实用新型，结构与原理设计）压缩气动式波浪能发电装置（实用新型，结构与原理

22、设计）（5 5）曲轴式浮标用波浪能发电装置（发明专利，结构与原理设计）曲轴式浮标用波浪能发电装置（发明专利，结构与原理设计）（6 6）浮标用波浪能发电装置（实用新型，结构设计）浮标用波浪能发电装置（实用新型，结构设计）（7 7）海洋波浪能发电装置（实用新型，结构与原理设计）海洋波浪能发电装置（实用新型，结构与原理设计） 对大型设备及海洋工程装备状态检测和故障诊断对大型设备及海洋工程装备状态检测和故障诊断进行了深入研究进行了深入研究“海洋潜浮标系统实时状态监测和故障远程诊断技术海洋潜浮标系统实时状态监测和故障远程诊断技术”、“工程机械液压系统故障机理研究工程机械液压系统故障机理研究”、 “ “内燃机车状态检测与内燃机车状态检测与故障诊断系统故障诊断系统”、日照港、日照港( (集团集团) )有限公司开发出有限公司开发出“中高频声中高频声纳成像系统纳成像系统”/“/“海洋工程装备远程故障诊断海洋工程装备远程故障诊断”中国一拖集团公司工程机械状态检测与故障诊断系统中国一拖集团公司工程机械状态检测与故障诊断