SSB蓄电池/光伏驱动全电动船舶在各种运行条件下的能量分析

2026-08-03 09:21:46

           随着内陆水运的扩展，河流、陆地和大气中的环境恶化持续加剧，加剧了全球变暖、酸化和富营养化等问题。在中国，统计结果显示，长江三角洲地区的船舶和港口的空气污染物排放约占全国总量的28%，而珠江三角洲地区的船舶SOx和NOx排放分别占14%和15%（Chen 等，2019）。虽然₂海运的排放低于公路货运，但内陆航运仍会产生大量颗粒物（Bläsing等，2017）。因此，各国政府已出台多项措施和法规以减轻空气污染和环境恶化，迫使内陆船舶减少能源消耗和污染物排放。在中国，2015年设立了国内排放控制区（DECA），以遏制船舶排放的上升（Xu等，2021）。国际上海事组织（IMO）推出了能源效率设计指数（EEDI）、船舶能源效率管理计划（SEEMP）和能源效率运营指数（EEOI），以提升船舶能源效率并降低排放（Wang 等，2020）。在环境可持续发展的背景下，船舶电气化代表了不可逆转的趋势。全电动船舶采用磷酸锂电池驱动的零排放特性，促使越来越多的传统柴油船被电动船只取代。与传统机械船相比，电动船的高效稳定运行更依赖于有效的能量管理。因此，本文考察了不同操作条件对船舶航行期间能源性能的影响，为改进能源管理策略的制定奠定基础。
          这艘全电动船相比传统船只在环境影响、效率和操作灵活性方面具有多项显著优势。全电动船的环保性是其关键特性。例如，被公认为世界上第一艘电动汽车渡轮的MF Ampere，已实现了显著的二氧化碳排放减少，减少了约2670吨一氧化碳₂每年（Inal 等，2023）。此外，集成电力系统（IPS）显著提升了灵活性和效率。通过整合推进和服务负载，IPS促进了电力的优越管理，从而提高了主动力车的效率。这些船舶中使用的电动机可以通过改变电流频率来调节速度，无需可调螺距螺旋桨（CPP）。此外，采用先进推进器，如可变矢量螺旋桨和吊舱推进器，体现了提升螺旋桨效率和机动性的进步策略（郭等，2023）。此外，电推进系统的配置通过减少传统部件如轴、齿轮箱及其他辅助装置的需求，实现了更流线型的设计。这使得船舱布局更加灵活，并优化了船内空间利用。电动舰船系统的其他优势包括降低噪音和振动水平、模块化设计、标准化生产和序列化维护，以及支持高功率任务系统的能力。综合来看，这些优势使全电动船舶成为未来海运运输的有前景替代方案。
         多项研究从多角度探讨船舶电力系统的建模与优化。Perčić等人计算了短距离船舶各种动力系统配置的生命周期成本，得出结论：全电动船是客船中最有前景且经济的选择（Perčić等，2020）。对于电池驱动的船舶，电力成本是主要的运营成本，太阳能的集成可以降低这些成本;然而，这种方法需要更高的初始投资（Hein， 2022）。Yang等人研究了以电池为主要动力源的船舶，系统分析潜在因素对电动船火灾危险的影响，利用统计数据和GT-FFTA模型（Yang等，2025）。在Hein等人的研究中，选择了电池驱动的船舶作为研究重点，并开发了一个专注于电池热动力学特性的集成仿真模型，以实现能源管理和热安全的协作优化（Hein等，2022）。此外，刘等人还以运营成本和排放为关键指标，探讨了多种推进系统船舶中电能储存与热能储存的耦合效应（刘等，2025）。Yigit等人通过理论建模、仿真分析和实证测试，提出了一种混合能源船舶的电力管理方法，以港口城市的环境可持续性和船舶的运营经济为指标（Yigit等，2018）。马等人利用时域模拟研究了恶劣海况对邮轮集成动力系统动态性能的影响（马等，2024）。Acanfora等人开发了储能系统的容量配置，以减轻柴油电力船舶在不规则波浪中负载波动（Acanfora等，2023）。郭等人聚焦于混合船舶，系统地回顾了其能源管理系统的现有研究，并讨论了朝向低碳化、智能化和整合的趋势（郭等，2024）。Andersson等人评估了空气和水下噪声作为指标，展示了电推进船相较于传统船舶在降噪方面的优势（Andersson等，2024）。在船舶设计和运营优化的研究中，广泛应用了安全、排放、经济性和能效等多种指标，取得了显著成果。然而，目前大多数旨在节约能源、提高效率和改善运营稳定性的方法，主要针对大型船舶，使其对小型短途船舶效果较差。
此外，采用新能源为节能和减排提供了有前景的策略，包括太阳能、风能和燃料电池，风能常被用作辅助动力。太阳能因其技术简单且易于获得，成为最有前景的可再生能源（Pan等，2021）。根据船舶类型，太阳能既可以作为主要电源，也可以作为辅助电源。例如，Karatuğ 和 Durmuşoğlu 确认太阳能作为辅助能源在提升滚装船能效和减少排放方面的作用（Karatuğ 等，2020）。袁世贤展示了太阳能系统在绿色航运实践中的成功应用（袁，2016）。然而，太阳能电池板光子转电子效率的限制和可用的甲板空间，迫使最大化捕获的太阳能及其电力分配的利用，以实现节能。此外，太阳能发电的不稳定性要求集成光伏系统的IPS在管理系统中具备更可靠的控制能力，以确保船舶电力的安全运行。Cupelli等人研究了全电动船集成动力系统内的电力流动控制，通过缓解大负载动态和通过电力电子接口提升发电机组智能，实现有效能量管理，从而确保系统安全运行（Cupelli等，2015）。Sun 等人设计了一种控制电路，用于将光伏系统与船舶电力系统集成，基于太阳能资源、船舶电力需求和电池充电状态，以维持动态能量平衡和船舶稳定运行（Sun 等，2019）。Qiu 等人分析了船舶电力系统与光伏系统集成的电力质量（Qiu 等，2018）。现有大多数研究集中在太阳能船舶的设计、太阳能与其他船载能源的整合，以及光伏（PV）系统对船载电网带来的挑战。然而，对实际航行中太阳能节能效益的分析有限。内陆船舶的航行环境本质上复杂且多变。这些环境因素决定了船舶的导航动态，并显著影响了运营能耗。与海洋环境相比，内陆水道中的水流方向、速度和水深等变量对船舶的影响更为显著。Sun等人收集了在真实航运条件下集装箱运输的运营数据，总结了单向洋流、变化的水流和洪水排放对能源效率的影响（Sun等，2013）。Fan 等人聚焦于一艘配备两台柴油主发动机和三台发电机的液化石油气运输船，基于船上测试数据，研究了多种运行条件下的发动机消耗和排放，包括离港、巡航、机动、对接和锚泊（Fan 等，2023）。Zhou等研究了航程、主机功率、季节性流场以及航行船舶上下游洋流影响的内陆船舶燃料消耗和排放（Zhou等，2022）。总之，船舶运营条件及航程中的环境条件是研究船舶能源效率的关键焦点以及排放。然而，这些研究主要集中在由发电机驱动的电动船只上，电池仅作为辅助能源。Zhang 等人开发了一个全电动船舶的模拟模型，结合水速、水深和货物载荷等环境因素，通过优化换货计划最大化航行经济效率（Zhang 等，2023）。Yan建立了一个能效优化模型，考虑多重环境因素，以确定不同航程段的最佳发动机转速（Yan等，2018）。此外，这些预测和优化研究依赖基于大数据的模拟模型，这大大限制了该方法的通用适用性。此外，光伏发电系统为船舶的电力系统带来了可变的发电能力，因为其发电受天气、遮荫、尘埃和侵蚀等环境因素影响（Sun，2013）。总之，在运营过程中有效的船舶能源管理优化必须考虑这些多重且非线性的因素。
预测和适应船舶航行期间能耗变化对于实现运营优化和能源管理至关重要。Chen 等人开发了一种快速响应模型用于船舶机动，能够在 10 秒内完成短期预测，在 60 秒内完成长期预测（Chen 等，2023）。Zhou等人开发了一个预测模型，用于在随机舵角下评估船舶在几秒钟内的姿势（Zhou等，2024）。Hebner及其同事构建了一个大规模电力系统模拟以评估其安全性，实现了毫秒级响应时间（Hebner等，2010）。同样，Lee 等人使用波形级时域仿真模型比较了各种电力系统架构，该模型同样以毫秒响应时间为特征（Lee 等，2012）。船舶和电气系统动力学显然表现出不同的时间响应。因此，开发一个涵盖电气系统和船舶所有组件的时域仿真平台至关重要——在计算效率与仿真精度之间取得平衡。
          在这项研究中，开发了一个由锂电池和太阳能驱动的全电动船舶的集成模拟模型。一艘在松花江上运营的旅游船被选为案例，研究环境因素如何影响航行期间的能源消耗。集成仿真模型包括锂电池、直流-直流转换器、直流-交流逆变器、电机、螺旋桨、船舶电阻、光伏单元和船舶运动模型。在这些子模型中，电气系统模型是无量纲数据驱动模型，而舰力模型则是第一原理模型，从而确保集成模型保持准确性和普遍性。通过利用该模型并整合旅游船航行的环境因素和运营特性，开发了多种模拟场景，以实现本文目标：分析全电动旅游船在多种航行条件下的能耗特性，并评估光伏发电系统在船舶运营中的贡献。本研究采用综合仿真模型，对全电动船舶进行了全面的能量分析，重点关注不同水域环境（如水深、流速和方向）和机动条件（如转向和加速度）下的能耗、航行时间和安全性。该分析为在不同条件下优化操作提供了系统指导。