伍志龙

摘要：在未来的几十年中我国面临能源的挑战较为巨大，在面对资源短缺和环境恶化的状态下，我国更应该注重技术的转型和可持续发展，比如风能在船舶上的应用。水上运输是较为常见的交通方式，且电力在船舶上经常使用，本文将分析风能发电的原理，从而更好地运用风能在船舶上的应用，试图设计自动的风力发电系统。

Abstract： In the next few decades， China will face huge energy challenges. In the face of resource shortages and environmental degradation， China should pay more attention to technological transformation and sustainable development， such as the application of wind energy on ships. Water transportation is a relatively common mode of transportation， and the electricity is often used on ships. This article analyzes the principles of wind power generation， so as to better use the wind energy on ships， and tries to design an automatic wind power generation system.

關键词：能源短缺;风能;船舶;新能源

Key words： energy shortage;wind energy;ship;new energy

中图分类号：U671.99                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0236-02

0  引言

近几年来我国新能源产业的发展成为越来越多的人注重的项目，新能源技术的发展是我国经济结构转型的重要途径之一，我国交通运输近些年来的快速发展，水路运输的排放相对较低，但是同时需要较高的成本，因为水运一般来说需要消耗石油，排放大量的污染物在海水之中，所以低碳式的环保经济无法在其中体现出来，如果运用风能转化成船舶发电，那么就可以极大缓解环境保护的问题。

1  风能的研究现状及意义

1.1 风能的概念

一般来说可再生资源包括风能、太阳能、土地资源等等，这些自然资源可以重复使用，并且再生周期短，可利用的范围广阔。风能作为一种无限再生的资源，近几年来我国风能发电的产业和基础设施建设较多，以风帆作为主要船舶前进的动力在当中较为普遍，这就使得燃油有效减少，渔船有了一定的保障，风能的转换能够从一定程度上供给照明、通信等设备的运行。

1.2 风能利用的现状

目前风能是地球最具有活力的一种可再生资源，它的产生原理较为简单，一般表面存在着大量的空气，这个空气流动，会产生无限可再生的资源，这就非常符合船舶上的动力发电，风力发电在船舶上的影响较大，广泛运用在海岛和偏僻的乡村，近几年来，许多柴油的上涨使得风能利用的关注点越来越高，并且大部分的轮船运输常年处在一个风力较强的位置，比如长江口，四周都没有遮拦物，风力资源较为丰富，在生产区域中能生产较多的风能，尤其是高原、沿海等地区。

1.3 我国大部分地区风能源丰富

我国大部分的风能能源密度能达到200W/m2的等值线，并且有效风力的持续时间能够达到百分之八十到百分之九十之间，风能是通过风的动能转换为机械能的，它的利用方式多种多样，沿海风能风力涡轮机通常对风速有一定的要求，风力涡轮机可以移动它，因为它们需要达到风速。它被称为风速。而当风力涡轮机发生故障时，当风速达到一定水平时，它通常无法工作，并且要求风速低于给定值。因此，风速必须介于风速和风速之间的最大风速之间。一般来说风能机器是由风扇叶片扫过的空气供给流，用于驱动旋转叶片的表面，这也被称为操作盘。当风速恒定时，通过叶片两端的空气质量变为一定值，风力涡轮机使用风力发电机，从而风力涡轮机会改变风速。通过理论分析可知，我们需要尽可能多的捕捉能量，有效利用风能。在风场中，变速率是风机性能的主要指标的密度较为密集，比如上海、深圳，其中青岛是我国风能密度最丰富的地区之一，它的稳定风向频率能达到百分之三十以上。

2  风力机发电系统

风速和风向是随机变化，所以在转换能量的时候较为麻烦。为了有效地转换风能，必须通过改变风速来保持最高的叶尖速比。因此，使用不超过10千伏的微型风力发电机和发电机的二次发电机和交流发电机的直流发电系统来存储电池的能量。而且，换向器和电刷的维护不适合风力发电机组的运行环境。因此，本微型风力发电系统中使用的主发电机为交流永磁发电机和无刷自励发电机，整流后输出直流电。转子采用永磁结构。由于不消耗励磁绕组和励磁功率，因此效率很高。永磁发电机转子结构有许多特殊形式。根据磁路结构的磁化方向，基本上可以分为径向型，但采用交流永磁发电机的微型风车是直接连接的。在这种低速交流永磁发电机中，定子铁心损耗和机械损耗相对较小，定子绕组铜损耗较大。为了提高发电机的效率，由于定子铜的消耗量大大降低，采用较大的绕组导体横截面电流密度实现低无刷爪极自励发电机是可能的。不同于普通同步电动机的定子铁心和电枢绕组与一般同步电动机基本相同同步电动机。由于爪极发电机的磁路系统是一个并联磁路结构，其中一对磁极的磁势来自一个共同的励磁绕组，励磁绕组所用材料小于普通同步发电机所需的励磁功率。当各自磁极的磁通密度和磁通密度相同时，爪极电机消耗的铜线和励磁功率小于普通同步电机的一半，效率高。无刷爪板电机和永磁电机均为无刷结构，基本上，由于除机械摩擦力矩外不需要维护摩擦，所以无刷爪板自励发电机基本上没有其他起动阻力矩。另一个优点是它具有良好的控制性能。通过调节励磁，可以很容易地控制输出特性，达到风力机最佳的芯片速比，获得最高的运行效率，这种发电机非常适合小千瓦级。

3  船舶利用风力发电的必要性

风力作为海上可移动建筑，其使用条件是独特的。风能的利用率比陆地上任何建筑物都要高。特别是，安装风力涡轮机来储存电力，不需要放置电池，而且由于所有船舶都是照明和启动的，船舶的原电池由硅整流器和柴油发电机充电来等待能量。然而，使用风力涡轮机将无法在任何时候手动管理存储池中丢失的电力，因此，运动频率不高，但使用时间较长。因此，在凸起处安装风电机组是最合适的安装方式。一般来说，风力发电具有风力发电的特殊性。风能和太阳能发电设施需要建在固定的船只和水上平台上。然而，风力发电系统并没有受到这样的限制。只要有足够的风力发电量就可以运行。有时风力发电会鼓励船舶转移力。研究了风能-太阳能混合发电系统在移动船舶上的应用。然而，它主要集中在风力发电的研究上。为了实现风力发电系统的自动化，需要对所有的时间测量进行检查，以便对所有的风力发电进行相应的控制。

4  风力发电系统及工作原理

风能转换系统是近年来发展迅速的发电技术之一，风力发电的原理是旋转风力机叶片使其旋转以满足恒定的初始发电速度。发电机提速后进入发电模式。显然，这艘船的发电系统是低发电量的。在业内更为流行的风力发電系统是风能转换系统。正常情况下，船舶的新能源系统由风力发电控制、光伏发电系统和太阳能发电系统组成。首先将电源输送至从耦合器箱连接的电池组和逆变器，其中一部分用于船上，其余的则保存在电池组中。电池的作用是储存太阳能电池板和风能的能量。发电机的多余电能总是连接到逆变器上以供船舶使用，达到了智能化、高效化的目的。逆变器的功能是将直流电转换成交流电。太阳能电池板和风力涡轮机到汇流箱的传输是直流电，而船舶的电力负荷则使用交流电。因此，逆变器必须将直流电转换为交流，并将直流电转换为直流电，然后将电气电压转换为工业标准电压。本文选用的风力发电机为变桨距风力机。采用变速定桨距控制作为风力发电机组的功率捕获侧。WECS的特点是调节风力涡轮机的速度。一般来说，WEC的作用是最大化风力涡轮机的功率。吹风扇叶片时，风速并不总是相同的，风向与风扇叶片前部相同，角度在0度到180度之间，风扇1的功率在一定范围内变化。随着风速在垂直方向上的增加，风机功率随着风向接近叶片而增加。

5  风能在船舶上的应用

5.1 风帆助航

中国最早使用风帆助航是以利用风能来作为主要的推进动力，但是由于风帆自身的局限性，使得大多数的船队在使用风帆前进时容易受到风向的问题，从而造成船舶前进的不稳定性，如果遇到恶劣的天气更是容易发生意外。并且风帆自身占用面积较大，船舶上携带的面积较小，所以到工业革命时期，风帆被柴油机代替了，标志着船舶由原来的风能转化成热能来推进船舶前进的动力，但是从目前出现的状况来看，柴油会让海洋的污染越来越严重，从而造成能源短缺，海洋污染等环境问题，所以风能在船舶上的应用十分有必要。

5.2 风力发电

目前，船舶风力发电的三种运行方式是：

5.2.1 独立运行模式  通常是在发电后的小型风力发电机让电能储存在电池中进行每天发电。虽然目前这种方法在沿海小型渔船上得到了广泛的应用，但目前还没有得到广泛的应用，但我国沿海地区的小型渔船数量众多，从经济和社会的角度来看，应用领域非常广泛。

5.2.2 风力发电与柴油机等其他发电方式相结合  发电所需的发电功率通过发电与光伏发电相结合的方式积累。目前，项目船舶采用“风光互补电源系统”技术，中交四航局、长江水务站等二级公司拥有利用光伏发电和风力发电系统进行互补发电和储能，再进行逆变器转换成风电系统。

5.2.3 风力发电并入传统电网，向船舶提供电力  所有船舶都可以安装风力发电站，集装箱船在甲板上包装集装箱，以选择合适的船型。一般来说，大型散货船有足够的空间安装风力发电厂。

5.3 风能致热

风能致热是通过风力发电来实现的。目前，利用风能加热的主要方法有液体搅拌混合加热、液压阻尼加热、固体摩擦加热、涡流加热等，每种方法都存在潜在的不利因素。目前对这些加热方式的研究较多。尽管这些方法的真正原理是一样的，受安装位置和容器上的一些差异的限制，液体搅拌加热或液体搅拌加热与液体阻尼加热相结合的方式更适合于考虑船舶的具体情况。通过在甲板上安装这样的装置，以便在日常浴室中加热。对于现有船舶或新船，具有良好的应用前景。在当今节能减排的大环境下，船舶风能利用提出了新的理念。

5.4 风能推广的前景

风能发电不需要燃料，消耗的能源较少，成本很低，也不会产生空气污染等问题，再加上风能较为丰富，所以我国的风能产业较为广阔，通过实际测试我们发现，风能是未来发展的一个重要趋势。

6  结论

风能是未来使用的重要战略资源之一，需要应用的范围较为广阔，是可持续发展的重要资源，它的应用能影响到资源整合和环境保护。

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