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挪威造船業歷史悠久。這里的工程師正在開發高能效、低噪音的船舶驅動技術,其安靜程度幾乎可以與潛水艇的驅動系統媲美。混合動力技術在這里扮演著重要角色。
維京人熱愛他們的船只。這些航海家曾劃著他們的“龍舟”一路航行到達北美洲。一千多年之后,作為維京人的家鄉之一,挪威依然是全球*的造船基地。時至今日,挪威造船業的營收仍高達每年80億歐元。來自斯堪的納維亞半島的船舶設計師技術高超,是包括西門子在內的許多企業的棟梁之才。Odd Moen便是這樣一位船舶設計師。Moen來自特隆赫姆,就職于西門子船舶業務部銷售部門,負責監管分布于世界各地的項目。他的目標始終如一:為任何浮在水面上的設施優化改裝驅動系統。
從鋪管船到科考船,許多海洋活動都受益于西門子安靜、高能效、高適應性的柴電驅動系統。
Moen所在的部門已經為200多艘船只配備了全套動力系,大大提高了船舶能效。他說:“我們為許多船只安裝了柴電推進系統。在這樣的系統中,船只的推進裝置或“螺旋槳”,是由通過柴油發電機供電的變頻電機來推動的。這種設計令螺旋槳的控制更加精確,從而節約燃油。”
許多船只都要求必須能在廣闊的洋面上精確移動,或保持在固定的位置上。譬如,在鉆井或維修安裝在海底的設備時。在這種情況下,驅動系統通常只需輸出最低功率,輕微轉動螺旋槳,以使船只保持原位。較之于速度更快的傳動系統,純柴油驅動系統的發動機輸出功率波動劇烈。因此,其發動機往往不能以效率運行。此外,這樣的船只也不能有效利用燃油。
Moen解釋道:“為了使船舶在海面上保持固定位置,或者以很慢的速度移動,所需的推進力量有時非常小,甚至不超過調節螺旋槳葉片斜度時所需的力量。推進器勻速轉動螺旋槳,故柴油發動機也能勻速運行。”如今,變頻器可以藉由電機直接控制推進器的旋轉速度。因此,推進器能夠以低得多的速度旋轉。
這種配置可以節約燃油,因為哪怕是低速運轉,電機也能保持高效運行。變頻器控制著電機和推進器的速度。根據所需推力,變頻器可以調節柴油發電機所輸出的交流電的頻率和振幅。
根據不同的船舶類型,柴電推進系統由4到6臺柴油發電機構成。船舶的動力需求決定需要工作的發電機臺數。這樣一來,由于只根據需要輸出功率,且與螺旋槳的旋轉速度沒有直接關聯, 所以,柴油發動機能高效運行。在推進系統荷載變化頻繁的船舶中,這種類型的混合動力系統所實現的節能,遠高于將柴油發動機產生的機械能轉換為電能所造成的效率損失。相比于純柴油動力船舶,采用柴電推進系統的船舶運行時更加安靜,燃油消耗量最多可減少三分之一。早在1996年,西門子就已開始使用這項技術。“Skandi Marstein號”是一艘鉆井平臺補給船,它是北海上行駛的*艘配備了柴電推進系統的船只。Moen表示:“對我們而言,這艘船樹立了一座豐碑。在為期三天的航行中,‘Skandi Marstein號’的能耗比柴油船低35%。”
鋪管船。多年來,柴電驅動技術原理變化不大。然而,通過使用組件,能源效仍然可以得到提升。Moen解釋道:“單個組件的復雜度越高,項目的復雜度也隨之增加。”從2016年開始,亦即“Skandi Marstein號”服役整整20年之后,將有4艘配備了柴電推進系統的鋪管船下水啟航——這是西門子挪威船舶業務部有史以來贏得的最大一筆合同。Moen表示:“盡管‘Skandi Marstein號’超前于它的時代,但它其實只是一輛能浮在水面上的卡車。它負責向鉆井平臺運送補給物資,并帶走垃圾。然而,這些新的鋪管船將不得不在更為極端的條件下作業。它們必須在深海中一動不動地固定在原位,為焊接、隔離和鋪設管道供應充足的電能。”這些船舶長達150米,其浮性足以承載重650噸的鋪管塔,堪稱真正的龐然大物,并且哪怕是在嚴酷的條件下,它們也必須保持在固定位置。每一艘船都配備了6臺柴油發動機,可以為6臺推進裝置及鋪管設備供應電能。不論何時,只有實際所需數量的柴油發動機在工作。這個策略,加上使用電機,將節約燃油,降低維護費用。展望未來,Moen認為,類似的傳動系統將在利用電池來抵消推進功率波動的混合動力汽車中大有可為。譬如,往返于丹麥與德國之間的“Prinsesse Benedikte號”渡輪采用的就是這種混合動力系統。這艘渡輪每次可運送300多輛汽車和1000多名乘客。這艘長140米的輪船采用了與鋪管船類似的推進系統。由功率為17440千瓦的柴油發動機提供動力,發電機輸出的電能在變頻器的幫助下推動電機。不過,西門子在這艘渡輪的傳動系統中集成了一個蓄電容量約為2900度的蓄電池。無論渡輪是在航行,還是停靠在碼頭,這個蓄電池都可以補償電機不斷變化的用電需求。因此,柴油發動機能夠以近乎的效率更加平穩地運行。加裝的蓄電池能為渡輪節約15%的燃油,同時幫助減輕柴油發動機的磨損。
對于航程較短并且到港停靠時間較長的船舶,采用全電動推進系統的做法是可行的。在這種系統中,將由蓄電池提供動力并在渡輪停靠碼頭期間為蓄電池充電。按計劃,*艘純電動渡輪將于2015年投入使用,屆時將橫穿挪威峽灣運送汽車和乘客。
相比于純柴油動力船舶,采用柴電推進系統的船舶可以節約三分之一的燃油。
許多其他類型的船舶也已經配備了西門子的驅動系統。譬如,科考船的受益之處在于它們要求特別安靜的驅動系統——幾乎與潛水艇的驅動系統一樣安靜。而就漁船而言,西門子的船舶設計師能夠將船上的儲存空間增加40%。由于柴油發動機不再直接連接推進裝置,因此允許以更靈活的方式安裝驅動系統。這樣就可以更高效地利用空間。
Moen說:“我們總是為每一艘船找到合適的解決方案。”然而,盡管在設計上有無窮無盡的可能性,他也坦承,為維京船提供解決方案,會是一個無比艱巨的挑戰。當然,維京船是高效、節油的,但在風平浪靜的時候,誰愿意來劃槳呢?