陳 剛 張思全（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

摘要：分析了船舶電力推進系統(tǒng)所面臨的難題，針對這些難題引入了儲能元件。分別介紹了兩種典型的能量儲存技術(shù)即超級電容技術(shù)和鋰電池技術(shù)，對這兩種技術(shù)的基本原理和各自的優(yōu)缺點進行了歸納，給出了應(yīng)用與實際船舶的實例。結(jié)果表明混合儲能技術(shù)的使用不僅可以平抑船舶電網(wǎng)功率波動，還可以節(jié)省燃油減少有害氣體的排放。

在多數(shù)情況下，船舶電力推進系統(tǒng)都是內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機組為系統(tǒng)供電。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，負載是變化的，當(dāng)負載偏離最佳負荷點時，燃油就會得不到充分燃燒，燃油的利用率隨之大幅度下降，同時會產(chǎn)生大量的氮氧化物和硫氧化物，對環(huán)境造成污染。能量存儲技術(shù)是解決這一問題的辦法之一。

利用儲能單元在系統(tǒng)輕載時將多余的能量儲存起來，來防止該能量對電網(wǎng)的沖擊。在系統(tǒng)過載時，儲能單元釋放能量來滿足負載的需求。能量存儲技術(shù)已經(jīng)很好的應(yīng)用于電動汽車行業(yè)。而大容量能量存儲技術(shù)的發(fā)展，使得儲能單元應(yīng)用于船舶電力推進系統(tǒng)成為可能，利用儲能單元來克服功率波動對船舶電力推進系統(tǒng)的影響將是未來船舶推進技術(shù)發(fā)展的新方向。

1超級電容器技術(shù)

1．1超級電容器的結(jié)構(gòu)

超級電容有時也被稱為電雙層電容器，或雙層電容器，是一種擁有高能量密度的電化學(xué)電容器，一個標準電池大小的電解電容為幾十微法拉，但同樣大小的超級電容器則可以達到幾法拉，差別可達五個數(shù)量級。電容通過電容效應(yīng)存儲能量，它的容量和電極的表面積以及電解質(zhì)的介電常數(shù)成正比，和電極之間的距離成反比。超級電容使用高介電常數(shù)電解質(zhì)，它的電極采用多孔活性炭材料可以大大增加其表面積，這是超級電容能儲存巨大能量的主要原因。通常情況下，兩個電極由中間一塊多孔活性炭薄膜隔開，兩邊是水或者有機電解液。圖1展示了雙層電容以及普通電容的結(jié)構(gòu)原理。

1．2超級電容器的優(yōu)缺點

超級電容的優(yōu)點：

1）高電流容量。超級電容設(shè)計時搭配一個很低的等效串聯(lián) 電阻，因此電容能夠發(fā)送以及吸收很高的電流。超級電容的低等效串聯(lián)電阻能夠使電容迅速充電，電容本身的特點允許電容以同樣的速度充放電，這是電池做不到的。

2）使用壽命長。超級電容的能量存儲機制是高度可逆的過 程，這個過程只移動電荷和離子，而不會制造或破壞化學(xué)鍵，因此充放電循環(huán)次數(shù)可以達到數(shù)十萬次。小循環(huán)充放電和深度循環(huán)充放電都不會損害超級電容的性能，使得超級電容的使用較為靈活。此外，超級電容容易存儲，長時間放置不會對其性能造成影響。

3）溫度范圍廣。由于超級電容無需借助化學(xué)反應(yīng)就可以工作，因此能在極大的溫度范圍內(nèi)運作。超級電容能在－40℃～＋65℃內(nèi) 正常工作。

4）環(huán)境友好。超級電容使用的材料都是無環(huán)境污染的，在工 作過程中也不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

5）維護保養(yǎng)容易。超級電容基本上不需要保養(yǎng)，沒有存儲效 能，不存在放電過量的情況，能夠在任何額定電壓或低于額定電壓的情況下工作。

6）狀態(tài)監(jiān)控容易。由于在電容內(nèi)儲存能量只是電容和電壓 的功能，而且電容相對恒定，因此單程開放電路電壓測量就可以確定荷電狀態(tài)。

7）延長其他能源的使用壽命。像電池、專業(yè)發(fā)動機以及燃料 電池這類能源在瞬態(tài)情況下表現(xiàn)不是很好。對一些元件來說，瞬態(tài)過程會極大縮短元件的使用壽命。結(jié)合超級電容和這些能源的使用，可從主要的能源中空載很多此類瞬態(tài)值。

超級電容的缺點：

1）能量密度低。超級電容的能量密度為1～10Wh／kg，為鋰電池的1／10。

2）端電壓變化較大。超級電容的端電壓在充放電過程中不 斷變化，因此需要在儲能元件和負荷之間安裝調(diào)壓裝置才能保 持負荷側(cè)電壓穩(wěn)定，這使得儲能系統(tǒng)的成本增加。

3）價格昂貴，超級電容單體的價格為鋰電池的數(shù)十倍。

2鋰電池技術(shù)

2．1鋰電池的結(jié)構(gòu)

鋰電池是一種可充電電池，它主要依靠Li＋離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li＋在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li＋從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。其原理圖如圖2所示。

2．2鋰電池的優(yōu)缺點分析

鋰電池的優(yōu)點：

1）高能量密度。其體積能量密度和質(zhì)量能密度分別可達450Wh／dm^3和150Wh／kg，而且還在不斷提高中。

2）單體電壓高，約為3．6V，充滿電壓時的電壓一般為4．2V，終止放電電壓不低于2．5V。

3）自放電率小，每月5％～10％，不到鎳鎘電池和鎳氫電池 的一半，且沒有記憶效應(yīng)，循環(huán)性能優(yōu)越。

4）輸出功率大。

5）工作溫度范圍寬。可在－20℃～60℃之間正常工作。

鋰電池的缺點：

1）成本高。主要是正極材料LiCoO2的價格高。隨著正極材料技術(shù)的不斷發(fā)展，可以采用LiMn2O4、LiFePO4等為正極，從而 有望大大降低鋰電池的成本。

2）必須有特殊的保護電路，以防止過充或過放。

3）與普通電池的相容性差，因為一般要用3節(jié)普通電池（3．6V） 的情況下才能用鋰離子電池進行替代。

3儲能系統(tǒng)的典型應(yīng)用

對于船舶電力推進系統(tǒng)而言，如何減少燃油消耗、系統(tǒng)維護 成本、有害氣體排放和增加整船的穩(wěn)定性和可靠性一直是研究人員研究的重點。這當(dāng)中Corvus公司技術(shù)領(lǐng)先其他公司，并開發(fā)出了廣泛應(yīng)用的AT6500儲能系統(tǒng)。圖3給出了該儲能系統(tǒng)應(yīng)用于近海支援船的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中儲能單元公用直流母線，直流母線通過DC／AC變換環(huán)節(jié)與交流母線相聯(lián)接，完成能量的傳輸。整個儲能系統(tǒng)由多個AT6500模塊組成即鋰電池組，能夠持續(xù)提供大功率輸出，為船舶系統(tǒng)集成和設(shè)計提供一個更好的選擇從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少不必要的開支。

4結(jié)束語

雖然目前儲能單元的價格不菲，但是儲能單元可以平抑船 舶電網(wǎng)功率波動提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，能夠提高燃油利用率，節(jié)省燃油，減少有害氣體排放。無論從經(jīng)濟角度還是環(huán)境角度都大有裨益。此外，隨著大容量鋰電池與超級電容器技術(shù)的發(fā)展，儲能裝置的價格必然會下降。儲能單元在船舶電力推進系統(tǒng)中應(yīng)用的前景值得期待。