电力驱动船舶能效控制方法研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

从 19 世纪美国人戈贝尔点亮第一盏电灯到现在，电能在短时间内已经深入到人类生产生活的各个角落。一直以来，电网主要以煤、石油等化石燃料为能量来源进行发电，虽然才经历短短一个多世纪，但作为不可再生资源，化石燃料已被大量消耗，面临枯竭的危险，因此积极寻找替代能源成为了当务之急^[1]。另一方面，长时间地使用化石燃料排放了大量有害气体，造成了温室效应、环境污染等多种问题。在能源短缺和环境恶化的严峻形势下，全力推行可再生清洁能源产业、提高可再生能源比重是保证可持续发展最有效、最现实的途径。 在全球倡导“低碳节能”理念的影响下，各行各业都在推行新技术、新规定，以降低能耗、减少污染物排放。以石油为主要燃料的交通运输业每年消耗大量的能源并伴随着以co₂ 为主的温室气体的排放，给社会造成了巨大负担。国际能源机构（ international energy agency，iea）发布的 2005 年至 2008 年之间的数据显示^[2]， 全球超过20%的能源消耗是交通运输业贡献的；2008 年，美国《国家科学院学报》 月度报告发表的奥斯陆气候以及环境国际研究中心的工作报告同时指出^[3]，各类交通工具所排放的气体对全球变暖造成了巨大的影响。航运业作为交通运输业最主要的成员，自古就肩负着艰巨的贸易运输使命。相比于其它交通形式，船舶是最环保、最节能、性价比最高的交通形式，同时因其具有跨地区范围广、海洋环境难以监控等特点，一直以来船舶的碳排放问题都被人所忽略。但是国际海事组织（international maritime organization，imo）专家组的研究数据指出^[4-5]，2007 年，航运业每年的燃油消耗量高达3亿吨，排放 co₂ 约有11亿吨， 占全球总排放的3.3%；如果没有相应措施进行整改，这一比例还会持续增加，预计到 2050 年将上升至 18%。目前，国际社会已达成共识：采取一切可行措施降低船舶co₂排放。imo 于 1997 年在 marpol 公约缔约国会议中公布决定^[6-7]：与联合国气候变化框架公约（united nationsframework convention on climate change， unfccc）合作，研究船舶 co₂ 排放问题。imo 海洋环境保护委员会（maritime environment protection committee，mepc）在随后十多年里陆续召开的数次会议中进行严格地研究和讨论，终于在 2011 年召开的 mepc 第 62 次会议上通过了《新船能源效率设计指标》（energy efficiency design index，eedi）和《营运船的能源 效率管理计划》（ship energy efficiency management plan seemp），并将其纳入到marpol附则Ⅵ中强制实施。这意味着航运业的节能减排已经正式启动， 推行绿色船舶技术势在必行^[7-8]。

绿色船舶的关键技术之一就是使用新能源和可再生能源逐渐替代化石燃料， 为船舶提供动力。以地热能、太阳能、风能、生物质能和海洋能等为代表的新能源对比于常规化石能源具有洁净、可重复使用的特点。尤其是太阳能和风能发电，由于技术成熟，很多国家都在积极推动其大范围的应用，并已初具规模^[9]。太阳能遍及全球各地，就人类社会发展时长来说，其使用寿命可以说是无限长的，是非常理想的清洁能源。同时船舶宽大的构造为光伏阵列的架设提供了足够的空间。 所以太阳能发电很适合作为航运业寻找的替代能源进行推广使用，其高效清洁的特点一定能产生卓越的节能减排作用^[10]。但是以现在的电池技术，太阳能转换效率一般只能达到20%，效率相对较低，所产生功率有限，只能在小型船舶中作为主电源使用，在中大型船舶中，还是以柴油发电为主，太阳能作为重要的补充电源进行使用^[11]。所以，研究含太阳能的船舶系统是推进绿色船舶技术关键的一环。 传统船舶采用机械推进系统，其电力系统和动力系统是分离的，动力系统包括柴油机等热机、机械传动装置和螺旋桨等，是船舶的核心系统，电力系统则是作为辅助角色为日常生活生产供应所需能量^[12]。与传统机械推进船舶相比，全电驱船舶不需要柴油机直接提供前进动力，所以设计时不需要考虑柴油机位置和齿轮箱，所有设备由一个电力系统供电，便于统一调度管理，能极大地提高船舶的运行效率，船舶运行时，电机振动小，噪声小，大大改善了船舶上的生活环境。而随着电机技术和电磁技术的进一步发展，全电驱船舶的效率也将继续得以提高。所以，全电驱船舶将是未来船舶的发展趋势，同时也是将新能源引入船舶系统的最现实的途径，因此对全电驱船舶进行研究具有很重要的意义^[13-14]。

目前太阳能发电，铅酸电池储能，电力驱动广泛运用到电力驱动船舶，但存在太阳能不能实时时储存至铅酸电池，当铅酸电池电量达到95%时不能再继续储存来自太阳能的电量从而造成浪费；当电池的剩余电量已经低于最低工作状态船舶不能采取有效的措施减少用电量从而造成电池寿命的损害等两大问题。针对以上问题，设计一种电动驱动船舶能量控制方法显得尤为重要。

2. 研究的基本内容与方案

目前，太阳能发电，铅酸蓄电池储能和电力驱动在船舶上得到了广泛应用，但当太阳能转换来的电能储存至电池的过程中可能遇到电池电量已经饱和，从而导致电能不能及时储存造成资源的浪费，还可能遇到铅酸电池电量已经低于最低工作状态，此时船舶控制系统不能及时采取措施减少用电量从而造成电池的损伤。针对以上两个显著问题，设计和研究一种能效控制方法显得尤为重要。本论文将利用试验船舶测算太阳能获取情况，蓄电池储能情况和船舶航行能耗情况三者之间的关系，通过控制船舶的航速调节三者的状态，使系统达到最优的平衡稳定状态；利用matlab软件编译电能储存和电能利用的动态感知和利用的程序，建立船舶的能效控制方法，减少能量的浪费，提高电力驱动船舶的经济性。

1)对一艘等比例缩小的全电驱船舶进行了详细分析，根据船舶设备数据，基于统计思想求得负荷概率分布函数，同时基于气象站观测数据求得太阳辐射强度概率分布函数。根据得到的概率分布函数，利用抽样方法产生大量的随机场景。

3. 研究计划与安排

第1~3周 查阅文献；分析题目研究现状，学习基本理论

第4周 阅读文献、撰写开题报告、英文文献的翻译

第5~7周 学习matlab的运用；并结合实际案例

4. 参考文献（12篇以上）

[1]桂永胜,谢坤.电动船舶能量流通分析与管理技术研究[j].船电技术,2016,36(11):57-61.

[2]侍中南. 中小型玻璃钢电动船动力系统设计研究[d].浙江海洋大学,2019

[3]夏琦,王奎,韩志强,田维.能量管理系统在混合动力船舶的应用和前景分析[j].中国科技论文,2017,12(22):2637-2640..