JP2013043485A

JP2013043485A - 電気推進船

Info

Publication number: JP2013043485A
Application number: JP2011180931A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Suzuki; 達也鈴木; Hitoshi Ito; 整伊藤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Nishishiba Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Nishishiba Electric Co Ltd
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-03-04
Anticipated expiration: 2031-08-22
Also published as: JP5767059B2

Abstract

【課題】
電気推進船において、機関室に設置する機器を小型化し、航行の際の燃費効率を向上した電気推進船を、低コストで提供する。
【解決手段】
推進用プロペラ３を駆動する推進用電動機２と、発電機４を有する電気推進船１において、電気推進船１が、複数の発電機４と、推進用電動機２と発電機４を接続する低周波数回路５と、低周波数回路５に周波数及び電圧変換器７を介して接続した通常回路６を有し、発電機４で発電する交流電流の周波数が、５０Ｈｚより小さくなるように制御する構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機で発電した電気を電動機に供給し、船舶を推進させる電気推進式の船舶に関するものである。

従来、ばら積み船やタンカー等の貨物船は、大型ディーゼルエンジン（主機）で、推進用プロペラを回し、航行している。この大型貨物船は、例えば１台の主機と、３台の補助発電機（内１台はバックアップ用）を有している。この補助発電機は、中型の中速ディーゼルエンジンと発電機を組み合わせて構成している。

図３に、この船舶の概略図を示す。船舶２０は、大型の低速ディーゼルエンジン（主機）２１と、推進用プロペラ（以下、プロペラという）３Ｘと、３台の補助発電機２２を有している。この補助発電機２２は、船舶内で使用する機器（以下、船内負荷１０という）と接続するための通常回路２３を有している。ここで、主機２１は、出力が１万ｋｗで８．６×３．２×６．５ｍの大きさとなり、補助発電機２２は、出力が４００ｋｗで２．５×１．５×４．５ｍの大きさとなる。なお、この主機２１及び補助発電機２２の出力及び大きさ等は、船舶２０の規模により異なる。

次に、この船舶２０の動作について説明する。船舶２０は、主機２１の回転数の制御（約１００ｒｐｍ程度）により、航行速度を制御している。補助発電機２２は、５００〜１５００ｒｐｍ程度のいわゆる中速に回転数を固定し、発電を行う。この補助発電機２２が発電した電気は、電圧が４４０Ｖで、周波数が６０Ｈｚ（又は５０Ｈｚ）の交流電気である。この電気は、通常回路２３を介して、船舶内に送られ、例えば航海機器、各種ポンプ、各種照明、及び船室の住設備等（船内負荷１０）の電源として使用される。なお、補助発電機２２は、通常１台又は２台で運転し、１台はバックアップ用となっている。つまり、補助発電機２２の最大発電量は、８００ｋｗ（２台運転時）となっている。

ここで、低速ディーゼルエンジン及び中速ディーゼルエンジンの定義は、以下のようになる。３Ｓ級舶用機関整備士指導書では、低速が５００ｒｐｍ以下であり、中速が５００ｒｐｍより大きく１５００ｒｐｍ未満と定義されている。また、日本船主協会では、低速が３００ｒｐｍ以下であり、中速が３００ｒｐｍより大きく、１０００ｒｐｍ未満と定義している。

他方で、船舶が、主機の代わりに電動機（モータ）を有し、このモータで推進プロペラを回転するように構成した電気推進式の船舶が提案されている（例えば特許文献１参照）。図４に、電気推進式の船舶（以下、電気推進船１Ｘという）の１例の概略図を示す。電気推進船１Ｘは、主機の代わりのモータ２Ｘと、このモータ２Ｘに電力を供給する可変速の中速エンジン２４と発電機を組み合わせて構成している。また、船内負荷１０に電力を供給する例えば３台の補助発電機２２と、通常回路２３を有している。

次に、この電気推進船１Ｘの動作について説明する。電気推進船１Ｘは、可変速の中速エンジン２４の回転数の制御により、航行速度を制御している。また、船内負荷１０に供給する通常電力（電圧４４０Ｖ、周波数６０Ｈｚ）は、補助発電機２２で発電する。これは、可変速の中速エンジン２４で発電する電気は、電圧及び周波数が変化し、船内負荷１０に供給する通常電力としては使用できないためである。また、上記の電気推進船１Ｘは、発電した電気の周波数等を変換するインバータを有さないためである。

上記の構成により、電気推進船１Ｘは、従来のディーゼルエンジン（主機）を搭載した船舶２０に比べ、船倉の大型化を実現することができる。

しかしながら、上記の電気推進船１Ｘは、以下の問題点を有している。第１に、可変速の中速エンジン２４による発電は、燃費効率が悪いという問題を有している。この可変速の中速エンジン２４は、一般的に低速エンジンより燃料効率が悪く、且つ加速及び減速の制御を繰り返すため、燃費効率が低下してしまう。一般的に、ディーゼル発電機は、可能な限り特定の速度で運転する方が燃費効率を向上することができる。

第２に、十分な船倉の大型化を実現することができないという問題を有している。これは、主機の代わりに、同等の出力（例えば１万ｋｗ）を有する可変速の中速エンジン２４と、モータ２Ｘを設置するため、これらの機器の容積を十分に小さくすることができない。

第３に、可変速の中速エンジン２４による発電は、エンジン２４及び付随設備のコストが高いという問題を有している。これは、まず、可変速の中速エンジン２４自体のコストが高いからである。また、可変速の中速エンジン２４に加えて、可変速の中速エンジン２４を、機関室及び船橋等から制御するための制御システムのコストが高いからである。

特開２０１０−２４１１９４号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、電気推進船において、機関室内の容積効率を向上し、且つ、航行の際の燃費効率を向上した電気推進船を、低コストで提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る電気推進船は、推進用プロペラを駆動する推進用電動機と、発電機を有する電気推進船において、前記電気推進船が、複数の発電機と、前記推進用電動機と前記発電機を接続する低周波数回路と、前記低周波数回路に周波数及び電圧変換器を介して接続した通常回路を有し、前記発電機で発電する交流電流の周波数が、５０Ｈｚより小さくなるように制御する構成を有することを特徴とする。

この構成により、電気推進の燃費効率を向上することができる。これは、発電機の回転数を低速（５０ｒｐｍ〜２５０ｒｐｍ）で、且つ一定速度とすることができるためである。また、機関室内の容積効率を向上することができる。これは、大型の低速ディーゼルエンジンの代わりに、複数の発電機を設置する構成により、機関室内の機器の設置位置の自由度が向上したためである。なお、発電する電気の周波数を５０Ｈｚよりも小さくしたため、発電機を大型化することなく、発電機の回転数を下げることができる。

上記の電気推進船において、前記電気推進船が、前記通常回路に接続した船内負荷を有しており、前記通常回路を流れる電気の電圧が４４０Ｖであり、電気の周波数が６０Ｈｚ又は５０Ｈｚであることを特徴とする。この構成により、船内負荷用の発電機を別途、設置する必要がないため、発電機を１種類とすることができる。

上記の電気推進船において、前記発電機が発電する交流電流の周波数が、１０Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下であることを特徴とする。この構成により、発電機の燃費効率を更に向上す
ることができる。

上記の電気推進船において、前記電気推進船が、前記低周波数回路及び前記通常回路の間に、前記周波数及び電圧変換器を介して接続した二次電池を有していることを特徴とする。この構成により、電気推進船に設置する発電機の容積及び重量を抑制することができる。これは、推進用電動機及び船内負荷に必要となる電力量が増加した場合、二次電池からも電力を供給することができるためである。

本発明に係る電気推進船によれば、電気推進船において、機関室内の容積効率を向上し、且つ、航行の際の燃費効率を向上した電気推進船を、低コストで提供することができる。

本発明に係る実施の形態の電気推進船の概略を示した図である。本発明に係る異なる実施の形態の電気推進船の概略を示した図である。従来の主機を有する船舶の概略を示した図である。従来の電気推進船の概略を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の電気推進船１について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の電気推進船１の概略を示す。電気推進船１は、推進用プロペラ（プロペラ）３を駆動する推進用電動機（以下、モータという）２と、複数の発電機４と、モータ２と発電機４を接続する低周波数回路５（実線で示す）を有している。また、電気推進船１は、低周波数回路５に接続した周波数及び電圧変換器７と、この周波数及び電圧変換器７と船内負荷１０を接続する通常回路６（破線で示す）を有している。ここで、発電機４は、１台あたりの出力を例えば２８００ｋｗとすると、４．５×２．０×６．０ｍの大きさとなる。また、モータ２は、誘導電動機又は交流モータ等で構成することができる。

なお、周波数及び電圧変換器７は、インバータ、パワーコンディショナー、トランス及びこれらの組み合わせ等で構成することができる。ここで、インバータとは、交流から直流を介して再び交流に変換し、周波数と電圧を調整することができる機器を示す。また、パワーコンディショナーとは、インバータなどの電子的な電力変換機器類と制御、保護系を一体構造のユニットとしたものを示す。更に、トランスとは、電圧を変化させる変圧器を示す。

次に、この電気推進船１の動作について説明する。電気推進船１は、航行する際、複数の発電機４で発電を行う。この発電機４は、回転数を１００〜２５０ｒｐｍ程度の低い回転数で、回転数が一定となるように制御している。また、この発電機４は、例えば電圧が６６００Ｖ、周波数が３０Ｈｚの交流電流を発電する。ここで、周波数は、５０Ｈｚよりも小さい値、具体的には１０〜４５Ｈｚ、望ましくは２０Ｈｚ〜４０Ｈｚ、更に望ましくは２５Ｈｚ〜３５Ｈｚとなるように、発電機４の回転数及び大きさを決定する。この交流電流は、低周波数回路５を流れ、周波数制御装置（例えばインバータ）８を介して、モータ２に供給される（最大で約１万ｋｗ）。この周波数制御装置８で、モータ２の回転数を制御し、電気推進船１の航行速度を制御する。

また、この交流電流の一部（約２００ｋｗ程度）は、周波数及び電圧変換器７、及び通常回路６を介して、船内負荷１０に供給される。ここで、通常回路６を流れる電流は、電圧が４４０Ｖ、周波数が６０Ｈｚ（又は５０Ｈｚ）としている。

つまり、発電機４で発電する電気の周波数を、電力使用量の多いモータ２に合わせ、使用量の少ない船内負荷１０側に、周波数及び電圧変換器７で調整した電気を供給するように構成した。そのため、発電機４の低回転化（例えば２５０ｒｐｍ以下）、及び小型化を実現することができる。

なお、周波数制御装置８は、インバータ、パワーコンディショナー、トランス及びこれらの組み合わせ等で構成することができる。また、電気推進船１が、低速で航行する場合は、複数のディーゼル発電機４の内、いくつかを停止することもある。更に、発電機４で発電する交流電気の周波数に関しては、周波数を小さく設定するほど、より小さいディーゼル発電機を使用することができる。他方で、周波数が小さすぎると、発電機の発電効率が低下してしまう。この両者のバランスで、上記の周波数及び発電機の大きさを決定することが望ましい。

上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、電気推進船１の燃費効率を向上することができる。これは、発電機４の回転数を低速（１００ｒｐｍ〜２５０ｒｐｍ）で、且つ一定速度とし、熱効率を向上することができるためである。

第２に、機関室内の容積効率を向上することができる。具体的には、最大の大きさを有する発電機４の容積が５４ｍ^３程度であるため、設置箇所を比較的自由に決定することができる。従来は１８０ｍ^３程度の中速エンジン（主機に相当）を設置する必要があり、この設置位置は、限定されていた。なお、ディーゼル発電機の回転数を低速とし、周波数が６０Ｈｚの電気を発電しようとすると、発電機の軸芯の直径が大型となり、発電機が大型となってしまう。

第３に、電気推進船１を低コストで導入することができる。これは、発電機４の回転数が一定速度となるように構成しており、回転数を制御する制御システム等の設置が不要となるためである。また、発電機４の回転数が低速回転であるため、必要となるメンテナンス頻度を著しく低下することができる。

更に、１種類の発電機４で、モータ２及び船内負荷１０に電力を供給することができるため、乗組員は、１種類の発電機のメンテナンス作業を習得すればよく、負担が軽減される。また、電気推進船１に搭載する補修用の部品の数を、抑制することができる。

第４に、機関室内の床にかかる単位面積当たりの最大荷重を低減することができる。つまり、５４ｍ^３程度の発電機を分散して設置することができるため、電気推進船１に必要となる補強部材等の量が低減し、電気推進船１の建造コストを抑制することができる。なお、従来は１８０ｍ^３程度の中速エンジンを支持する床には、集中的に補強部材を設置する必要があった。

図２に、本発明に係る異なる実施の形態の電気推進船１ａを示す。電気推進船１ａは、二重反転プロペラ３ａを駆動する２つの推進用電動機（モータ）２ａと、複数の発電機４ａと、モータ２ａと発電機４ａを接続する低周波数回路５ａ（実線で示す）を有している。また、電気推進船１ａは、低周波数回路５ａに接続した周波数及び電圧変換器（例えば、パワーコンディショナー７ａ等）と、このパワーコンディショナー７ａに直流回路９（一点鎖線で示す）を介して接続した二次電池１１を有している。更に、電気推進船１ａは、直流回路９に接続したもう１つのパワーコンディショナー７ａと、パワーコンディショナー７ａに通常回路６を介して接続した船内負荷１０を有している。ここで、発電機４ａは、１台あたりの出力を例えば２０００ｋｗとすると、４３ｍ^３程度の大きさとなる。

次に、この電気推進船１ａの動作について説明する。まず、発電機４ａを、１００〜２５０ｒｐｍ程度の低速の回転数で、回転数が一定となるように制御し、発電を行う。この発電機４ａは、例えば、電圧が６６００Ｖ、周波数が２５Ｈｚの交流電流を発電する。この交流電流は、低周波数回路５ａを流れ、周波数制御装置（例えばインバータ等）８ａを介して、モータ２ａにそれぞれ供給される。この周波数制御装置８で、モータ２の回転数を制御し、電気推進船１ａの航行速度を制御する。

また、この交流電流の一部は、パワーコンディショナー７ａ及び直流回路９を介して、二次電池１１に蓄電される。又は、交流電流の一部は、２つのパワーコンディショナー７ａ、直流回路９及び通常回路６を経由して、船内負荷１０に供給される。更に、この二次電池１１は、負荷に応じて、モータ２ａ及び船内負荷１０に電気を供給する。

上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、例えば２０００ｋｗの発電機４ａを複数台設置する構成により、機関室内の容積効率を向上することができる。従来は、大型の発電機（出力が１万ｋｗレベル）を設置していたため、機関室内における設置場所は限られていた。これに対して、上記の電気推進船１ａは、中型の発電機４ａ（出力が例えば２０００ｋｗレベル）を複数台設置する構成により、設置場所の自由度が向上する。また、発電機１台あたりの重量が低減されるため、船体に必要となる補強部材の使用量を抑制することができる。その結果、船舶の建造コストを低減することができ、更に工期を短縮することができる。

第２に、二次電池１１を設置する構成により、電気推進船１ａに設置すべき発電機４ａの出力合計を抑制することができる。これは、モータ２ａ及び船内負荷１０に必要となる電力量が増加した場合、二次電池１１からも電力を供給することができるためである。

なお、前述の発電機の大きさ、出力等は、載貨重量トン数が５６０００トン程度の貨物船を想定しているが、本発明は上記の実施例に限られない。電気推進船の規模に応じて、発電機の最大出力、発電する電気の電圧を任意に決定することができる。

１、１ａ電気推進船
２、２ａ推進用電動機（モータ）
３、３ａ推進用プロペラ
４、４ａ発電機
５、５ａ低周波数回路
６通常回路
７、７ａ周波数及び電圧変換器
９直流回路
１０船内負荷
１１二次電池

Claims

推進用プロペラを駆動する推進用電動機と、発電機を有する電気推進船において、
前記電気推進船が、複数の発電機と、前記推進用電動機と前記発電機を接続する低周波数回路と、前記低周波数回路に周波数及び電圧変換器を介して接続した通常回路を有し、
前記発電機で発電する交流電流の周波数が、５０Ｈｚより小さくなるように制御する構成を有することを特徴とする電気推進船。
前記電気推進船が、前記通常回路に接続した船内負荷を有しており、
前記通常回路を流れる電気の電圧が４４０Ｖであり、電気の周波数が６０Ｈｚ又は５０Ｈｚであることを特徴とする請求項１に記載の電気推進船。
前記発電機が発電する交流電流の周波数が、１０Ｈｚ以上４５Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気推進船。
前記電気推進船が、前記低周波数回路及び前記通常回路の間に、前記周波数及び電圧変換器を介して接続した二次電池を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気推進船。