JP2018095106A - 船舶用ハイブリッド推進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】規制海域において、排気ガスを低減可能な運転モードに自動的に切り替えられる船舶用ハイブリッド推進装置を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１で駆動され、交流母線に給電するディーゼル発電機２と、交流母線の電圧を直流に変換して直流母線に給電する主コンバータ３と、直流母線の電圧を交流に変換して交流電動機５を駆動する主インバータ４と、交流電動機５に接続されたプロペラ７と、直流母線に給電する燃料電池４１と、直流母線から交流母線へ電力変換するインバータ２２と、交流母線に接続された船内負荷３１と、船内の電力を監視・調整するための電力調整装置８０と、位置情報取得手段９０とで構成する。電力調整装置８０は、船舶が公海を航行中は、ディーゼル発電機２で船内電力を賄うモードで運転し、位置情報取得手段９０の位置情報が予め設定された排ガス規制位置を横切ったとき、燃料電池４１で船内電力を賄うモードで運転する。【選択図】図１

Description

本発明は、船舶用ハイブリッド推進装置に関し、特に主にディーゼルエンジンなどの原動機で発電機を作動させることにより生じる電力を用いることによって、電動機を介し船舶の推進のためのプロペラを作動させるようにした、船舶用ハイブリッド推進装置に関する。

現在、地球温暖化問題から環境負荷低減が求められている。そこで、船舶の分野でも、船内における機関配置の自由度や可制御性の特性から電気推進装置が注目されている。そして、従来の舶用電気推進装置は、発電用原動機，発電機および推進用電動機で構成されている。近年、港湾付近での排気ガス規制が厳しくなり、船舶の入港時から接岸時の間、原動機を効率良い領域で運転することによって燃料の消費を抑え、排気ガスを低減する技術が提案されている （例えば特許文献１参照。）。

特開２０１０−１１６０７１号公報（全体）

特許文献１に示された手法は港湾内の接岸時に若干の効率化を計って排気ガスを低減する手法である。しかしながら、最近の傾向として、港湾内だけではなく、沿岸部においても排気ガス規制が行われ、しかもその規制量が従来に比べ大幅に厳しくなる状況にあり、原理的な対策が求められている状況にある。本発明は上記に鑑み為されたもので、規制海域において、従来に増して大幅に排気ガスを低減可能な運転モードに自動的に切り替えられるようにした船舶用ハイブリッド推進装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の船舶用ハイブリッド推進装置は、ディーゼルエンジンで駆動され、交流母線に交流電力を供給するディーゼル発電機と、前記交流母線の交流電圧を直流電圧に変換して直流母線に給電する主コンバータと、前記直流母線の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する主インバータと、前記交流電動機の出力軸に接続されたプロペラと、前記直流母線に直流電力を供給する燃料電池と、前記直流母線から前記交流母線へ電力変換するインバータと、前記交流母線に接続された船内負荷と
船内の各部の電力を監視し、状況に応じて船内の電力を調整するための電力調整装置と、
船舶の地球上の現在位置を検知する位置情報取得手段とを具備し、前記電力調整装置は、
船舶が沖合を航行中は、前記ディーゼル発電機の出力で船内電力を賄う第１の運転モードで運転し、前記位置情報取得手段で検出された位置情報が予め設定された排ガス規制位置を横切ったとき、前記燃料電池の出力で船内電力を賄う第２の運転モードで運転することを特徴としている。

この発明によれば、規制海域において、従来に増して大幅に排気ガスを低減可能な運転モードに自動的に切り替えられるようにした船舶用ハイブリッド推進装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施例に係る船舶用ハイブリッド推進装置のシステム構成図。 位置情報信号による運転モードの切替え動作のフローチャート。 運転モードＡにおける電力調整制御装置の基本動作のフローチャート。 運転モードＢにおける電力調整制御装置の基本動作のフローチャート。

以下、図１乃至図４を参照して本発明に係る船舶用ハイブリッド推進装置の一実施例について説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る船舶用ハイブリッド推進装置のシステム構成図である。

ディーゼルエンジン１はディーゼル発電機２を一定速度で駆動し、ディーゼル発電機２は商用周波数の電圧（例えば４００Ｖ−６０Ｈｚ）をＡＣ母線に給電している。ＡＣ母線の交流電圧は主コンバータ３によって直流に変換してＤＣ母線に給電され、この直流電圧を主インバータ４で交流に変換して交流電動機５を駆動している。交流電動機５の出力軸には軸発電機６及びプロペラ７が機械的に取り付けられており、プロペラ７によって船舶の推進力を得ている。交流電動機５には速度検出器８が取り付けられ、速度検出器８によって速度帰還信号がドライブ制御器７０に与えられている。通常ドライブ制御器７０には電流制御用に交流電動機５の入力電流信号が与えられるが、ここではその図示を省略している。

軸発電機６で発電された交流電圧は整流器２１に与えられ、インバータ２２を介してインバータ２２の出力がＡＣ母線に給電され、その結果船内負荷３１に給電可能となっている。船内負荷３１はＡＣ母線から給電されているので、ディーゼル発電機２からも給電可能である。ディーゼル発電機２の性能にもよるが、ディーゼル発電機２の出力の電圧変動、周波数変動が大きい場合は、インバータ２２の出力を船内負荷３１に与えることが好ましい。

ＤＣ母線には燃料電池４１の出力が接続されており、同様に新エネルギー発電装置５１の出力も接続されている。また、ＤＣ母線には蓄電装置６１が接続され、直流電力の充電または放電が可能な構成となっている。

ディーゼル発電機２の出力は電力検出器１１によって検出され、その検出電力Ｐ１は電力調整制御装置８０に与えられている。同様に、燃料電池４１の出力、新エネルギー発電装置５１の出力、蓄電装置６１の放電出力は夫々電力検出器４２、５２、６２によって検出され、夫々の検出電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は何れも電力調整制御装置８０に与えられている。主インバータ４の入力電力は電力検出器１２で検出され、その検出電力Ｌ１は電力調整制御装置８０に与えられている。同様に、船内負荷３１の入力、整流器２１の出力、インバータ２２の出力は夫々電力検出器１２、２３、２４によって検出され、夫々の検出電力Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は何れも電力調整制御装置８０に与えられている。

電力調整制御装置８０には位置情報取得機器９０からの位置情報信号が与えられている。位置情報取得機器９０は、通常は米国の測位衛星を利用して地球上の位置を測定するＧＰＳ(Global Positioning System)が用いられる。

以下、図２のフローチャートを参照して、位置情報取得機器９０の位置情報信号による運転モードの切替えについて説明する。

電力調整制御装置８０は、まず設定された排出ガス規制位置を読み込む（ＳＴ１）。この排出ガス規制位置は、例えば米国の場合、沿岸２００海里のラインとなる。この現実的な設定方法としては、規制ライン上の点を飛び飛びに設定し、これらの点を直線補間するなどして行えば良い。次に位置情報取得機器９０の位置情報信号を読み込む（ＳＴ２）。そして、現在位置が上記ラインより沿岸側かどうか、すなわち規制エリア内かどうかを判定する（ＳＴ３）。そして、規制エリア内でなければ、運転モードＡで運転し（ＳＴ４）、規制エリア内であれば、運転モードＢで運転する（ＳＴ５）。尚、実際には、エリア境界域でのチャタリングを避けるため、例えば、エリア境界から所定の距離以内になったとき、運転モードＡで運転中であれば、運転モードＢに切替え、運転モードＢで運転していれば運転モードＡに切替え、一旦運転切替を行ったら、所定期間は運転切替を行わないようにする等の処理を付加することが好ましい。このようにすれば、後述するように、船舶が沖合乃至公海を航行中は、ディーゼル発電機１の出力で船内電力を賄う運転モードＡで運転し、位置情報取得機器９０で検出された位置情報が予め設定された排ガス規制位置を横切ったとき、燃料電池２０の出力で船内電力を賄う運転モードＢで運転することができる。沿岸部から沖合に船舶が航行するときは当然ながらこの逆となり、排ガス規制位置近辺において運転モードＢから運転モードＡに切替えることになる。

図３に運転モードＡにおける電力調整制御装置８０の基本動作のフローチャートを示す。

運転モードＡは、基本的にディーゼル発電機２からの電力をエネルギー源とする運転モードである。そして、新エネルギー発電装置５１は太陽光発電や風力発電の再生可能エネルギーを供給するが、この発電電力Ｐ３は常にＤＣ母線に給電されるようにその出力を制御する。従って、ディーゼル発電機２の出力Ｐ１は発電電力Ｐ３では不足する船内電力の供給を行う。

電力調整制御装置８０は、まずエネルギー源に余裕があるかチェックする（ＳＴ４１）。ここでエネルギー源の余裕とは、ディーゼル発電機２の出力Ｐ１と最大定格出力ＰＤ０との差であり、この差分の最大定格出力の比率を示す余裕率が、所定の閾値、例えば３％以上あれば余力あり（ＹＥＳ）、３％未満であれば余力なし（ＮＯ）と判定する。そしてＮＯの場合は、蓄電装置６１を放電モードで所定の電力Ｐ４を供給するように運転する（ＳＴ４２）。このステップＳＴ４２では、ステップＳＴ４１の判定がＹＥＳとなるまでＰ４を増大させるようなフィードバックループを組むようにしても良いが、ここではＰ４は蓄電装置６１が所定の時間供給可能な最大電力とする。そしてこの状態で更にエネルギー源に余裕があるかどうかを判定し（ＳＴ４３）、余裕がある（ＹＥＳ）の場合はループを抜け、余裕がない（ＮＯの）場合はドライブ制御器７０に対して所定時間のトルク制限指令を出力する（ＳＴ４４）。

一方、ステップＳＴ４１において、ＹＥＳの場合は、蓄電装置６１が放電モードとなっている場合はこれを解除し（ＳＴ４２Ａ）、そうでない場合はそのままループを抜ける。尚、ステップ４２で説明したように、ステップ４２Ａにおいても、突然放電モードを解除するのではなく、ステップ４１の判定において、所定の余裕率となるようなフィードバックループを設けて蓄電装置６１の放電電力を制御することが好ましい。

図４に運転モードＢにおける電力調整制御装置８０の基本動作のフローチャートを示す。

運転モードＢは、基本的に燃料電池４１からの電力をエネルギー源とする運転モードである。そして、運転モードＡと同様、新エネルギー発電装置５１の発電電力Ｐ３は常にＤＣ母線に給電されている。従って燃料電池４１の出力Ｐ２は発電電力Ｐ３では不足する電力の供給を行う。図４のフローチャートにおいて、ステップ５１、５２、５２Ａ、５３及び５４は、基本的に図３のフローチャートにおいて、単に主エネルギー供給源がディーゼル発電機２から燃料電池４１に置き換わった内容であるので、図３のフローチャートと基本的に同一である。

異なるのはステップＳＴ５０において、運転モードＢの場合は、軸発電機６から船内負荷３１への給電を止め、ＤＣ母線からインバータ２２経由の給電に切替えるようにした点である。このようにすれば、軸発電機６を使用する場合に比べ、軸発電機６及び整流器２１の電力損失を低減して効率の良い運転を行うことが可能となる。尚、軸発電機６を使用せず、ディーゼル発電機２からＡＣ母線経由給電している場合は必ずこの切替えを行う必要がある。

以上本発明の一実施例を説明したが、この実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、実施例では位置情報取得機器９０にはＧＰＳを用いると説明したが、必ずしもこれに限ることなく、ロシアが運用中のＧＬＯＮＡＳＳやＥＵで計画中のＧＡＬＩＬＥＯの測位衛星でも良く、ハイブリッドで利用可能なＧＮＳＳ(Global Navigation Satellite System)を使用しても良い。

また、軸発電機６及び整流器２２は必ずしも設ける必要はない。新エネルギー発電装置５１についても同様である。

また、図３のステップ４４におけるトルク制限は、供給電力の不足に起因するものであるが、ステップ４２、４２Ａで説明したように、ステップ５３での判定がＹＥＳとなるようなフィードバックループを設け、トルク制限量を決めるようにしても良い。

更に、図３のステップ４４と類似の過負荷抑制機能として、主コンバータ４の入力電圧を監視し、この電圧が所定の閾値以下となったとき上記と同様のトルク制限を行うようにしても良い。また、何れの場合もトルク制限に代えて速度制限を行っても良い。

更に、実施例においては運転モードＢにおける船内負荷３１への給電を、インバータ２を介して行うと説明したが、主コンバータ３をＤＣ母線からＡＣ母線へも電力の変換が可能な可逆変換のコンバータとすれば、インバータ２２を省くことが可能となる。この場合は軸発電機６は使用できないので、運転モードＡにおいてＡＣ母線の電圧変動、周波数変動が許容範囲内となっていることが必要である。

１ ディーゼルエンジン
２ ディーゼル発電機
３ 主コンバータ
４ 主インバータ
５ 交流電動機
６ 軸発電機
７ プロペラ
８ 速度検出器
９ 励磁装置
１１、１２ 電力検出器
２１ 整流器
２２ インバータ
２３、２４ 電力検出器
３１ 船内負荷
３２ 電力検出器
４１ 燃料電池
４２ 電力検出器
５１ 新エネルギー発電装置
５２ 電力検出器
６１ 充電装置
６２ 電力検出器
７０ ドライブ制御器
８０ 電力調整装置
９０ 位置情報取得機器

Claims (7)

1. ディーゼルエンジンで駆動され、交流母線に交流電力を供給するディーゼル発電機と、
   前記交流母線の交流電圧を直流電圧に変換して直流母線に給電する主コンバータと、
   前記直流母線の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する主インバータと、
   前記交流電動機の出力軸に接続されたプロペラと、
   前記直流母線に直流電力を供給する燃料電池と、
   前記直流母線から前記交流母線へ電力変換するインバータと、
   前記交流母線に接続された船内負荷と
   船内の各部の電力を監視し、状況に応じて船内の電力を調整するための電力調整装置と、
   船舶の地球上の現在位置を検知する位置情報取得手段と
   を具備し、
   前記電力調整装置は、
   船舶が沖合を航行中は、前記ディーゼル発電機の出力で船内電力を賄う第１の運転モードで運転し、
   前記位置情報取得手段で検出された位置情報が予め設定された排ガス規制位置を横切ったとき、前記燃料電池の出力で船内電力を賄う第２の運転モードで運転することを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
2. 前記交流電動機の出力軸に接続された軸発電機と、この発電電力を整流して前記直流母線に給電する整流器とを更に備え、
   前記第１の運転モードにおける前記交流負荷への給電を、前記整流器の出力を前記インバータに与え、前記インバータを介して行うことを特徴とする請求項１に記載の船舶用ハイブリッド推進装置。
3. ディーゼルエンジンで駆動され、交流母線に交流電力を供給するディーゼル発電機と、
   前記交流母線の交流電圧を直流電圧に変換して直流母線に給電する可逆変換可能な主コンバータと、
   前記直流母線の直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動する主インバータと、
   前記交流電動機の出力軸に接続されたプロペラと、
   前記直流母線に直流電力を供給する燃料電池と、
   前記交流母線に接続された船内負荷と
   船内の各部の電力を監視し、状況に応じて船内の電力を調整するための電力調整装置と、
   船舶の地球上の現在位置を検知する位置情報取得手段と
   を具備し、
   前記電力調整装置は、
   船舶が沖合を航行中は、前記ディーゼル発電機の出力で船内電力を賄う第１の運転モードで運転し、
   前記位置情報取得手段で検出された位置情報が予め設定された排ガス規制位置を横切ったとき、前記燃料電池の出力で船内電力を賄う第２の運転モードで運転すると共に、前記第２の運転モードにおける前記船内負荷への給電を、前記主コンバータを介して行うようにしたことを特徴とする船舶用ハイブリッド推進装置。
4. 再生可能電力を発電し、前記第１及び第２の運転モードに拘わらず、常時前記直流母線に直流電力を供給する新エネルギー発電装置を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の船舶用ハイブリッド推進装置。
5. 前記直流母線に接続される蓄電装置を更に備え、
   前記電力調整装置は、
   船内電力の供給に余裕があるときには当該蓄電装置を充電モードで運転し、船内電力の余裕が所定の閾値以下となったとき放電モードで運転することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の船舶用ハイブリッド推進装置。
6. 前記電力調整装置は、
   前記蓄電装置を放電モードで運転しても電力供給の余裕が無くなったとき、前記主インバータ装置の制御器に対しトルク制限指令を出力することを特徴とする請求項５に記載の船舶用ハイブリッド推進装置。
7. 前記電力調整装置は、
   前記直流母線の電圧が所定の閾値以下となったとき、前記主インバータ装置の制御器に対しトルク制限指令を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の船舶用ハイブリッド推進装置。