JP5312513B2

JP5312513B2 - 船舶推進システム

Info

Publication number: JP5312513B2
Application number: JP2011100183A
Authority: JP
Inventors: 茂和川井; 大樹美浪
Original assignee: Japan Marine United Corp
Current assignee: Japan Marine United Corp
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2012229007A

Description

本発明は、船舶の推進用プロペラを推進加勢する電動機を備えた船舶推進システムに関する。

従来の技術においては、例えば、「過給器付き主機１とプロペラ２を推進軸３で連結し、前記推進軸３に推進加勢用電動機１０を設けた船舶推進システムにおいて、前記主機１の過給器４に余剰排気エネルギーを回収して発電する発電機５を直結すると共に、前記発電機５で発電した電力を周波数変換装置１１ａを介して前記推進加勢用電動機１０に供給し、さらに前記発電機５で発電した電力は船内電源系統と独立しているので、発電機５で発電した電力を周波数変換機で主機の所望する周波数に即時変換して推進加勢でき、また多段の減速機を必要とせず、機器設置スペースの削減、機器配置の自由度向上、及び貨物等の積載量の増加と共にメンテナンスコストの低減が可能となる。」ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２５５６３６号公報

主機の排気エネルギーの一部を電気エネルギーとして回収し、この回収した電気エネルギーを船内の電力負荷や推進力の加勢に使用することで、省エネルギー性能を向上させる発電システムが望まれている。
上記特許文献１に記載の技術は、主機の排気エネルギーを回収して発電した電力が、船内電力系統（船内母線）と独立しているため、発電した電力を船内の電力負荷に利用することができないという課題がある。

一方、主機の排気エネルギーを回収して発電した電力を、船内の電力負荷と推進力の加勢とに使用する場合、発電した電力を船内母線に適合した電圧・周波数に変換するためのコンバータおよびインバータと、船内母線からの電力を推進加勢する電動機に適合した電圧・周波数に変換するためのコンバータおよびインバータとが必要となる。

ここで、このような主機の排気エネルギーを回収して発電した電力を、船内の電力負荷と推進力の加勢とに使用する船舶推進システムの一例について図４を用いて説明する。
図４において、パワータービン１１は、主機１から排出される排気ガスの一部を入力して作動し、永久磁石同期発電機（PMG:Permanent Magnetic Generator）１２を駆動する。
パワータービン１１に入力される排気ガスの流量制御は一般に行わないため、パワータービン１１の回転数は主機１の排気ガス量に依存する。
このため、パワータービン１１の駆動によって永久磁石同期発電機１２で発電された交流電力を、船内母線３に適合した電圧・周波数に変換するため、コンバータ１３により所定の直流電力に変換したあと、インバータ１４により船内母線３に適合した電圧／周波数（例えば４５０Ｖ／６０Ｈｚ）の交流電力に変換する。

なお、蒸気発電装置２０は、蒸気タービン（ST:Steam Turbine）２１によりタービン発電機（TG:Turbine Generator）２２を駆動して所望の交流電力を船内母線３に供給する。
蒸気タービン（ST:Steam Turbine）２１は、図示しないエコノマイザ−により主機１の排ガスの熱エネルギーで生成された蒸気により作動する。タービン発電機２２の回転数は、蒸気タービン２１を回転させる蒸気量により制御可能であるため、タービン発電機２２の出力を電力変換すること無く、船内母線３に適合した交流電力が供給される。
また、ディーゼル発電装置３０は、ディーゼルエンジン３１によりディーゼル発電機３２を駆動して所望の交流電力を船内母線３に供給する。このディーゼル発電装置３０においても、ディーゼルエンジン３１の回転数が制御可能であるため、ディーゼル発電機３２の出力を電力変換すること無く、船内母線３に適合した交流電力が供給される。

上述の各発電機から船内母線３に供給された電力は、船内電力負荷４０で利用される。
また、船内母線３に供給された電力は、推進用プロペラ２の推進軸に設けられた同期電動機(SM:Synchronous motor)５３に供給され、推進加勢に利用される。
この同期電動機５３の回転数は、推進加勢する推進軸の回転数等に適合させる必要が有るため、船内母線３からの電力をコンバータ５１により所定の直流電力に変換したあと、インバータ５２により必要回転数に応じた電圧・周波数の交流電力に変換する。

このような構成においては、主機１の排気エネルギーを回収して永久磁石同期発電機１２で発電した電力は、推進加勢する同期電動機５３に供給されるまでに、コンバータ１３、インバータ１４、コンバータ５１、およびインバータ５２により４回電力変換されることになる。

このように、主機の排気エネルギーを回収して発電した電力を、船内の電力負荷と推進力の加勢とに使用する場合、電力変換の回数が増加する。このような電力変換の回数が増加すると変換に伴いエネルギー効率が低下するという課題がある。また、電力変換装置の増加に伴い、機器設置スペースや機器コストが増加するという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、主機の排気エネルギーを回収して発電した電力を、船内の電力負荷と推進力の加勢とに使用する場合において、電力変換によるエネルギー効率の低下を抑制することができる船舶推進システムを得るものである。
また、機器設置スペースを低減することができる船舶推進システムを得るものである。
また、機器コストを低減することができる船舶推進システムを得るものである。

本発明に係る船舶推進システムは、船舶の推進用プロペラを駆動する主機と、前記主機の排気エネルギーを利用して発電する第１発電機と、前記第１発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する第１電力変換装置と、前記第１電力変換装置の直流電力が供給される直流連結部と、前記直流連結部と船内母線との間に接続され、前記直流連結部の直流電力を交流電力に変換して前記船内母線に供給するインバータと、前記船内母線からの交流電力を直流電力に変換して前記直流連結部に供給するコンバータとにより構成された第２電力変換装置と、前記直流連結部と接続され、前記直流連結部に供給された直流電力を交流電力に変換する第３電力変換装置と、前記第３電力変換装置から出力された交流電力により駆動され、前記推進用プロペラを推進加勢する電動機と、を備えたものである。

本発明は、電力変換によるエネルギー効率の低下を抑制することができる。また、機器設置スペースを低減することができる。また、機器コストを低減することができる。

実施の形態１に係る船舶推進システムの構成を示す図である。実施の形態２に係る船舶推進システムの構成を示す図である。実施の形態３に係る船舶推進システムの構成を示す図である。主機の排気エネルギーを回収して発電した電力を船内の電力負荷と推進力の加勢とに使用する船舶推進システムの一例を示す図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る船舶推進システムの構成を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る船舶推進システムは、主機１、パワータービン１１、永久磁石同期発電機（PMG:Permanent Magnetic Generator）１２、蒸気発電装置２０、ディーゼル発電装置３０、船内電力負荷４０、同期電動機(SM:Synchronous motor)５３、直流連結部６０、第１電力変換装置６１、第２電力変換装置６２、第３電力変換装置６３、および、配電盤７０を備えている。
なお、図１において、点線矢印は電力の供給方向を示している。

主機１は、例えば、中型または大型ディーゼルエンジンにより構成され、船舶の推進用プロペラ２を駆動する。
永久磁石同期発電機１２は、主機１の排気ガスにより作動されるパワータービン１１により駆動され、主機１の排気エネルギーを利用して発電する。

第１電力変換装置６１は、永久磁石同期発電機１２から出力された交流電力を所定の直流電力に変換する。この第１電力変換装置６１は、交流を直流に変換するコンバータにより構成される。
直流連結部６０は、第１電力変換装置６１の直流出力と、第２電力変換装置６２の直流入出力と、第３電力変換装置６３の直流入力と、を連結する。
この直流連結部６０には、第１電力変換装置６１からの直流電力と、第２電力変換装置６２からの直流電力が供給される。

第２電力変換装置６２は、直流連結部６０と船内母線３との間に接続され、直流連結部６０の直流電力を、船内母線３に適合した電圧／周波数（例えば４５０Ｖ／６０Ｈｚ）の交流電力に変換して船内母線３に供給する。また、第２電力変換装置６２は、船内母線３からの交流電力を、所定の直流電力に変換して直流連結部６０に供給する。この第２電力変換装置６２は、交流を直流に変換するコンバータと、直流を所望の周波数（例えば６０Ｈｚ）の交流に変換するインバータとにより構成される。

第３電力変換装置６３は、直流連結部６０と接続され、直流連結部６０に供給された直流電力を、推進軸の必要回転数に応じた電圧・周波数の交流電力に変換し、同期電動機５３に供給する。この第３電力変換装置６３は、直流を所望の周波数（例えば６０Ｈｚ）の交流に変換するインバータにより構成される。

同期電動機５３は、第３電力変換装置６３から出力された交流電力により駆動され、推進用プロペラ２を推進加勢する。

蒸気発電装置２０は、蒸気タービン（ST:Steam Turbine）２１によりタービン発電機（TG:Turbine Generator）２２を駆動して所望の交流電力を船内母線３に供給する。
蒸気タービン（ST:Steam Turbine）２１は、図示しないエコノマイザ−により主機１の排ガスの熱エネルギーで生成された蒸気により作動する。タービン発電機２２の回転数は、蒸気タービン２１を回転させる蒸気量により制御可能であるため、タービン発電機２２の出力を電力変換すること無く、船内母線３に適合した交流電力が供給される。
ディーゼル発電装置３０は、ディーゼルエンジン３１によりディーゼル発電機３２を駆動して所望の交流電力を船内母線３に供給する。このディーゼル発電装置３０においても、ディーゼルエンジン３１の回転数が制御可能であるため、ディーゼル発電機３２の出力を電力変換すること無く、船内母線３に適合した交流電力が供給される。

なお、本実施の形態においては、蒸気発電装置２０とディーゼル発電装置３０とがそれぞれ１台の場合を説明するが、本発明はこれに限るものではなく、それぞれ複数台であっても良いし、蒸気発電装置２０とディーゼル発電装置３０のいずれか一方のみを設ける構成でも良い。

配電盤７０には、各発電機等を接続し、船内電力負荷４０に電力を供給する船内母線３が配置される。
船内母線３には、それぞれ開閉器４を介して、蒸気発電装置２０、ディーゼル発電装置３０、船内電力負荷４０、第２電力変換装置６２が接続される。

なお、「永久磁石同期発電機１２」は、本発明における「第１発電機」に相当する。
また、「同期電動機５３」は、本発明における「電動機」に相当する。
また、「タービン発電機２２」、「ディーゼル発電機３２」は、本発明における「第２発電機」に相当する。

次に、上記のように構成した本実施の形態における船舶推進システムの作用について説明する。
主機１の排気エネルギーを回収して永久磁石同期発電機１２で発電した電力は、第１電力変換装置６１によって直流電力に変換され直流連結部６０に供給される。
第２電力変換装置６２は、蒸気発電装置２０およびディーゼル発電装置３０から船内母線３に供給された電力が、船内母線３に接続された船内電力負荷４０より小さい場合、直流連結部６０の直流電力を交流電力に変換して、当該不足電力を船内母線３に供給する。
これにより、主機１の排気エネルギーを回収して発電した電力を、船内電力負荷４０に利用することが可能となる。

また、第２電力変換装置６２は、蒸気発電装置２０およびディーゼル発電装置３０から船内母線３に供給された電力が、船内母線３に接続された船内電力負荷４０より大きい場合、船内母線３の当該余剰電力を、直流電力に変換して直流連結部６０に供給する。
そして、第１電力変換装置６１および第２電力変換装置６２から、直流連結部６０に供給された直流電力は、第３電力変換装置６３により推進軸の必要回転数に応じた電圧・周波数の交流電力に変換され、同期電動機５３の推進加勢に利用される。
これにより、主機１の排気エネルギーを回収して発電した電力を、推進力の加勢に使用することが可能となる。また、船内母線３の余剰電力を推進力の加勢に使用することが可能となる。

本実施の形態の構成においては、主機１の排気エネルギーを回収して永久磁石同期発電機１２で発電した電力は、推進加勢する同期電動機５３に供給されるまでに、第１電力変換装置６１、および第３電力変換装置６３により２回のみ電力変換されることになる。
また、主機１の排気エネルギーを回収して永久磁石同期発電機１２で発電した電力は、船内母線３に供給されるまでに、第１電力変換装置６１、および第２電力変換装置６２により２回のみ電力変換されることになる。
さらに、船内母線３からの電力は、同期電動機５３に供給されるまでに、第２電力変換装置６２、および第３電力変換装置６３により２回のみ電力変換されることになる。

このように、直流連結部６０によって、第１電力変換装置６１、第２電力変換装置６２、および、第３電力変換装置６３を連結することで、主機１の排気エネルギーを回収して発電した電力を、船内電力負荷４０と推進加勢する同期電動機５３とに使用する場合、電力変換の回数を低減することが可能となる。よって、電力変換に伴うエネルギー効率の低下を抑制することができる。
また、本実施の形態の構成においては、電力変換装置の数量を３台とすることができ、上記図４で説明した構成と比較して、電力変換装置の数量を削減することができ、機器設置スペースの低減を図ることができる。また。機器コストの低減を図ることができる。

また、第２電力変換装置６２は、船内母線３の不足電力または余剰電力を電力変換するため、定格容量を第１電力変換装置６１および第３電力変換装置６３より小さくすることが可能となる。
例えば、第１電力変換装置６１および第３電力変換装置６３の定格容量がそれぞれ６００ｋＷとし、船内母線３に供給される電力が４００ｋＷ〜６００ｋＷでの変動が想定される場合には、第２電力変換装置６２の定格容量をその差分の最大値である２００ｋＷとすることができる。
このように、第２電力変換装置６２の定格容量を、第１電力変換装置６１および第３電力変換装置６３より小さくすることで、第２電力変換装置６２を小型化することができる。よって、さらに、機器設置スペースの低減と、機器コストの低減を図ることができる。

なお、本実施の形態１においては、主機１の排気ガスにより作動されるパワータービン１１により、本発明の「第１電動機」に相当する永久磁石同期発電機１２を駆動する構成について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
本発明の「第１電動機」としては、回転数（出力電圧・周波数）の制御を行わない任意の電動機を用いることができる。
例えば、主機１からの排気によって回転するタービンと、このタービンによって駆動されて主機１に給気を供給するコンプレッサとを有するターボチャージャー（Turbo Charger）と、このターボチャージャーのタービンの回転軸に直結されて回転駆動されるターボチャージャー発電機（Turbo Charger Generator）とを備え、第１電力変換装置６１は、ターボチャージャー発電機から出力された交流電力を所定の直流電力に変換するようにしても良い。このような構成においても、ターボチャージャーの回転数は主機１の排気ガス量に依存するため、第１電力変換装置６１により電力変換を行う。

実施の形態２．
図２は実施の形態２に係る船舶推進システムの構成を示す図である。
図２に示すように、本実施の形態においては、パワータービン１１および永久磁石同期発電機１２に代えて、風力エネルギーを利用して発電する風力発電機８０を備えている。
その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。

本実施の形態においては、風力発電機８０は、例えば船舶の船上に設置され、風力エネルギーを利用して発電する。
第１電力変換装置６１は、風力発電機８０から出力された交流電力を所定の直流電力に変換し、直流連結部６０に直流電力を供給する。

このような構成により、風力エネルギーを利用して発電した電力を、船内の電力負荷と推進力の加勢とに使用することができる。また、上記実施の形態１と同様に、電力変換によるエネルギー効率の低下を抑制することができる。また、機器設置スペースを低減することができる。また、機器コストを低減することができる。

なお、図２の例では、永久磁石同期発電機１２に代えて風力発電機８０を備える場合を説明したが、本発明はこれに限るものではない。
永久磁石同期発電機１２と共に風力発電機８０を備え、第１電力変換装置６１は、風力発電機８０から出力された交流電力と、永久磁石同期発電機１２から出力された交流電力とを直流電力に変換して直流連結部６０に供給するようにしても良い。

実施の形態３．
図３は実施の形態３に係る船舶推進システムの構成を示す図である。
図３に示すように、本実施の形態においては、パワータービン１１、永久磁石同期発電機１２、および第１電力変換装置６１に代えて、太陽光エネルギーを利用して発電する太陽光発電機９０を備えている。
その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。

本実施の形態においては、太陽光発電機９０は、例えば船舶の船上に設置され、太陽光エネルギーを利用して発電する。この太陽光発電機９０の出力は直流連結部６０と接続され、発電した電力を、直流連結部６０に供給する。

このような構成により、太陽光エネルギーを利用して発電した電力を、船内の電力負荷と推進力の加勢とに使用することができる。また、上記実施の形態１と同様に、電力変換によるエネルギー効率の低下を抑制することができる。また、機器設置スペースを低減することができる。また、機器コストを低減することができる。

なお、図３の例では、永久磁石同期発電機１２および第１電力変換装置６１に代えて太陽光発電機９０を備える場合を説明したが、本発明はこれに限るものではない。
永久磁石同期発電機１２および第１電力変換装置６１と共に、太陽光発電機９０を備え、直流連結部６０には、太陽光発電機９０から出力された直流電力と、第１電力変換装置６１から出力された直流電力とを供給するようにしても良い。

１主機、２推進用プロペラ、３船内母線、４開閉器、１１パワータービン、１２永久磁石同期発電機、１３コンバータ、１４インバータ、２０蒸気発電装置、２１蒸気タービン、２２タービン発電機、３０ディーゼル発電装置、３１ディーゼルエンジン、３２ディーゼル発電機、４０船内電力負荷、５１コンバータ、５２インバータ、５３同期電動機、６０直流連結部、６１第１電力変換装置、６２第２電力変換装置、６３第３電力変換装置、７０配電盤、８０風力発電機、９０太陽光発電機。

Claims

船舶の推進用プロペラを駆動する主機と、
前記主機の排気エネルギーを利用して発電する第１発電機と、
前記第１発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する第１電力変換装置と、
前記第１電力変換装置の直流電力が供給される直流連結部と、
前記直流連結部と船内母線との間に接続され、前記直流連結部の直流電力を交流電力に変換して前記船内母線に供給するインバータと、前記船内母線からの交流電力を直流電力に変換して前記直流連結部に供給するコンバータとにより構成された第２電力変換装置と、
前記直流連結部と接続され、前記直流連結部に供給された直流電力を交流電力に変換する第３電力変換装置と、
前記第３電力変換装置から出力された交流電力により駆動され、前記推進用プロペラを推進加勢する電動機と、
を備えたことを特徴とする船舶推進システム。
船舶の推進用プロペラを駆動する主機と、
前記主機の排気エネルギーを利用して発電する第１発電機と、
前記第１発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する第１電力変換装置と、
前記第１電力変換装置の直流電力が供給される直流連結部と、
前記直流連結部と船内母線との間に接続され、前記直流連結部の直流電力を交流電力に変換して前記船内母線に供給し、または、前記船内母線からの交流電力を直流電力に変換して前記直流連結部に供給する第２電力変換装置と、
前記直流連結部と接続され、前記直流連結部に供給された直流電力を交流電力に変換する第３電力変換装置と、
前記第３電力変換装置から出力された交流電力により駆動され、前記推進用プロペラを推進加勢する電動機と、
を備え、
前記第２電力変換装置は、
前記第１および第３電力変換装置より、定格容量が小さい
ことを特徴とする船舶推進システム。
船舶の推進用プロペラを駆動する主機と、
前記主機の排気エネルギーを利用して発電する第１発電機と、
前記第１発電機から出力された交流電力を直流電力に変換する第１電力変換装置と、
前記第１電力変換装置の直流電力が供給される直流連結部と、
前記直流連結部と船内母線との間に接続され、前記直流連結部の直流電力を交流電力に変換して前記船内母線に供給し、または、前記船内母線からの交流電力を直流電力に変換して前記直流連結部に供給する第２電力変換装置と、
前記直流連結部と接続され、前記直流連結部に供給された直流電力を交流電力に変換する第３電力変換装置と、
前記第３電力変換装置から出力された交流電力により駆動され、前記推進用プロペラを推進加勢する電動機と、
を備え、
前記船内母線に電力を供給する１つまたは複数の第２発電機を備え、
前記第２電力変換装置は、
前記第２発電機から前記船内母線に供給された電力が、前記船内母線に接続された船内電力負荷より大きい場合、前記船内母線の当該余剰電力を、直流電力に変換して前記直流連結部に供給し、
前記第２発電機から前記船内母線に供給された電力が、前記船内母線に接続された船内電力負荷より小さい場合、前記直流連結部の直流電力を交流電力に変換して、当該不足電力を前記船内母線に供給する
ことを特徴とする船舶推進システム。
前記第１発電機は、
前記主機の排気ガスにより作動されるパワータービンにより駆動される
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の船舶推進システム。
前記第１発電機に代えて、または前記第１発電機と共に、風力エネルギーを利用して発電する風力発電機を備え、
前記第１電力変換装置は、
前記風力発電機から出力された交流電力を直流電力に変換して前記直流連結部に供給する
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の船舶推進システム。
前記第１発電機および前記第１電力変換装置に代えて、または前記第１発電機および前記第１電力変換装置と共に、太陽光エネルギーを利用して発電する太陽光発電機を備え、
前記直流連結部は、
前記太陽光発電機から出力された直流電力が供給される
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の船舶推進システム。