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科技專案成果

250kW船艇電力品質控制技術場域應用
發佈日期:2020-02-04
單位:財團法人船舶暨海洋產業研發中心
案例年度:2019
簡介:
造船與機電業者攜手 強化電力品質
將直流大功率元件模組整合應用於船舶上,看似容易,其實困難重重。船舶中心團隊發揮無比耐心和毅力,成功開發250kW船艇電力品質控制技術,並且運用於「高雄市」與「新北市」船舶,順利商轉營運。此技術成果將持續帶動國內造船廠與機電裝備廠發展船舶機電整合技術。

特色:

獎項名稱:科專成果場域應用獎-場域擴散類
執行單位:財團法人船舶暨海洋產業研發中心
計畫名稱:船艦級關鍵技術開發計畫
資料出處:108年度經濟部技術處法人科專成果表揚成果專輯
 

隨著半導體技術的不斷提升,新型態的直流大功率元件模組逐漸嶄露頭角,這次的科專計畫主要是應用250kW級距的電力模組,透過船舶中心開發的電源管理系統(PMS)加以整合,達到電力品質控制要求。
 

挑戰很多 系統整合難度高
 

針對此次計畫任務, 負責執行的船舶暨海洋產業研發中心指出,做法看似簡單,其實困難重重,因為系統整合工作與研發底層零件完全不同。例如在架構渡輪上面的750VDC/250kW級距之直流微電網時,由於電力轉換器與高壓電池系統聯接造成的電壓波動,導致其電池管理系統(BMS)無法順利運轉通訊。
 

這樣的狀況頓時讓團隊慌了手腳,雪上加霜的,承諾船東的下水交期迫在眉梢;一旦延誤就必須付出罰款,團隊承受的壓力之大可想而知。
 

所幸團隊成員回歸技術本位,透過電力電子學相關分析軟體,採用基於RLC的二階濾波器來改善電力品質,讓直流高壓的峰對峰漣波控制在5%以下,並且透過成員出差至歐洲帶回訂製的濾波器套件,終於讓高雄電動渡輪可以順利下水測試並邁向商轉。
 

前進高雄和新北 實證成功
 

從2018年起,研發技術逐步於實際場域進行驗證。兩大示範場域分別高雄旗津水域與新北市淡水河。其中,為減少船齡老舊的柴油渡輪對高雄港水域污染,團隊運用船艇複合動力控制系統、船艇節能管理等技術,整合高雄在地船廠與國內機電廠商,成功改裝商業載客渡輪。
 

總計陸續完成亞洲首艘複合動力渡輪快樂號改裝、國內首艘全新電動渡輪「旗福一號」,持續推動新造電動渡輪「旗福二號」。這些成果有效減緩旗鼓地區的空氣汙染問題,為旗鼓地區渡輪乘客提供平穩舒適、低噪音、無油煙味的搭乘體驗。
 

電動渡輪估計每年可以減少約6萬5000公升柴油使用量,以及17萬公斤的碳排放量,可有效降低碳排放20%與燃油成本30%以上,帶動高雄市交通局開闢海上輸運低碳觀光新亮點,並預計2025年前持續完成新造及改裝渡輪九艘。
 

在淡水河示範場域,則是將PMS電源管理技術擴散至遊艇產業,建立船用裝備與馬達測試環境,以淡水河做為驗證場域,協助長岡機電開發複合動力遊艇"Aquasense33 Hybrid",這是國內首艘採用自製動力系統的複合動力遊艇。
 

這艘遊艇的動力系統自製率達65%,其複合動力模組不僅擁有和柴油船相同性能,更具備純電力航行的優勢,引擎模式時最高船速達32節,純電航行可達7節船速維持30分鐘,充電時數只需1.5小時,規格與性價比居目前國際複合動力同級船型之冠。此遊艇將持續推廣外銷至海南島、軍艦島、濟州島。
 

科專成果更協助長岡機電成立研發中心,持續帶動國內造船廠與機電裝備廠發展船舶機電整合技術,涵蓋上游零組件到油電混合系統開發,最後並將油電混合系統與遊艇進行整合,成為新興產品推入市場。
 

電動渡輪( 快樂與旗福一號)

▲ 電動渡輪( 快樂與旗福一號)
 

Aquasense 33

▲ Aquasense 33
 

歡呼收割 振奮人心
 

AQUA33遊艇搭載由國內機電商自製的同軸(in-line)併聯式動力系統,為船舶中心一手打造設計規格。船舶中心團隊透露研發過程的一個插曲- 在臺大先進動力實驗動力計測試時,性能表現均如預期,但與引擎耦合時卻發生動力傳遞打滑等現象,甚至影響至該船應有的水準。
 

經反覆拆裝與分析後,團隊找到適合的電磁離合器性能參數,終於在計畫審核前達到要求的最高船速。成功當下,船舶中心科專團隊同仁、船廠、機電業者群起歡欣鼓舞,這是此計畫執行過程中非常動人的一刻。
 

長久以來,船舶遊艇產業受到矚目程度,遠遜於科技產業,然而船舶遊艇產業的表現,其實與國家基礎工業的實力息息相關。值得一提的,船舶遊艇產業是臺灣少數能夠透過品牌與系統整合來銷售產品的工業瑰寶,因此值得更多的重視及資源投入,進一步建立我國海洋國家的工業特色。
 

AQUA hybrid motor

▲ AQUA hybrid motor
 

快樂號電池系統

▲ 快樂號電池系統
 

團隊合影

▲ 團隊合影
 

【專家推薦】
 

本得獎計畫開發250kW級船艇電力品質控制技術,運用船艇複合動力控制系統及船艇節能管理技術,以電力驅動取代原傳統柴油引擎。此技術解決方案符合RINA船級之CE認證規範要求,並符合ISO-6954振動噪音的要求,可符合國際海事組織之船用燃料之規範,目前已完成國內首艘複合動力渡輪「快樂號」及首艘全新電動渡輪「旗福一號」,以高雄旗津水域為驗證場域;也完成首艘複合動力遊艇,並以新北市淡水河水域為驗證場域,實證成果顯示具有應用潛力。本得獎計畫已獲得多件國內獎項肯定,並有多件專利佈局,具技術創新性及完整上中下游產業鏈,而且已促成廠商自行投資,開發符合環境法規並具有國際技術水準之綠能載具,使我國遊艇、渡輪產業更具自製的能力。


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