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科技專案成果

船舶產業升級勢在必行 造船與機電業一起努力
發佈日期:2021-05-05
單位:財團法人船舶暨海洋產業研發中心
案例年度:2020
簡介:
面臨產業外移,外貿成長趨緩的經濟困境,船舶產業的升級勢在必行,而運用臺灣綠能政策帶動船舶產業發展,可進一步提升我國造船產業國際競爭力。船舶製造屬於高度系統整合的產業,其產品複雜度高,需導入高智慧科技的軟硬體技術,此計畫配合「綠能產業與智慧製造」政策的推動,以船艇產業發展為主要方向,帶動造船業與機電業者,異業整合進入高值船機設備領域。

特色:

獎項名稱:優良計畫獎
執行單位:財團法人船舶暨海洋產業研發中心
計畫名稱:船艇電能驅動整合技術開發計畫(3/3)
資料出處:109年度經濟部技術處法人科專成果表揚成果專輯
 

團隊合照

▲ 團隊合照
 

船舶製造屬於高度系統整合的產業,需要仰賴高科技的導入,才能促成升級。此計畫的主軸就是結合造船和機電業者兩方的力量,異業整合進入高值船機設備領域。此計畫建立了250kW級電能併聯同步技術,協助整合國內電機供應鏈系統,且逐步將研發技術落實驗證,以高雄旗津水域與新北市淡水河為示範場域。
 

渡輪站太陽能岸電系統

▲ 渡輪站太陽能岸電系統
 

航行於旗津和淡水河 成功驗證
 

在高雄旗津水域,計畫團隊陸續完成亞洲首艘複合動力渡輪「快樂號」、國內首艘電動渡輪「旗福一號」與電動渡輪「旗福二號」新造工程的技術服務,有效減緩當地(旗鼓地區)空氣汙染問 題,提供旗鼓地區渡輪乘客感受平穩舒適、低噪音、無油煙味的搭乘體驗,每年往返於旗津之間交通渡輪載客輸運約640萬人次以上,並建構旗鼓沿海地區棧貳庫的綠能低碳航線,已達到30%電動化比例。
 

值得一提的是,除發電機與引擎外,國內廠商已能提供電力轉換器、馬達、電池、馬達驅動器、主配電盤、電感器、LCL濾波器等零件,估算船舶電力推進系統(Powertrain)自製率達70%,促成國內潛力製造商導入電能驅動系統,建立大型電能驅動船舶製造能量,並協助船廠與機電商完成系統整合。
 

在淡水河,團隊完成了國內首艘採用國內自製動力系統的複合動力遊艇Aquasense 33 Hybrid,大大提升國內油電混合遊艇國產化的生產能力,從上游零組件到油電混合系統開發,最後將油電混合系統與遊艇進行整合成為新興產品推入市場,並透過技術轉移,協助廠商成立研發中心,開發船用船舶系統整合供應鏈。
 

系統整合難度高 依然如期完成
 

隨著半導體技術的提升,直流元件模組的功率級距與價格,已逐漸能在船舶動力系統的應用上有所表現,這次的科專計畫主要採用這種250kW級距的電力模組,透過船舶中心開發的電源管理系統(PMS)進行整合,竟而達到對電網穩定性的需求與電力品質的控制,這些乍看簡單,其實困難重重。
 

系統整合的工作與研發底層零件完全不同,譬如在架構渡輪上的750VDC/250kW級距直流微電網時,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,頓時讓大家慌了手腳,眼看承諾船東的下水交期迫在眉梢,為避免延誤造成罰款的情況發生,最後同仁仍回歸技術本位,透過電力電子學相關分析軟體,進行相關RLC為基礎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,並且透過至歐洲出差的同仁緊急帶回訂製的濾波器套件,才終於讓高雄電動渡輪可以如期下水測試邁向商轉。
 

在建置複合動力遊艇動力系統的過程中,測試地點位於公司附近的淡水河,AQUA33遊艇搭載由國內機電商自製同軸(in-line)併聯式動力系統,為船舶中心一手打造設計規格。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,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。
 

當時科專團隊同仁、船廠、機電業者群起歡欣鼓舞的樣子,仍深深烙印著,也提醒我們唯有發揮科專精神,透過不斷創新並解決產業需求的技術問題,才能落實法人被賦予的責任與義務。
 

快樂號電能轉換系統

▲ 快樂號電能轉換系統
 

做好準備 迎接電動船舶趨勢
 

在群策群力下,船舶中心運用船艇電力品質控制技術,協助國內業者以電力驅動,取代傳統柴油引擎,場域驗證成效甚佳,前述由商業載客渡輪改裝而成的複合動力渡輪「快樂號」及全電力渡輪「旗福一號」,兩艘渡輪合力專營棧貳庫全新航線,「快樂號」不僅協助高雄市政府順利完成2017全球生態交通盛典(eco mobility) 之海上輸運,並於荷蘭船舶機電研討會獲得2017年度最佳複合動力系統新人獎,以及經濟學人(Economist)、MARINE LINK等國際媒體專刊報導,成功行銷臺灣產業技術,深獲國際肯定。
 

配合綠能新潮流的應用趨勢,電動渡輪估計每年可以減少約6萬5000公升柴油使用量及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,團隊並已於108年協助新造電動渡輪「旗福二號」之機電線路審閱,預計2025年前持續完成新造加改裝渡輪共9艘。
 

此外,團隊成功將PMS電源管理技術擴散至遊艇產業,協助長岡機電與大舟遊艇共同開發複合動力遊艇"Aquasense33 Hybrid",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,目前為國際複合動力同級距船型中具最高規格與性價比,並將持續推廣外銷至海南島、軍艦島、濟州島,且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。
 

以電力驅動的大眾運輸系統,如高鐵與捷運,早已遍及我們的日常生活中,個人陸上運輸工具如電動自行車、摩托車與客車的占比也越來越高,新一代的水路運輸工具目前也正依循著相似的軌跡發展,在可預見的將來應會逐步邁入電能驅動交通工具發展的黃金時期,因此藉由法人科專計畫洞燭先機掌握關鍵設備整合技術,協助臺灣廠商跨入高值船舶機電產業實為刻不容緩,目前團隊正著手協助國內機電業者成立研發中心,展現延續科專研發成果的決心。
 

Aquasense33-Hybrid產品發表會

▲ Aquasense33-Hybrid產品發表會
 

成功心法Box
 

船舶中心開發250kW船艇電力品質控制技術,成功於「高雄市」與「新北市」建立示範場域並順利商轉營運。運用該技術協助整合國內船廠與電機供應鏈系統,帶動造船業與機電業者推動高雄渡輪電氣化,且提升動力系統自製率達65%以上。
 

【專家推薦】
 

船舶中心106~108年開發250kW級船艇電力品質控制技術,協助整合國內電機供應鏈系統,整合國外優良裝備與部分國產零件,帶動造船業與機電業者跨領域整合進入高值船機設備領域。本計畫逐步將研發技術進行實海域驗證,成功以高雄旗津水域與新北市淡水河域為示範場域,推動香港天星渡輪外銷,並協助長岡電機成立研發中心,持續建置船舶電能驅動系統整合能量並推動船舶機電整合。
 

在具體成果方面,船舶中心協助國內業者以電力驅動取代原傳統柴油引擎,成功改裝商業運轉載客綠色渡輪,於高雄旗津水域做為驗證場域,由該兩艘渡輪合力專營棧貳庫全新航線,帶動高雄市交通局開闢海上輸運低碳觀光新亮點。並將技術擴散至遊艇產業,於淡水河域做為驗證場域,協助業者開發複合動力遊艇及成立研發中心,持續發展船舶機電整合技術。同時,與業者合作開發電動機車充放測試設備,協助機電設備廠進入綠能載具產業,帶動國內造船廠與機電裝備廠建立綠色船舶技術能量與產業鏈發展。


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