新一代動力系統佈置介紹 海軍上尉　王啟銀 提　　要： 一、近年來因電機整合系統發展進步迅速，全電力系統較機械動力推進有較高可 靠度，操作靈活，低紅外線特性，將成為一些先進國家海軍新一代艦艇的主要推 進裝置。 二、全電力推進是艦艇動力發展歷程中的一次躍進，是艦艇動力發展的必然方向 ，將大大提高水面艦艇的存活能力和作戰效能。雖目前尚有許多技術問題未能解 決，但可預期全電力推進系統真正運用於船艦已指日可待。 壹、前言 十九世紀初，機械動力推進取代風帆驅動是船舶航行史上一次劃時代的突破。近 年來因電機整合系統發展進步迅速，全電力系統較機械動力推進有較高可靠度， 操作靈活，低紅外線特性，故先進國家皆全力投入全電力系統的研究，預期會使 全電力推進技術的研究與應用將會引起新的突破，有可能成為一些先進國家海軍 新一代艦艇的主要推進裝置。 貳、艦船電力推進的應用概況 艦艇電力推進的應用歷史悠久，二戰時期曾流行一時。當時，美海軍建造了數百 艘電力推進戰艦。當時採用電力推進的主要原因是齒輪裝置製造量不足。由於技 術水平的限制，系統大而笨、效率低、成本高。戰後，除德國少數艦艇採用柴電 推進外，其他水面艦艇均採用機械推進。八○年代後，隨著交流電機及其控制技 術、電力電子器件的發展，船舶電力推進系統在功率、功率密度、效率等方面已 經能滿足船舶推進的需要。其應用情況也發生了根本性的變化。據統計，八○年 代後期以來，水面作戰艦艇開始有了電力推進與機械推進相結合的混合推進。小 功率的電力推進已在英國獵雷艇，法國輕型反潛護衛艦，瑞典佈雷艇，法、荷、 比三國聯合研製獵雷艇等水面艦艇上得到應用。 馬島之戰後，英國海軍在23型護衛艦上首先採用了柴電-燃氣輪機聯合動力裝置( CODLAG)。該艦艇低速航行時，由兩台CEC公司的750V/1.3兆瓦(MW)直流電機驅動 ，巡航速度17節，航程7,000浬。其直流電機直接驅動定距葉，由四台柴油發電機 組給推進電機及全船其他設備供電。 美國海軍在1980年就和西屋公司簽定了為排水量6,500噸的雙軸驅逐艦研製綜合電 力推進系統的合同，設計的電力推進系統採用發電機供給全艦其他設備的用電， 為能與推進系統完全綜合，其推進的電機為普通交流電機，變頻器採用可控矽元 件，整個系統的重量、體積比常規推進系統大。由於在研製過程中，發現該系統 不是經濟上可承受的、性能上能滿足要求的合理結構，在1994年美國海軍提出了 綜合電力系統(Intergrated Propulsion,IPS)概念，即綜合全電力推進(Intergr ated Full Electric Propulsion,IFEP)系統。 艦艇電力推進系統一般由以下幾部分組成：葉、電動機、發電機、原動機以及控 制調節設備。原動機可以採用柴油機、汽輪機或燃氣輪機。目前一般採用高速或 中速柴油機，大功率時多採用汽輪機或燃氣輪機。發電機採用直流他勵或差複勵 電機、交流整流同步發電機或交流同步發電機。目前採用最多的是交流整流同步 發電機(也稱交－直流發電機)。電動機可以採用直流他勵雙樞雙換向器電動機或 交流同步電動機、非同步電動機。目前用的最多的是直流雙樞電動機。另外潛艇 蓄電池也是一種電力推進裝置。 目前艦艇電力推進裝置的發展動向可概括為：(一)以交流(交流發電機和交流電動 機)電力推進裝置取代直流(直流發電機和直流電動機)電力推進和交直流(交流整 流發電機和直流電動機)電力推進裝置；(二)發展超導電力推進；(三)發展燃料電 池推進系統，其基本佈置如圖一，並介紹如下： 一、交流電力推進裝置 交流電力推進裝置具有極限功率大，效率高和可靠性好的優點，根據推進電機的 類型，可分為非同步電動機和同步電動機交流推進裝置；而根據電流交換器的結 構形式不同分為晶閘管變頻交流電力推進裝置、電力電晶體和可關斷晶閘管交流 電力推進裝置。 二、超導電力推進裝置 超導電力推進是以超導電機(超導發電機和超導電動機)為功率元件的電力推進裝 置，與普通電力推進相比，具有重量輕、體積小、效率高、雜訊低的特點。由於 超導材料必須工作在相應的臨界溫度以下，要有一套複雜的液氮設備，所以在一 定程度上制約了它的廣泛應用。近年來，隨著低溫技術的迅速發展，特別是低溫 技術的小型化，為超導電力推進在艦艇上的應用提供了良好的條件。 三、燃料電池電力推進裝置 燃料電池電力推進裝置是以燃料電池為艦艇動力源的推進裝置。燃料電池是一種 能把化學能直接轉換成電能的能量轉換裝置，電池本體加上燃料、氧化劑及它們 的貯存器構成一個完整的燃料電池系統。其特點是：在能量轉換方式上與蓄電池 相同，都是化學能轉換成電能，因此具有安靜、效率高的優點；在構成方式上則 與柴油發電機組相似，即貯能部分(貯存燃料及氧化劑的貯存器)與能量轉換裝置 部分相分離，因此具有長時間連續工作的能力(只要燃料和氧化劑足夠)，而不像 蓄電池那樣需要來回充放電。近年來，燃料電池研究取得了一些重大的技術突破 ，使燃料電池應用於艦艇可行性已指日可待。 現行全電力推進系統，燃料電池推進系統已成功運用於潛艦上，且目前先進國家 也積極將燃料系統運用於艦艇上，因其可行性較高，以下就燃料電池於全電力系 統佈置，作完整介紹。 參、燃料電池運用於全電力艦艇系統佈置介紹 燃料電池動力系統具有高動力密度、高操控靈活性、空間配置彈性靈活、高模組 化、低污染、靜音良好及後勤支援較簡易的優點，但在船艦上運用，需考慮到因 素更多，尤其是在軍艦運用的條件更加嚴苛，本章節對質子交換膜燃料電池與熔 融碳酸鹽燃料電池系統運用於船艦上特性作一說明，以提供後續燃料電池使用於 船艦時可行性評估作一參考。 一、燃料電池一般佈置 在一般燃料電池系統不論是質子交換膜或是熔融碳酸鹽在船艦佈置可如圖二表示 ，由圖二可知燃料電池被當作船艦主要推進來源，此系統由二組5.5MW為一部燃料 電池組成，並連接22MW之燃氣渦輪機，燃氣渦輪機可與燃料電池系統交並聯使用 ，其最大輸出為33MW，與本軍成功級與康定級軍艦比較，，此系統佈置約介於成 功級軍艦與康定級軍艦之間；此燃料電池系統不適合做為緊急動力系統或執行進 出港任務來源，原因為：燃料電池之燃油轉換器起動需較長時間，且操作溫度較 高，另起動燃料電池需要許多道程序，缺一不可，所耗時間較長。 整個燃料電池動力系統可由圖三所示，其可由以下次系統所組成：燃料供應系統 、燃料電池組件、燃料電池控制系統介紹如下： (一)燃料供應系統(Fuel Process System) 此系統主要目的為供應燃料給燃料電池使用，可分為空氣供應系統(或是氧氣)及 氫氣供應系統、燃油轉換系統；此系統包含將船艦燃油轉換成氫氣之燃油轉換器 ，以供燃料電池使用，此一好處為可與船上燃油共用，減少儲存氫氣相關裝備及 管路，在質子交換膜燃料電池因本身作用溫度較低，如直接將甲烷通入陽極，因 反應溫度低，反應不完全而產生一氧化碳危害燃料電池，因此系統無法直接將甲 烷完全轉換成純氫，故需另一裝置或催化裝置將甲烷轉換成純氫以供燃料電池使 用；在熔融碳酸鹽燃料電池因本身作用溫度較高(約650℃)，可直接將甲烷通入陽 極，在陽極內可將甲烷直接裂解成氫氣，且不會有一氧化碳產生，故此系統不需 要一另外裝置將甲烷轉換成氫氣。 (二)燃料電池組件(Fuel Cclls) 即此系統反應器核心所在處，由數個燃料電池堆所組成，以供船上推進動力使用 。 (三)燃料電池控制系統(Control System) 此系統主要目的為控制及加快系統反應，使其達到最高反應效能，而通常由以下 系統組成： 1.空氣過濾系統： 此系統主要目的為將空氣純化，以供燃料電池陰極使用，因空氣中含有大量的鹽 份，故需安裝空氣過濾器將空氣中鹽份去除，以現行船用技術來說燃氣渦輪機的 空氣過濾器含鹽量已可達到0.005ppm以下，柴油主機的空氣過濾器含鹽量可達到 0.05ppm以下，故此技術在燃料電池空氣過濾上應無任何問題。 2.空氣加壓系統： 此系統目的為增加空氣壓力，以提高燃料電池反應效率。 3.電力控制系統： 此系統目的為將燃料電池所產生的電能，經過一定程序轉換成船艦上所需電能， 船上因使用目的不同而有不同之使用電壓，或是使用直流或是交流系統，故需一 轉換裝置將燃料電池所產生的直流電能轉換成船艦上所需之電壓或是交直流系統 。 4.自動控制系統： 此系統目的為對燃料電池運作時進行自動化控制，如控制氫氣進入量、氧氣進入 量、反應溫度，以達到運作最高效能，並對相關操作數據進行紀錄，以供往後維 修參考。 肆、全電力推進系統的優點和缺點 同機械推進方式相比，全電力推進系統具有經濟性、提高戰鬥能力、增加戰場存 活力等優勢，介紹如下： 一、經濟性好 IFEP系統油耗小，據美國近期報道，驅逐艦採用全電力推進，在三○年工作壽命 期間將比機械推進節省16％以上的燃料費。IFEP節油的原因在於： (一)低速航行時，電力推進可用較少的發動機提供相同的淨功率。 (二)電力推進艦艇在低速航行時，能夠使原動機在高功率工作點運行，而機械推 進艦艇在低速航行時，原動機效率下降，耗油量增大。 (三)IFEP系統減去了艦艇的輔助裝置和戰鬥系統所需的單獨發電機組。 (四)在雙體船、三體船等非常規船型上使用時，IFEP系統易於實現自動化、可減 少人員配置，降低培訓費；佈置的靈活性可使艦船結構優化，減少艦船的排水量 ；改善了艦船的可生產性，降低了生產費用。艦艇航行時，只讓所需的最小數量 的原動機運行，減少了原動機總運行時間，可節省維護費用。 二、提高艦艇戰鬥能力 (一)由於減少了原動機數量，去除了許多機械傳動系統，可騰出有效空間以裝載 更多武器。 (二)能為未來的鐳射、電磁武器提供足夠的電力。 (三)改善了操縱性，葉由電機控制，能在全速範圍內實現無級調速，對指令的回 應快；而機械系統具有一個最小的軸速，其回應受聯軸節的較長的回應時間的制 約。 (四)增加了續航力，由於降低了耗油量，同樣的燃油可提供更大的續航力。 (五)不管是柴油機，還是燃氣輪機，都不容易實現正、反兩個方向運轉的操作， 為解決此問題，現代艦艇多採用可調距葉，但這種方式需耗費大量的燃料。而電 力推進的反向問題可通過使用電力電子設備轉換所用電源的極性或相位來方便地 實現。可提高艦艇的操縱靈活性。 (六)系統佈置靈活，可降低排水量，由於突破了將發動機、推進器、傳動軸系佈 置在一條直線上的傳統設計模式，用電纜完全取代機械連接，原動機可以佈置在 任何地方，使全艦系統和設備佈置更加靈活，從而降低艦艇排水量。 三、增加戰場存活力 (一)降低了雜訊、提高了隱蔽性。由於原動機可以佈置在水線以上，從而可以降 低水下輻射雜訊，而且由於取消了齒輪箱，也大大降低了振動雜訊。與機械推進 相比，在寬頻帶可降低150分貝，在窄頻帶降低更多。 (二)操作人員可選擇最合適的發動機組合形式，確保發動機以最佳效率工作，避 免了發動機的低負載運行。 (三)IFEP系統由其左右舷雙重匯流排向負載供電，具有很強的抗故障能力。推進 系統也有備用線路，不易完全損壞。 同機械推進方式相比，全電力推進系統缺點介紹如下： 一、當一艘艦艇的大部分航行時間是滿功率高速航行時，使用效率低的全電力推 進系統是不利的。 二、全電力推進系統不適合於航空母艦使用。航母儘管有可能採用綜合電力系統 ，但目前採用標準的機械推進更為合適，因為像航母那樣大型的艦船，電力推進 與蒸汽動力裝置相比並不節約空間和重量。未來航母可能需要更大的電力，以滿 足電磁彈射與回收裝置、未來的電磁武器以及對抗措施的需要，而增加電力的最 經濟的方法是使用功率更大的汽輪機組。 三、今年開始全尺寸系統試驗的綜合電力系統(IPS)不適合潛艇使用，因為這種I PS使用感應電機，不是使用永磁電機，體積和噪音太大，只適合於水面艦艇使用 。 伍、全電力推進系統的關鍵技術 全電力推進系統的設計是當代先進的電力電子技術、交流調速技術、電機製造技 術、永磁材料技術、電腦控制技術、先進燃氣輪機技術等的綜合運用，技術含量 高，其關鍵技術有： 一、大功率、高功率密度的永磁電機技術，包括電動機和發電機技術。 二、大功率電力電子器件技術。目前各國主要是在不斷提高絕緣柵雙極電晶體的 功率等級，以減小轉換器的體積、重量。 三、先進的燃氣輪機技術。英美已聯合發展了中冷回熱燃氣輪機WR-21，並進行了 小功率高速燃氣輪機發電機組的研究。 四、區域配電系統及監控系統。 陸、結語 全電力推進是艦艇動力發展歷程中的一次躍進，是艦艇動力發展的必然方向，將 大大提高水面艦艇的存活能力和作戰效果。雖目前全電力推進存在的主要問題是 動力裝置過重和過於龐大、燃料電池尚有許多技術問題未能解決等，但可預期全 電力推進系統真正運用於船艦已指日可待。 ＜參考資料＞ 一、溫武義譯，「燃料電池技術」，全華科技圖書股份有限公司，台北，2004年 8月。 二、Naval Technology-U212／U214-Attack Submarine. 三、Donald Hoffman,US Navy Shipbo-ard Fuel Cell Program,2003年6月,NAVS EA 982. 四、G.Steinfeld,R,DISTILIATE FUEL PROCESSING FOR MARINE FUEL CELL APPL ICATIONS,2000年6月,FUELCELL Energy,Inc.