游艇供电系统的基础

第一节　游艇的电站

一、供电系统

供电系统有多种形式，如交流供电系统、直流供电系统和交直流供电系统。船艇电力是实现高度自动化的保障。

船艇电力系统是由电站、电网及其负载组成的。

电站是船上电能的源泉，它包括电源和配电控制箱两大部分。

船上电能的来源主要有船用发电机组（俗称“电站”）、主机附带的发电机、岸电和船上携带的蓄电池组。当主机工作时，它所附带的发电机发出的电力如果足够的话，船用发电机组就不必启动，这两者互为备用，可提高船艇的安全性。当船艇主机不工作时（停泊状态），可启动电站供电，多余的电力可通过浮充电方式储存在蓄电池组中。当游艇靠岸时，可利用岸电供电和为电池充电。这些操作有时是通过配电控制箱自动进行的。

船艇用电设备通常有交流和直流两种电制。由于交流电气设备具有重量轻、体积小、成本低、工作可靠、船陆通用、维护方便等一系列优点，所以近年来在游艇上得到广泛使用。

但在一些小艇上，所配套的设备大多是低压电器，如各种泵、锚机等，在设计电制时通常以50ft为分界线，50ft以下游艇多采用直流12V电制，50ft及以上游艇大都采用直流24V电制。使用电池供电的直流供电系统依然存在，此时若存在交流电器设备，可通过逆变器供电。在大部分游艇上，直流电器和交流电器并存的现象较为普遍，所以这些艇上采用交直流供电系统，其配电箱直流和交流是分开的。

图8-1是游艇配电系统的示意图。当游艇停靠码头时，可以采用岸电供电，并向蓄电池充电。游艇开航时，启动发电机供电。应急状态时，全部采用电池供电。

图8-1　游艇配电系统示意图

二、配电板

游艇的配电板由于舱室空间的原因，一般都做得很精巧。

配电控制箱是由各种控制、保护、调整、测量、配电和讯号设备所组成的一套综合电气设备，可通过它来完成下列任务：

（1）对发电机和电网的电压、电流、绝缘、频率等参数进行测量、调整，以保证供电质量。

（2）对电网的运行状态进行监控和操作，如发电机的启动和并网，当发电机或电网发生过载、短路、逆功率、欠电压等故障时自动切断故障电路，并发出报警讯号。

（3）根据电力需要配送电力，并通过讯号设备或仪表指示发电机和电网的工作状态。

供电安全可靠是每艘游艇所必需的。对于多个电源供电的系统，如岸电、发电机和电池供电，必须有一个配电箱来进行控制和转换。

对于船上有交流和直流两套电制的电路，配电板应分成两屏，并在屏的中间作有效隔离，如图8-1中间的配电板。其左边是交流部分屏，在屏的上部装有检测发电机工况的电表及岸电工作指示灯、汇流排电源指示灯、绝缘测试按钮及绝缘指示灯。在屏的中间装有发电机供电主开关及岸电供电开关，在屏的下部装有负载供电开关。发电机主开关与岸电开关之间相互连锁，不能同时合闸。其右边是直流部分屏，在屏的上部装有电流表、电压表、母线供电指示灯、绝缘测试及绝缘指示灯，屏的中间装有蓄电池供电的转换开关，在屏的下方装有航行信号灯供电开关及辅助设备供电开关。

三、电站

游艇上使用的电力通常由岸电、艇上自带的电站和电池提供。

电站通常是由一台柴油机和发电机组装在一起构成的，发出的电力通过配电板传送给各种用电设备。也有发电机是附带在推进主机上的，但这种电站在主机不工作时不能提供电力，需要由岸电或电池供电。

帆艇上也需要电力，所以小型电站是不可缺少的装备。一些小型游艇上要求电站体积小、重量轻，也有采用汽油发电机组的。

游艇上的电站要求重量轻、噪音小，因此最好使用全封闭式的电站。图8-2为一台有静音箱的小型柴油发电机组。它把柴油机、发电机组装在一起，外部用一个隔音箱封闭起来。隔音箱的外壳为多层玻璃纤维增强聚酯结构，内部填充乙烯树脂泡沫隔音层。隔音箱结构阻止了噪音传播和红外辐射。

图8-2　静音发电机组

（图片来源：KOHLER公司样本）

游艇电站的结构非常紧凑。图8-3为一台10kW的KOHLER柴油发电机组的构造。柴油机、发电机和控制箱紧密地联结在一个底盘上。外形尺寸（长×宽×高）为0.85m×0.52m×0.62m。带隔音罩重310kg。这种机组是水冷的，它通过接入冷却水来冷却机组，保证了静音箱内部的温度即使在热带气候下也没有明显的升高。当代先进的船用发电机组均装备基于微处理器的高级数字控制器，不但能有效控制机组运行情况，而且还能将重要的信息转发到远程仪表和显示器上，显示功率、蓄电池电压、机油压力、发动机运行小时数、运行工况和系统故障状态，使操作者一目了然。

图8-3　功率为10kW的KOHLER柴油发电机组

四、电池

在游艇上，当电站不工作时，依靠蓄电池供电可满足日常照明、对外通讯联络、各种导航仪表以及生活电器的电力需求。一些艇上依靠蓄电池供电还能保持机动能力，太阳能的利用使电池的重要性日益突出。

电池可分为两大类：原电池和蓄电池。原电池泛指能产生电能的小型装置，它无须充电，游艇上常见的有太阳能电池、燃料电池。蓄电池是指要充电才能使用的电池，可以经历多次充电、放电循环，反复使用。

电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。

电池的能量储存有限，电池所能输出的总电荷量叫做它的容量，通常用安培小时作单位，它也是电池的一个主要性能参数。

（一）原电池

1）燃料电池

燃料电池（图8-4）是一种把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转换成电能的装置。与蓄电池不同的是它可以从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂而不需要充电。燃料电池由燃料（例如氢、甲烷等）、氧化剂（例如氧和空气等）、电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，且是多孔结构的，以保证较大的活性面积。工作时将燃料通入负极（阴极），氧化剂通入正极（阳极），它们各自在电极的催化下进行电化学反应以获得电能。

图8-4　燃料电池

燃料电池是利用氢气在阳极进行的氧化反应，将氢气氧化成氢离子，而氧气在阴极进行还原反应，与由阳极传来的氢离子结合生成水。氧化还原反应过程中就可以产生电流。燃料电池的技术包括了出现碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）等，而其中，利用甲醇氧化反应作为正极反应的燃料电池技术，更是被业界所看好而积极发展。

燃料电池把燃烧反应所放出的能量直接转变为电能，所以它的能量利用率高，约等于热机效率的2倍以上。此外它还有如下优点：①设备轻巧；②不发噪音，很少污染；③可连续运行；④单位重量输出电能高；等等。因此，它已在宇宙航行中得到应用，在军用与民用的各个领域中也有广泛的应用前景。

2010年，荷兰建成首艘燃料电池游艇“内膜H2”号，艇长21.5m，宽4.25m，吃水1.0m，使用氢氧燃料电池或铅酸蓄电池。功率分别为6 070kW、3 050kW，最大航速16km/h，可装氢气24kg及铅酸蓄电池55只。游艇可载客86名，由荷兰燃料电池艇构造公司建造。

2）太阳能电池

把太阳光的能量转换为电能的装置。当日光照射时，产生端电压，得到电流，用于人造卫星、宇宙飞船中的太阳电池是半导体制成的（常用硅光电池）。日光照射太阳电池表面时，半导体PN结的两侧形成电位差。其效率在百分之十以上，典型的输出功率是5～10mW/cm²（结面积）。

（二）蓄电池

1）铅蓄电池

船艇上最为常用的电池是铅蓄电池。

铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。其极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸。两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极极板上的硫酸铅转变成棕褐色的二氧化铅（PbO₂），负极极板上的硫酸铅转变成灰色的绒状铅（Pb）。当两极板放置在浓度为27%～37%的硫酸（H2SO₄）水溶液中时，负极板的铅和硫酸发生化学反应，二价的铅正离子（Pb^2＋）转移到电解液中，在负极板上留下两个电子（2e^-）。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围。而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（PbO₂）渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质——氢氧化铅（Pb（OH）₄）。氢氧化铅由4价的铅正离子（Pb^4＋）和4个氢氧根（4（OH）^-）组成。4价的铅正离子（Pb^4＋）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子（H^＋）和硫酸根负离子（），在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅（PbSO₄）。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子（Pb^4＋）化合成2价的铅正离子（Pb^2＋），并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。随着蓄电池的放电，正负极板都受到硫化，同时电解液中的硫酸逐渐减少，而水分增多，从而导致电解液的比重下降。在实际使用中，可以通过测定电解液的比重来确定蓄电池的放电程度。在正常使用情况下，铅蓄电池不宜放电过度，否则将使和活性物质混在一起的细小硫酸铅结成较大的晶体，这不仅增加了极板的电阻，而且在充电时很难使它再还原，直接影响蓄电池的容量和寿命。铅蓄电池充电是放电的逆过程。

铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。采用新型铅合金，可改进铅蓄电池的性能。如用铅钙合金作板栅，能保证铅蓄电池最小的浮充电流、减少添水量和延长其使用寿命；采用铅锂合金铸造正板栅，则可减少自放电和满足密封的需要。

对于移动设备，有些使用的是全密封，免维护的铅酸蓄电池，这类电池已经成功使用了许多年，其中的电解液硫酸是由硅凝胶固定或被玻璃纤维隔板吸附的。

铅蓄电池的电动势约为2V，常用串联方式组成6V或12V的蓄电池组。电池放电时硫酸浓度减小，可用测电解液比重的方法来判断蓄电池是否需要充电或者充电过程是否可以结束。

铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性强。

美国江森公司（Johnson Controls，Inc.）推出的OPTIMA铅蓄电池（图8-5）采用了螺旋式卷绕专利技术，与传统船用蓄电池相比，具有更长的放电时间、更短的充电时间和长达2倍的使用寿命。它的免维护、防溢流和抗震动特性很适合游艇使用。

图8-5　OPTIMA螺旋式卷绕铅蓄电池

2）铅晶蓄电池

铅晶蓄电池（图8-6）所采用的高导硅酸盐电解质是传统铅酸电池电解质的复杂性改型。该产品在生产、使用及废弃物中都不存在污染问题，更符合环保要求。由于铅晶蓄电池用硅酸盐取代硫酸液作电解质，从而克服了铅酸电池使用寿命短，不能大电流充放电的一系列缺点，更加符合动力电池的必备条件。

图8-6　铅晶蓄电池

铅晶蓄电池较铅酸电池具有无可比拟的优越性：

（1）铅晶电池的使用寿命长。

一般铅酸电池循环充放电都在350次左右，而铅晶电池在额定容量放电60%的前提下，循环寿命700多次，相当于铅酸电池寿命的一倍。

（2）高倍率放电性能好。

特殊的工艺使铅晶电池具有高倍率放电的特性，一般铅酸电池放电只有3 C，铅晶电池放电最大可以达到10 C。此处C为电池应能放出的最低容量，单位为安培小时。

（3）深度放电性能好。

铅晶电池可深度放电到0V，继续充电可恢复全部额定容量，这一特性相对铅酸电池来讲是难以达到的境界。

（4）耐低温性能好。

铅晶电池的温度适应范围比较广，从-20～50℃都能适应，特别是在-20℃的情况下，放电能达到87%。对广大低温地区是不可多得的首选佳品。

（5）环保性好。

铅晶电池所采用的新材料、新工艺和新配方，不存在酸雾等挥发有害物质，对土地、河流等不会造成污染，更加符合环保要求。

3）纳米电池

纳米即10-9 m，纳米电池即用纳米材料（如纳米MnO₂、LiMn₂O₄、Ni（OH）₂等）制作的电池。纳米材料具有特殊的微观结构和物理化学性能，如量子尺寸效应，表面效应和隧道量子效应等。目前国内技术成熟的纳米电池是纳米活性炭纤维电池。主要用于电动汽车，电动摩托，电动助力车上。该种电池可充电循环1 000次，连续使用达10年左右。一次充电只需20分钟左右，平路行程达400km，重量在128kg左右。