太陽能在船舶動力裝置中的應用與前景

(重慶交通大學，重慶 400074)

在石油、煤炭、天然氣等資源日漸枯竭、排放污染日益加劇的形勢下，尋求可持續(xù)清潔能源、充分利用太陽能成為必然趨勢。太陽能發(fā)電已在一些經濟發(fā)達國家和地區(qū)普及應用。據(jù)國際專業(yè)機構SHELL的預測，到2050年太陽能在能源結構中的比例約為13%～15%；歐盟能源的預測更為可觀，到2050年太陽能在能源結構中所占比重將達到28%，其中太陽能發(fā)電達25.5%，到本世紀末太陽能發(fā)電在能源結構中將達63%[1]。

太陽能已經開始在船舶(主要是旅游觀光船、游艇、短途渡船等小型船舶)上應用。一是作為主要動力能源之一，獨立或與其他能源一起推動船舶前進；二是作為輔助能源應用在船舶的照明系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、輔助機械等方面。例如：早在2000年澳大利亞就建造了利用太陽能、風能、燃料電池和燃油的混合能源雙體渡船； 2006年美國與澳大利亞合作設計了太陽能風翼大型三體游船(可搭載600名乘客)。2006年7月英國建造了完全由太陽能發(fā)電的觀光往返船在倫敦市海德公園正式載客運營；2007年5月瑞士的“太陽21號”雙體輕型帆船首次依靠太陽能完成橫穿大西洋抵達美國紐約(船長14 m, 船上惟一的能源是面積為60 m2的太陽能電池)；2008年9月中國制造的商業(yè)用途太陽能游艇在珠海下線(船長約12 m，安裝太陽能帆板)；2008年12月日本在一艘排水量6萬t級的滾裝貨輪上裝備328個太陽能電池板，能提供40 kW電量(約占船只總用電量0.2%)給機艙內的機器和發(fā)動機制動等；2009年4月全球最大二維、三維數(shù)字設計軟件公司歐特克公司宣布，將贊助德國Planet Solar公司建造世界最大的太陽能動力船(船長30 m，排水量85 t )，計劃于2010年實現(xiàn)環(huán)球航行；無錫為世博會精心打造“尚德國盛號”太陽能豪華游船(船總長31.5 m，可載186人，安裝可調控太陽能轉翼風帆，提供30%～100%的動力)。

然而，太陽能在以柴油機、燃氣輪機、蒸汽輪機為主機的大中型常規(guī)動力裝置船舶中應用卻很少。大中型船舶裝機容量和功率大，石化燃料消耗多，排放污染較嚴重，在2 000 t 以上的民用運輸船舶中，柴油機動力裝置就占總艘數(shù)的98%以上，裝船總功率達到90%以上[2]；統(tǒng)計顯示，現(xiàn)今全世界大小船舶共有385 333艘，合計約24億t。面對如此規(guī)模的船舶能耗市場，太陽能應該占有一席之地。

1 制約太陽能在船舶動力裝置中應用的因素

1) 能量供應不足。目前占市場主流的晶體硅太陽能電池，理論光電效率值約29%，實驗室已達25%，商業(yè)化產品的光電效率在15%～18%，每平方米電池在光照量較好地區(qū)夏季晴天最大產電能1 kW左右，冬季和陰天產電能不到夏天的25%，再考慮雨天的電能儲備以及直流經過逆變器轉換成交流損失等因素，需要較大面積電池板陣列才能產生足夠的電能。而大中型船舶動力配備足，能源需求量大，由于船舶空間、甲板面積的有限性和船舶對穩(wěn)性、抗風浪等要求，太陽能電池板陣列面積、安裝高度等受限?，F(xiàn)有的市場太陽能產品，難以提供主機所需的大功率能量，特別是對航速要求高的船舶，因推動力與航速呈三次方關系，僅依靠太陽能難以保證。

2) 太陽能裝置價格。現(xiàn)階段市場太陽能電源裝置的總投資價格較高，約在5萬元/kW，電能的成本約5元/(kW·h)左右，與船舶柴油發(fā)電機組相比，投資價格差距較大，缺乏相應的市場競爭能力，是制約太陽能在大中型船舶動力裝置中應用的關鍵因素。若能研制出新型太陽能電源裝置，進一步提高光電轉換率，降低裝置總投資，使每度電能的價格基本接近燃油發(fā)電的成本，就具有很大的市場潛力和競爭能力。

3) 電能貯存比較困難。目前與太陽能動力系統(tǒng)配套的貯能裝置大部分為普通鉛酸蓄電池，利用化學能和電能的可逆轉換實現(xiàn)充電和放電，價格較低，但貯能密度不高，容量不大，使用壽命較短，重量大，需要經常維護。已經應用的少維護、免維護鉛酸蓄電池性能有一定提高，但仍難滿足大容量、長時間貯存電能的要求，這是制約太陽能在船舶動力裝置中應用的重要因素。研發(fā)中的超導貯能技術，有望極大地提升和改變貯存能力。

4) 地理與光照條件影響。太陽能電源裝置以太陽光為初始能源，受光照量影響大，船舶航區(qū)的地理條件與太陽光照量直接決定裝置的光電轉換和發(fā)電量。比如：我國西部高原地區(qū)的光照量較東南部地區(qū)高出1倍左右，平原地區(qū)光照量又優(yōu)于丘陵山區(qū)，而海上航行(非陰雨天)光照量普遍較為充足，內陸山川河流蜿蜒(特別是中上游航道)光照量相對較差，再加上季節(jié)性的陰雨氣象變化，無疑制約了太陽能在船舶動力裝置中的推廣應用。

5) 太陽能裝置可靠性。當今占市場主流的晶體硅太陽能電池的使用壽命一般在20年以上，非晶薄膜電池壽命已達10年左右。對常規(guī)船舶動力裝置而言，晶體硅電池20年以上的使用壽命基本符合船舶正常使用期限(20～30年)[3]，非晶薄膜電池10年左右使用壽命則相對較短，價格比晶體硅電池低很多。此外，太陽能裝置在使用中的故障修理，需要專門技術人員而非一般輪機人員能完成，也是制約太陽能在船舶動力裝置中應用的因素之一。

2 太陽能在船舶動力中的應用前景

隨著科學技術的迅猛發(fā)展、制造工藝的不斷改進、新材料的研發(fā)應用等，具有耗材少、成本低、重量輕、效率高、壽命長、弱光性和適應性強等特點的新型太陽能電池必將問世。2009年5月上海第三屆國際太陽能光伏大會亮相六大頂尖技術①在美國“應用”的雙結薄膜技術；②“新奧”的全球最大硅基薄膜太陽能電池；③中電電氣(南京)光伏公司的世界最高轉換效率光伏電池；④林洋新能源光伏研發(fā)中心的長壽命低衰減晶體硅太陽能電池；⑤“正泰”高效薄膜太陽能電池；⑥臺灣宇通“端對端微晶硅疊層”技術，標志著太陽能的開發(fā)應用充滿生機。

2.1 作為電動主機船舶的主動力能源

電動主機船舶所需的推動能量完全或部分由太陽能裝置提供。按常規(guī)船舶動力裝置的基本要求,主機動力應根據(jù)船舶目標任務配置，其大小主要取決于排水量、航速，且必須大于船舶航行阻力，并能完全滿足各種設計航速的需要。

2.1.1 小型電動主機船舶

主要是旅游觀光船、游艇、短途渡船等。這類船舶排水量小、航速要求不高，航程較短，動力配置不大，主機為直流電動機，完全可以將太陽能作為主機動力能源或主動力能源之一；但由于太陽能發(fā)電受光照變化影響大，對完全依靠太陽能提供電能的動力裝置，需配備足夠數(shù)量和容量的蓄電池(必要時輔以燃料電池)，確保航行和續(xù)航力需要。其動力能源系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 小型電動主機船舶動力能源系統(tǒng)原理圖

2.1.2 大中型電動主機船舶

大中型電動主機船舶排水量較大，航程較長，設有獨立電站，主機和輔助機械等多為交流電動機，動力配置較大，不可能以太陽能為主要動力能源，但可將太陽能裝置產生的電能(DC)通過逆變器轉變?yōu)榻涣?AC)后并入船舶電站，供主機或其他電器設備使用，以減少發(fā)電機組燃料消耗，降低排放污染，節(jié)約運輸成本。其動力能源系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 大中型電動主機船舶動力能源系統(tǒng)原理圖

2.2 作為船舶輔助機械的動力能源

對以柴油機、燃氣輪機、蒸汽輪機為主機的大中型船舶，由于輔助機械較多，一般由船舶電站或獨立發(fā)電機組提供動力能源，易于控制。因此，可將太陽能裝置產生的電能并入船舶電站或作為單獨的動力能源，從而減輕電站的發(fā)電負荷，進而減少船舶電站設備配置數(shù)量(如發(fā)電機組)或單機功率，達到降低能耗、節(jié)約成本、減少排放目的。大中型船舶有相對較大的上層空間和甲板面積，船舶穩(wěn)性和抗風浪性較好，有條件裝備相當數(shù)量的太陽能電池板及其設備。雖然一次性投入高于柴油發(fā)電機組，但太陽能裝置使用壽命較長，節(jié)能環(huán)保，不消耗燃料，日積月累，效益十分可觀。日本6萬t級的滾裝貨輪利用太陽能裝置提供40 kW電量就是極好的范例。

2.3 作為大中型客貨(郵)船制冷空調及生活照明系統(tǒng)能源

大中型客貨(郵)船一般航程較長，載客量大，食物冷藏、客艙空調、全船照明等用電量大，生活熱水消耗多，航行中通常由船舶電站、燃油輔助鍋爐和廢氣鍋爐分別提供電能、熱能，故電站功率和鍋爐產熱量均較大，無疑需要消耗大量燃料，運營成本高?？梢岳锰柲苎b置產生的電能并入船舶電站，供制冷、空調設備及生活照明系統(tǒng)等使用，降低電站能耗。同時，還可以在較為空曠的甲板或頂層設計安裝一定數(shù)量太陽能熱水器，向全船提供生活熱水，或以此作為燃油輔助鍋爐進水，減少鍋爐加熱時間和燃料消耗，降低運營成本，減少排放污染。

2.4 作為大型油船卸貨和加熱系統(tǒng)能源

大型油船載運量大，航程漫長，防火要求高，艙面甲板開闊，船舶重心較低，所載油料卸貨間歇周期較長，冬季原油卸貨困難，這恰恰為油船應用太陽能裝置創(chuàng)造了條件?？梢栽陂_闊的艙面甲板安裝較多的太陽能電池板陣列和一定數(shù)量的太陽能熱水器。漫長的航行途中既可以產生和儲存大量電能(需配備足夠數(shù)量和容量的蓄電池)，又可以通過熱水器循環(huán)系統(tǒng)對油料(原油)加熱保溫。到達目的地后，立即釋放儲存的電能給駁運設備，迅速進行卸貨作業(yè)，并利用熱水循環(huán)系統(tǒng)，在主機廢氣鍋爐停運后繼續(xù)對卸貨期間油料(原油)保溫，從而減少能耗，縮短駁運作業(yè)和?？看a頭時間，降低運營成本。

3 結束語

面對石化能源日趨枯竭、排放污染日益加劇的形勢，世界各國加強了環(huán)保措施，并配套政策促進太陽能新材料、新技術研發(fā)和應用?？梢灶A見，太陽能在船舶動力裝置中的應用會越來越多，并朝著優(yōu)化船舶電站配置和分配用電，利用太陽能驅動主機、輔助機械及其他設備，將高效率、低電壓、大功率、直流無刷永磁電機與船槳最佳配合等方向發(fā)展。太陽能具有的能源儲備足、環(huán)境污染少、市場潛力大等優(yōu)勢，使其將成為現(xiàn)代船舶能源新的發(fā)展方向。

[1] 舒 暢.太陽能動力系統(tǒng)概述及其在國內外的應用[J].科海故事博覽：科教創(chuàng)新，2008(10)：113-114.

[2] 徐筱欣.船舶動力裝置[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

[3] 李報明.老舊運輸船舶管理規(guī)定[M].北京：中國交通出版社，2006.