太陽(yáng)能光伏觀光船應(yīng)用研究＊

王 樂(lè)，徐 建，徐夢(mèng)婷

（嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院船建分院，浙江 嘉興 314031）

1 研究背景

太陽(yáng)能是一種巨大的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空輻射約3.8×1020J的能量，有1.73×1011J投射到地球上，其中的70%左右投射到地面，地面上一年可接收到的太陽(yáng)能達(dá)1.8×1018kW·h。中國(guó)各地的太陽(yáng)能年輻射量為930～2 330 kW·h/m2，全國(guó)陸地表面每年接收的太陽(yáng)能相當(dāng)于1.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，比中國(guó)當(dāng)前的年能源消耗總量高3個(gè)量級(jí)。太陽(yáng)能可以用來(lái)聚熱取暖和光伏發(fā)電，為船上設(shè)施提供相對(duì)獨(dú)立的能量來(lái)源，在降低船舶發(fā)電機(jī)或主機(jī)能耗的同時(shí)保證船舶的正常航行；在船舶上太陽(yáng)能主要是通過(guò)布置在船舶上的太陽(yáng)能電池板等裝置進(jìn)行能量收集，隨后轉(zhuǎn)換成光伏電能直接應(yīng)用于電氣設(shè)備或儲(chǔ)存起來(lái)。

19世紀(jì)中葉，伴隨著美國(guó)制成實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)就此誕生。隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的日趨成熟和完善，太陽(yáng)能已成為應(yīng)用較多的清潔能源之一，太陽(yáng)能光伏交直流并網(wǎng)技術(shù)目前有了船用化的趨勢(shì)。光伏發(fā)電系統(tǒng)配備光伏逆變器可將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的交流電并網(wǎng)供負(fù)載使用，如光伏發(fā)電系統(tǒng)帶有儲(chǔ)能電池，還可以起到不間斷電源的作用。但截至目前，太陽(yáng)能光伏能源船型開(kāi)發(fā)研究還處于起步階段，適用于中國(guó)內(nèi)河的太陽(yáng)能觀光船型還有待開(kāi)發(fā)。

日本、德國(guó)、澳大利亞和瑞士等國(guó)較早進(jìn)行了太陽(yáng)能船舶的研究，也有成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。澳大利亞于2000年建成了利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池、油混合的能源雙體渡船。此船設(shè)置了8片可調(diào)控的翼覆并蓋著太陽(yáng)能發(fā)電裝置，可用作風(fēng)帆和利用太陽(yáng)能發(fā)電，船長(zhǎng)約21 m，可搭載100人。美國(guó)與澳大利亞于2006年合作設(shè)計(jì)了一款太陽(yáng)能風(fēng)翼大型三體游船，該船可搭載600名乘客。瑞士的全太陽(yáng)能動(dòng)力船“太陽(yáng)21號(hào)”于2006-10-16從瑞士巴塞爾起航前往紐約，開(kāi)始該船的首次跨越大西洋旅程，并于2007-05-08到達(dá)紐約港。該船是世界上第一艘純太陽(yáng)能行駛并完成橫跨大西洋的船只，通過(guò)該船的實(shí)船航行證實(shí)了太陽(yáng)能船進(jìn)行遠(yuǎn)洋航行的可能性。澳大利亞混合能源雙體渡船如圖1所示。

圖1 澳大利亞混合能源雙體渡船

2006年，在日本愛(ài)知世界博覽會(huì)上展出了挪威老牌航運(yùn)企業(yè)威廉臣航提出的E/SOrcelle（環(huán)保海豚）模型。該船由軍艦設(shè)計(jì)師、環(huán)保專家、船舶工程師等合作設(shè)計(jì)，采用五體船船型，長(zhǎng)250 m，寬50 m，排水量50 000 t，以風(fēng)能、太陽(yáng)能和波浪能作為艦船所有輸入能源，不向海洋或大氣排放任何污染物。E/SOrcelle是綜合利用風(fēng)能、太陽(yáng)能和波浪能以及燃料電池技術(shù)、吊艙推進(jìn)技術(shù)的大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸五體船型概念，E/SOrcelle最終將實(shí)現(xiàn)無(wú)排放遠(yuǎn)洋航行。

綜上所述，太陽(yáng)能動(dòng)力船舶的研發(fā)既是具有前瞻性，事關(guān)國(guó)家船舶科技可持續(xù)發(fā)展的遠(yuǎn)景課題，也是需要逐步硏究實(shí)現(xiàn)的迫切課題，同時(shí)，E/SOrcelle概念正是大型多體船船型，已建造的太陽(yáng)能小型船艇大都采用雙體船船型，這也提示了多體船型用作太陽(yáng)能動(dòng)力船平臺(tái)較單體船型有更大的優(yōu)勢(shì)。

2 太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)在南湖觀光船上的應(yīng)用

太陽(yáng)能在船舶上利用的方式有3種：①太陽(yáng)能作為主動(dòng)力；②太陽(yáng)能與風(fēng)能混合利用作為主動(dòng)力；③太陽(yáng)能用作輔助動(dòng)力。太陽(yáng)能在船舶中的應(yīng)用，需要研究、解決、改進(jìn)和完善多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文擬對(duì)設(shè)計(jì)要求巡航速度不低于11 km/h、續(xù)航力不低于8 h的南湖雙體太陽(yáng)能觀光船型開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行研究。

2.1 太陽(yáng)能光伏板布置設(shè)計(jì)

使用現(xiàn)有太陽(yáng)能觀光船用太陽(yáng)能支架時(shí)，常常存在如下問(wèn)題：①將現(xiàn)有的太陽(yáng)能觀光船用太陽(yáng)能支架安裝在船體上時(shí)，需要借助螺栓，進(jìn)而需要在船體上開(kāi)孔，使得船體不能保持完整性；②由于現(xiàn)有一體式太陽(yáng)能支架安裝部位之間的距離是固定的，從而使得其僅能安裝某一種大小的太陽(yáng)能板，不便于使用不同大小的太陽(yáng)能板。

根據(jù)以上情況，本文所述太陽(yáng)能觀光船用太陽(yáng)能支架設(shè)計(jì)，解決上述現(xiàn)有太陽(yáng)能觀光船用太陽(yáng)能支架不便于保證船體完整，且不便于安裝不同大小的太陽(yáng)能板的問(wèn)題。

本文所述太陽(yáng)能觀光船用太陽(yáng)能支架設(shè)計(jì)，包括支撐板、雙軸電機(jī)、主動(dòng)軸、連接板、支撐板、卡桿等結(jié)構(gòu)。支撐板上表面的一側(cè)預(yù)留有條形槽，且條形槽內(nèi)安裝有雙軸電機(jī)。雙軸電機(jī)的電機(jī)上均連接有主動(dòng)軸，且主動(dòng)軸的另一端軸承連接于條形槽的端部，主動(dòng)軸通過(guò)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)與從動(dòng)軸相連接，且從動(dòng)軸的一端軸承連接于連接板上。連接板設(shè)置于支撐板上表面的兩側(cè)，且支撐板的上表面預(yù)留有安裝槽，前后兩側(cè)均預(yù)留有通孔。通孔內(nèi)設(shè)置有卡桿，卡桿通過(guò)撐頂裝置與外螺紋管相連接，且外螺紋管軸承連接于安裝槽內(nèi)。外螺紋管的內(nèi)側(cè)連接有驅(qū)動(dòng)桿，且驅(qū)動(dòng)桿的上端貫穿外螺紋管的上表面并伸出安裝槽的上表面，并且驅(qū)動(dòng)桿的下端通過(guò)拉伸彈簧與安裝槽的內(nèi)底面相連接。從動(dòng)軸貫穿支撐塊、第一阻尼轉(zhuǎn)軸、第二阻尼轉(zhuǎn)軸和套管，且從動(dòng)軸與連接桿同軸連接，并且連接桿的外端嵌套有連接管。第一阻尼轉(zhuǎn)軸和第二阻尼轉(zhuǎn)軸分別設(shè)置于支撐塊的兩側(cè)，且第一阻尼轉(zhuǎn)軸之間和第二阻尼轉(zhuǎn)軸之間分別連接有連接架和套管。第一阻尼轉(zhuǎn)軸和第二阻尼轉(zhuǎn)軸的內(nèi)側(cè)均設(shè)置有棘齒，且棘齒與棘爪嚙合連接，并且棘爪設(shè)置于從動(dòng)軸外側(cè)。套管的外側(cè)通過(guò)傘齒組與轉(zhuǎn)桿相連接，且轉(zhuǎn)桿貫穿連接架設(shè)置。太陽(yáng)能光伏板支架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能光伏板支架設(shè)計(jì)圖

2.2 太陽(yáng)能蓄電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能觀光船的船倉(cāng)內(nèi)需要安裝大量蓄電池組對(duì)轉(zhuǎn)化的電量進(jìn)行存儲(chǔ)，傳統(tǒng)蓄電池組在實(shí)際使用當(dāng)中會(huì)遇到降溫、減震、拆卸及固定等問(wèn)題。

目前的蓄電池組降溫大多通過(guò)安裝銅制散熱翅片進(jìn)行散熱，此種散熱方式會(huì)產(chǎn)生一定效果，但是散熱翅片在完成對(duì)熱量的轉(zhuǎn)移之后，轉(zhuǎn)移至翅片本身的熱量難以消除，影響翅片進(jìn)一步的散熱效果，不能夠利用船體使用過(guò)程中與水分之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性對(duì)相關(guān)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻處理，從而導(dǎo)致需要采用單獨(dú)的裝置對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻工作，影響蓄電池組使用，同時(shí)提高了散熱冷卻成本。

本文所述了一種新型觀光船太陽(yáng)能蓄電池散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括船底、電池安裝盒、導(dǎo)熱硅膠墊和密封圈。船底的上方安裝有電池安裝盒，且電池安裝盒的內(nèi)部開(kāi)設(shè)有儲(chǔ)液槽。電池安裝盒上安裝有頂桿，且頂桿上連接有安裝筒，并且安裝筒位于電池安裝盒的內(nèi)側(cè)。安裝筒的內(nèi)側(cè)設(shè)置有安裝槽，散熱管的外側(cè)設(shè)置有第二散熱板，且第二散熱板和第一渦輪葉均位于船底的下方。太陽(yáng)能蓄電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能蓄電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

通過(guò)太陽(yáng)能蓄電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)頂桿可帶動(dòng)橫向桿體運(yùn)動(dòng)，而復(fù)位彈簧能夠推動(dòng)橫向桿體通過(guò)導(dǎo)熱硅膠墊貼合在蓄電池組的外側(cè)對(duì)其熱量進(jìn)行傳導(dǎo)，大大提高散熱效率。同時(shí)能夠?qū)π铍姵亟M進(jìn)行緩沖防護(hù)，避免在船體行駛中產(chǎn)生的搖晃對(duì)蓄電池組的安裝結(jié)構(gòu)造成損壞。

2.3 太陽(yáng)能觀光船其他優(yōu)化設(shè)計(jì)

此外，針對(duì)本文所述太陽(yáng)能觀光船特點(diǎn)，對(duì)包括船艙頂板結(jié)構(gòu)、舭龍骨等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在冬日時(shí)節(jié)，太陽(yáng)能板上的積雪會(huì)影響太陽(yáng)能板的光照利用率，而現(xiàn)有的頂板結(jié)構(gòu)并不能對(duì)太陽(yáng)能板上的積雪和積塵進(jìn)行便捷清除，同時(shí)在氣溫較高時(shí)，太陽(yáng)能板的背部安裝結(jié)構(gòu)處會(huì)由于太陽(yáng)板自身的運(yùn)行而產(chǎn)生大量熱量，現(xiàn)有的頂板結(jié)構(gòu)并不能對(duì)該區(qū)域熱量進(jìn)行便捷散發(fā)。本文所述太陽(yáng)能觀光船艙頂板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)多組空腔、槽類結(jié)構(gòu)，方便清理太陽(yáng)能板的正面灰塵、積雪，同時(shí)能夠?qū)μ?yáng)能板的背面進(jìn)行高效散熱，設(shè)計(jì)合理。太陽(yáng)能蓄電池船艙頂板設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能蓄電池船艙頂板設(shè)計(jì)圖

現(xiàn)有的舭龍骨為單一的板狀結(jié)構(gòu)，其安裝以及使用的穩(wěn)定性較差，在長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)生損壞之后不方便進(jìn)行拆卸更換，影響船體行駛的穩(wěn)定性，容易使乘坐人員受到人身傷害。本文所述太陽(yáng)能觀光船設(shè)計(jì)了第一板體以及第二板體之間能夠通過(guò)連接軸、安裝環(huán)以及渦旋彈簧進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，從而方便第一板體以及第二板體分別卡入第一安裝片和第二安裝片內(nèi)，有利于第一板體以及第二板體進(jìn)行安裝或拆卸更換。太陽(yáng)能蓄電池舭龍骨設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)能蓄電池舭龍骨設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的太陽(yáng)能光伏觀光船，基本完成了適用于嘉興南湖的內(nèi)河觀光船設(shè)計(jì)。新能源船型的應(yīng)用，將大大減少景區(qū)環(huán)境污染，具有重大環(huán)境效益。將改寫(xiě)中國(guó)風(fēng)景區(qū)旅游船舶大多采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的歷史，相較于充電式純電動(dòng)推進(jìn)船舶也具有能源來(lái)源更加清潔的優(yōu)勢(shì)?？蓪⒃摯晒?jīng)驗(yàn)推廣至具有游船的全國(guó)水上旅游景區(qū)，市場(chǎng)前景可期，并會(huì)帶來(lái)巨大的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。