(重慶交通大學(xué)，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(shì)下，尋求可持續(xù)清潔能源、充分利用太陽(yáng)能成為必然趨勢(shì)。太陽(yáng)能發(fā)電已在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)普及應(yīng)用。據(jù)國(guó)際專業(yè)機(jī)構(gòu)SHELL的預(yù)測(cè)，到2050年太陽(yáng)能在能源結(jié)構(gòu)中的比例約為13%～15%；歐盟能源的預(yù)測(cè)更為可觀，到2050年太陽(yáng)能在能源結(jié)構(gòu)中所占比重將達(dá)到28%，其中太陽(yáng)能發(fā)電達(dá)25.5%，到本世紀(jì)末太陽(yáng)能發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中將達(dá)63%[1]。

太陽(yáng)能已經(jīng)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(yīng)用。一是作為主要?jiǎng)恿δ茉粗?，?dú)立或與其他能源一起推動(dòng)船舶前進(jìn)；二是作為輔助能源應(yīng)用在船舶的照明系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助機(jī)械等方面。例如：早在2000年澳大利亞就建造了利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池和燃油的混合能源雙體渡船； 2006年美國(guó)與澳大利亞合作設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能風(fēng)翼大型三體游船(可搭載600名乘客)。2006年7月英國(guó)建造了完全由太陽(yáng)能發(fā)電的觀光往返船在倫敦市海德公園正式載客運(yùn)營(yíng)；2007年5月瑞士的“太陽(yáng)21號(hào)”雙體輕型帆船首次依靠太陽(yáng)能完成橫穿大西洋抵達(dá)美國(guó)紐約(船長(zhǎng)14 m, 船上惟一的能源是面積為60 m2的太陽(yáng)能電池)；2008年9月中國(guó)制造的商業(yè)用途太陽(yáng)能游艇在珠海下線(船長(zhǎng)約12 m，安裝太陽(yáng)能帆板)；2008年12月日本在一艘排水量6萬(wàn)t級(jí)的滾裝貨輪上裝備328個(gè)太陽(yáng)能電池板，能提供40 kW電量(約占船只總用電量0.2%)給機(jī)艙內(nèi)的機(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)等；2009年4月全球最大二維、三維數(shù)字設(shè)計(jì)軟件公司歐特克公司宣布，將贊助德國(guó)Planet Solar公司建造世界最大的太陽(yáng)能動(dòng)力船(船長(zhǎng)30 m，排水量85 t )，計(jì)劃于2010年實(shí)現(xiàn)環(huán)球航行；無(wú)錫為世博會(huì)精心打造“尚德國(guó)盛號(hào)”太陽(yáng)能豪華游船(船總長(zhǎng)31.5 m，可載186人，安裝可調(diào)控太陽(yáng)能轉(zhuǎn)翼風(fēng)帆，提供30%～100%的動(dòng)力)。

然而，太陽(yáng)能在以柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)為主機(jī)的大中型常規(guī)動(dòng)力裝置船舶中應(yīng)用卻很少。大中型船舶裝機(jī)容量和功率大，石化燃料消耗多，排放污染較嚴(yán)重，在2 000 t 以上的民用運(yùn)輸船舶中，柴油機(jī)動(dòng)力裝置就占總艘數(shù)的98%以上，裝船總功率達(dá)到90%以上[2]；統(tǒng)計(jì)顯示，現(xiàn)今全世界大小船舶共有385 333艘，合計(jì)約24億t。面對(duì)如此規(guī)模的船舶能耗市場(chǎng)，太陽(yáng)能應(yīng)該占有一席之地。

1 制約太陽(yáng)能在船舶動(dòng)力裝置中應(yīng)用的因素

1) 能量供應(yīng)不足。目前占市場(chǎng)主流的晶體硅太陽(yáng)能電池，理論光電效率值約29%，實(shí)驗(yàn)室已達(dá)25%，商業(yè)化產(chǎn)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(chǎn)電能1 kW左右，冬季和陰天產(chǎn)電能不到夏天的25%，再考慮雨天的電能儲(chǔ)備以及直流經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流損失等因素，需要較大面積電池板陣列才能產(chǎn)生足夠的電能。而大中型船舶動(dòng)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(duì)穩(wěn)性、抗風(fēng)浪等要求，太陽(yáng)能電池板陣列面積、安裝高度等受限?，F(xiàn)有的市場(chǎng)太陽(yáng)能產(chǎn)品，難以提供主機(jī)所需的大功率能量，特別是對(duì)航速要求高的船舶，因推動(dòng)力與航速呈三次方關(guān)系，僅依靠太陽(yáng)能難以保證。

2) 太陽(yáng)能裝置價(jià)格?，F(xiàn)階段市場(chǎng)太陽(yáng)能電源裝置的總投資價(jià)格較高，約在5萬(wàn)元/kW，電能的成本約5元/(kW·h)左右，與船舶柴油發(fā)電機(jī)組相比，投資價(jià)格差距較大，缺乏相應(yīng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，是制約太陽(yáng)能在大中型船舶動(dòng)力裝置中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。若能研制出新型太陽(yáng)能電源裝置，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換率，降低裝置總投資，使每度電能的價(jià)格基本接近燃油發(fā)電的成本，就具有很大的市場(chǎng)潛力和競(jìng)爭(zhēng)能力。

3) 電能貯存比較困難。目前與太陽(yáng)能動(dòng)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(xué)能和電能的可逆轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)充電和放電，價(jià)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(jīng)常維護(hù)。已經(jīng)應(yīng)用的少維護(hù)、免維護(hù)鉛酸蓄電池性能有一定提高，但仍難滿足大容量、長(zhǎng)時(shí)間貯存電能的要求，這是制約太陽(yáng)能在船舶動(dòng)力裝置中應(yīng)用的重要因素。研發(fā)中的超導(dǎo)貯能技術(shù)，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(yáng)能電源裝置以太陽(yáng)光為初始能源，受光照量影響大，船舶航區(qū)的地理?xiàng)l件與太陽(yáng)光照量直接決定裝置的光電轉(zhuǎn)換和發(fā)電量。比如：我國(guó)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(nèi)陸山川河流蜿蜒(特別是中上游航道)光照量相對(duì)較差，再加上季節(jié)性的陰雨氣象變化，無(wú)疑制約了太陽(yáng)能在船舶動(dòng)力裝置中的推廣應(yīng)用。

5) 太陽(yáng)能裝置可靠性。當(dāng)今占市場(chǎng)主流的晶體硅太陽(yáng)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(dá)10年左右。對(duì)常規(guī)船舶動(dòng)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(duì)較短，價(jià)格比晶體硅電池低很多。此外，太陽(yáng)能裝置在使用中的故障修理，需要專門技術(shù)人員而非一般輪機(jī)人員能完成，也是制約太陽(yáng)能在船舶動(dòng)力裝置中應(yīng)用的因素之一。

2 太陽(yáng)能在船舶動(dòng)力中的應(yīng)用前景

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展、制造工藝的不斷改進(jìn)、新材料的研發(fā)應(yīng)用等，具有耗材少、成本低、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、弱光性和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)的新型太陽(yáng)能電池必將問(wèn)世。2009年5月上海第三屆國(guó)際太陽(yáng)能光伏大會(huì)亮相六大頂尖技術(shù)①在美國(guó)“應(yīng)用”的雙結(jié)薄膜技術(shù)；②“新奧”的全球最大硅基薄膜太陽(yáng)能電池；③中電電氣(南京)光伏公司的世界最高轉(zhuǎn)換效率光伏電池；④林洋新能源光伏研發(fā)中心的長(zhǎng)壽命低衰減晶體硅太陽(yáng)能電池；⑤“正泰”高效薄膜太陽(yáng)能電池；⑥臺(tái)灣宇通“端對(duì)端微晶硅疊層”技術(shù)，標(biāo)志著太陽(yáng)能的開發(fā)應(yīng)用充滿生機(jī)。

2.1 作為電動(dòng)主機(jī)船舶的主動(dòng)力能源

電動(dòng)主機(jī)船舶所需的推動(dòng)能量完全或部分由太陽(yáng)能裝置提供。按常規(guī)船舶動(dòng)力裝置的基本要求,主機(jī)動(dòng)力應(yīng)根據(jù)船舶目標(biāo)任務(wù)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(shè)計(jì)航速的需要。

2.1.1 小型電動(dòng)主機(jī)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(dòng)力配置不大，主機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，完全可以將太陽(yáng)能作為主機(jī)動(dòng)力能源或主動(dòng)力能源之一；但由于太陽(yáng)能發(fā)電受光照變化影響大，對(duì)完全依靠太陽(yáng)能提供電能的動(dòng)力裝置，需配備足夠數(shù)量和容量的蓄電池(必要時(shí)輔以燃料電池)，確保航行和續(xù)航力需要。其動(dòng)力能源系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 小型電動(dòng)主機(jī)船舶動(dòng)力能源系統(tǒng)原理圖

2.1.2 大中型電動(dòng)主機(jī)船舶

大中型電動(dòng)主機(jī)船舶排水量較大，航程較長(zhǎng)，設(shè)有獨(dú)立電站，主機(jī)和輔助機(jī)械等多為交流電動(dòng)機(jī)，動(dòng)力配置較大，不可能以太陽(yáng)能為主要?jiǎng)恿δ茉?，但可將太?yáng)能裝置產(chǎn)生的電能(DC)通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?AC)后并入船舶電站，供主機(jī)或其他電器設(shè)備使用，以減少發(fā)電機(jī)組燃料消耗，降低排放污染，節(jié)約運(yùn)輸成本。其動(dòng)力能源系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 大中型電動(dòng)主機(jī)船舶動(dòng)力能源系統(tǒng)原理圖

2.2 作為船舶輔助機(jī)械的動(dòng)力能源

對(duì)以柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)為主機(jī)的大中型船舶，由于輔助機(jī)械較多，一般由船舶電站或獨(dú)立發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力能源，易于控制。因此，可將太陽(yáng)能裝置產(chǎn)生的電能并入船舶電站或作為單獨(dú)的動(dòng)力能源，從而減輕電站的發(fā)電負(fù)荷，進(jìn)而減少船舶電站設(shè)備配置數(shù)量(如發(fā)電機(jī)組)或單機(jī)功率，達(dá)到降低能耗、節(jié)約成本、減少排放目的。大中型船舶有相對(duì)較大的上層空間和甲板面積，船舶穩(wěn)性和抗風(fēng)浪性較好，有條件裝備相當(dāng)數(shù)量的太陽(yáng)能電池板及其設(shè)備。雖然一次性投入高于柴油發(fā)電機(jī)組，但太陽(yáng)能裝置使用壽命較長(zhǎng)，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(wàn)t級(jí)的滾裝貨輪利用太陽(yáng)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(diào)及生活照明系統(tǒng)能源

大中型客貨(郵)船一般航程較長(zhǎng)，載客量大，食物冷藏、客艙空調(diào)、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(chǎn)熱量均較大，無(wú)疑需要消耗大量燃料，運(yùn)營(yíng)成本高。可以利用太陽(yáng)能裝置產(chǎn)生的電能并入船舶電站，供制冷、空調(diào)設(shè)備及生活照明系統(tǒng)等使用，降低電站能耗。同時(shí)，還可以在較為空曠的甲板或頂層設(shè)計(jì)安裝一定數(shù)量太陽(yáng)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(jìn)水，減少鍋爐加熱時(shí)間和燃料消耗，降低運(yùn)營(yíng)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(yùn)量大，航程漫長(zhǎng)，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(zhǎng)，冬季原油卸貨困難，這恰恰為油船應(yīng)用太陽(yáng)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(yáng)能電池板陣列和一定數(shù)量的太陽(yáng)能熱水器。漫長(zhǎng)的航行途中既可以產(chǎn)生和儲(chǔ)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(guò)熱水器循環(huán)系統(tǒng)對(duì)油料(原油)加熱保溫。到達(dá)目的地后，立即釋放儲(chǔ)存的電能給駁運(yùn)設(shè)備，迅速進(jìn)行卸貨作業(yè)，并利用熱水循環(huán)系統(tǒng)，在主機(jī)廢氣鍋爐停運(yùn)后繼續(xù)對(duì)卸貨期間油料(原油)保溫，從而減少能耗，縮短駁運(yùn)作業(yè)和停靠碼頭時(shí)間，降低運(yùn)營(yíng)成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)石化能源日趨枯竭、排放污染日益加劇的形勢(shì)，世界各國(guó)加強(qiáng)了環(huán)保措施，并配套政策促進(jìn)太陽(yáng)能新材料、新技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。可以預(yù)見，太陽(yáng)能在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，并朝著優(yōu)化船舶電站配置和分配用電，利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)主機(jī)、輔助機(jī)械及其他設(shè)備，將高效率、低電壓、大功率、直流無(wú)刷永磁電機(jī)與船槳最佳配合等方向發(fā)展。太陽(yáng)能具有的能源儲(chǔ)備足、環(huán)境污染少、市場(chǎng)潛力大等優(yōu)勢(shì)，使其將成為現(xiàn)代船舶能源新的發(fā)展方向。

[1] 舒 暢.太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)概述及其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用[J].科海故事博覽：科教創(chuàng)新，2008(10)：113-114.

[2] 徐筱欣.船舶動(dòng)力裝置[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

[3] 李報(bào)明.老舊運(yùn)輸船舶管理規(guī)定[M].北京：中國(guó)交通出版社，2006.