黎 庶

（武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 武漢430063）

引 言

當(dāng)今關(guān)于太陽能在交通工具（含汽車、火車、輪船等）上的應(yīng)用研究，都集中在太陽能光能轉(zhuǎn)換為電能這一研究領(lǐng)域上，例如2001年7月，美國太空總署資助研制的的“太陽神”號太陽能電池板飛機(jī)，太陽能電池板可為飛機(jī)提供10 kW的電能。中國早在1982年舉行的第14屆世界博覽會上就展出了“金龍?zhí)枴碧柲苡未?］。

1 太陽光熱能系統(tǒng)的技術(shù)背景

太陽能是一種低密度的能源，目前太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率一般只有10%左右［1］，因此太陽能光伏發(fā)電技術(shù)難以在交通工具上推廣使用。

而在太陽能轉(zhuǎn)換為熱能利用方面，應(yīng)用居多的都在建筑物上，交通工具（含汽車、火車，輪船等）上未見有應(yīng)用的報道。作為太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的主要部件，太陽能集熱器的日集熱效率目前已接近 50%。［2］

復(fù)合拋物面聚光器（簡稱CPC）、真空集熱和對太陽輻射的吸收率高而反射率低的光譜選擇性涂層被認(rèn)為是20世紀(jì)太陽能集熱器發(fā)展中所取得的最重要成就。整體式復(fù)合拋物面型集熱器（簡稱ICPC）是一種至今唯一不需要跟蹤就可提供100～300℃范圍的中溫太陽能熱利用裝置；它也可提供較低溫度（30～100℃）的熱能［3］，且性能不受供熱溫度和外界環(huán)境溫度的影響。把以上技術(shù)應(yīng)用于光的熱能轉(zhuǎn)換，其最大瞬時效率在78.9%左右［4］，大大提高了太陽能的利用效率。

2 船舶使用太陽光熱能系統(tǒng)的可行性分析

船舶由于在江海中航行，經(jīng)常受到風(fēng)浪以及雨、雪、冰雹和大風(fēng)的襲擊，采用光伏太陽能板，在遭受冰雹襲擊時有可能導(dǎo)致光伏太陽能板的性能永久性下降和損壞［1］。

16 200 t“偉大十月”號油船的輔助鍋爐裝置，其蒸汽產(chǎn)量為28 t/h（包括廢氣鍋爐）。日本油船使用的輔助鍋爐裝置，其蒸汽產(chǎn)量為120 t/h，其中船上所需2/3以上的蒸汽是用于加熱石油產(chǎn)品和帶動汽輪機(jī)。2 000～100 000 t干貨船輔助鍋爐蒸汽產(chǎn)量平均為0.46～3 t/h［5］，由此看來船用輔助鍋爐是船舶上的一種耗能較大的設(shè)備。船用輔助鍋爐一般在船舶停航時使用，航行中使用廢氣鍋爐。按太陽能常數(shù)［6］及按太陽能集熱器瞬時效率78%計(jì)算，1 000 m2的全玻璃真空管太陽能集熱器提供的瞬時太陽能功率為1 055.34 kW,約可產(chǎn)生1.5 t/h的蒸汽量。

在吸收式制冷方面：Farber等人（1960年，1970年）研究了一系列利用太陽能工作的氨-水制冷機(jī)，采用平板型集熱器，不帶蓄熱器。供發(fā)生器的水一般約60～93℃。Chung等人（1963年）報導(dǎo)了直接平板型集熱器驅(qū)動LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)［6］。當(dāng)今雙效吸收式制冷機(jī)其COP值已達(dá)到1.2左右［2］，第一類溴化鋰吸收式熱泵制熱，其COP值為1.7 以上［7］。整體式復(fù)合拋物面型集熱器（簡稱ICPC）可提供100～300℃的循環(huán)介質(zhì)，可作為吸收式制冷設(shè)備的熱源，給船舶上的空調(diào)系統(tǒng)提供冷氣和熱風(fēng)或用于伙食冷庫制冷。

3 太陽光熱能系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢

太陽能集熱系統(tǒng)單位面積的吸收效率和造價比同樣面積的太陽能電池要高得多且便宜許多，是光伏系統(tǒng)無可比擬的，特別是使用免費(fèi)的太陽能具有零排放的效果。因此，研究太陽光熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽能量、導(dǎo)熱油能量、制冷設(shè)備的制冷量或制熱量，將具有十分明顯的節(jié)能效果和實(shí)用價值，從而推動LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)在船舶上的應(yīng)用，大大降低目前需要加熱蒸汽或提供供熱能量而燃燒化石燃料帶來的廢氣排放量。其節(jié)約的能源和減少的排放量的價值不可估量，對節(jié)能減排和降低霧霾的濃度有著十分重要的意義。

4 太陽光熱能系統(tǒng)組成及介紹

綜上所述，筆者設(shè)計(jì)了在船舶上高效利用太陽能的船舶太陽光熱能采集與利用系統(tǒng)［8］。該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：（1）太陽能集熱器；（2）集熱器泵；（3）真空蓄熱箱；（4）發(fā)動機(jī)排煙管熱交換器；（5）供應(yīng)泵；（6）重油加熱器；（7）發(fā)動機(jī)膨脹水箱熱交換器；（8）吸收式制冷（熱）交換器（見圖1）。

圖1 船舶太陽光熱能采集與利用系統(tǒng)

部件說明：

（1）太陽能集熱器：采用復(fù)合拋物面聚光器（簡稱CPC），不需要跟蹤太陽位置；在赤道附近也可采用槽式太陽能集熱器。太陽能集熱器的安裝采用自適應(yīng)船舶建筑物頂部或甲板頂部平面的水平安裝方式，采用凹形安裝方式［8］。該方法完全不增加航行過程中的空氣阻力，也可采用凸形安裝方式（見圖2），其空氣阻力增加很小，可忽略不計(jì)。該方法易于安裝，集熱器頂部蓋板采用鋼化高透過率玻璃，提高太陽光的透過率并減少反射，且能防止冰雹將太陽能集熱器打壞。

圖2 船舶頂部凸形安裝示意圖

（2）集熱器泵：主要提供太陽能集熱器內(nèi)導(dǎo)熱油的循環(huán)，集熱器泵的動力源可采用安裝在船舶表面的太陽能光伏電池提供，也可由發(fā)動機(jī)機(jī)械動力或發(fā)電機(jī)提供，或由船舶自帶的蓄電池提供。傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油［10］，集熱器泵將導(dǎo)熱油送到太陽能集熱器內(nèi)吸收太陽能熱量，然后流回真空蓄熱箱，提高導(dǎo)熱油溫度。

（3）真空蓄熱箱：該蓄熱箱為雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)為真空，不銹鋼內(nèi)壁涂有反射紅外線輻射的涂層，具有14 h以上的保溫效果［11］，并可進(jìn)一步研究，延長保溫時間，或接岸電加熱，抵消霧霾天氣的影響。

（4）船舶發(fā)動機(jī)排煙管熱交換器：與太陽能加熱過的導(dǎo)熱油進(jìn)行熱交換，進(jìn)一步提高導(dǎo)熱油的溫度；或在陰雨天對太陽能供熱系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該部分相當(dāng)于船舶上的廢氣導(dǎo)熱油鍋爐。

（5）供應(yīng)泵：是將熱的導(dǎo)熱油供給重油加熱器，或供給發(fā)動機(jī)的膨脹水箱加熱冷卻水，從而加熱發(fā)動機(jī)的冷卻水和潤滑油，達(dá)到預(yù)熱發(fā)動機(jī)的目的；或供給吸收式制冷與制熱空調(diào)進(jìn)行制冷或制熱；或?qū)岬膶?dǎo)熱油送到船舶上的廚房做飯；或?qū)崮芴峁┙o氨吸收式制冷系統(tǒng)給廚房冷庫制冷。該泵可和集熱器泵集成于一個電動機(jī)的軸上，有利于系統(tǒng)的簡化，提高電動機(jī)的效率，但也可分開設(shè)置。

（6）重油加熱器：加熱進(jìn)入柴油機(jī)的重油以及油艙（柜）的保溫。

（7）發(fā)動機(jī)膨脹水箱加熱器：膨脹水箱是發(fā)動機(jī)冷卻水的添加入口，是為了排除發(fā)動機(jī)冷卻水中的氣體而設(shè)置的。它直接和發(fā)動機(jī)冷卻水相連，因此供應(yīng)泵帶來的熱量，加熱發(fā)動機(jī)膨脹水箱內(nèi)的水，實(shí)際上同時加熱了發(fā)動機(jī)內(nèi)的冷卻水，達(dá)到了暖機(jī)的效果，便于發(fā)動機(jī)啟動，對減少發(fā)動機(jī)摩擦，控制有害氣體排放和節(jié)約能源具有十分重要的意義。如果膨脹水箱內(nèi)被加熱了的水能被泵送到發(fā)動機(jī)的各個部分，則暖機(jī)時間會縮短且加熱更均勻。在某些船舶上如果安裝了船舶太陽光熱能采集與利用系統(tǒng)，可去掉作為暖機(jī)用途的船用輔助鍋爐系統(tǒng)，從而達(dá)到降低船舶造價及減輕自重的目的。

（8）吸收式制冷（熱）熱交換器：吸收供應(yīng)泵提供的熱能，夏天用于制冷，冬天采用第一類熱泵循環(huán)方式制熱或直接供應(yīng)熱水制熱［7］。

船舶太陽光熱能采集與利用系統(tǒng)工作原理：太陽能集熱器吸收太陽的光輻射能量被集熱器泵送來的礦物導(dǎo)熱油吸收，礦物導(dǎo)熱油被輸送到真空蓄熱箱內(nèi)儲存，熱能也就被儲存到真空蓄熱箱內(nèi)了；而流過復(fù)合拋物面聚光器（簡稱CPC）的導(dǎo)熱油溫度一般可達(dá)到100～300℃的溫度。如果是陰雨天，溫度不足，則關(guān)閉V-1閥，開啟V-2閥，讓導(dǎo)熱油再次流過發(fā)動機(jī)排煙管熱交換器，使導(dǎo)熱油溫度進(jìn)一步升高，達(dá)到重油加熱溫度（吸收式制冷與制熱空調(diào)可根據(jù)這個重油加熱溫度，通過吸收式制冷（熱）熱交換器的熱交換，使溫度下降到所需的最佳制冷溫度［12］）。由供應(yīng)泵送到重油加熱器（V-3閥，V-4閥開）；由供應(yīng)泵送到發(fā)動機(jī)膨脹水箱（V-3閥，V-5閥開）；由供應(yīng)泵送到吸收式制冷（熱）熱交換器（V-3，V-6閥開）；分別完成重油加熱；發(fā)動機(jī)預(yù)熱及空調(diào)制冷或制熱的工作。

關(guān)于發(fā)動機(jī)排煙管熱交換器的說明：當(dāng)利用發(fā)動機(jī)排氣加熱也可安排在真空蓄熱箱之后，這時關(guān)閉V-3閥，導(dǎo)熱油走圖2虛線表示的路線，流過發(fā)動機(jī)排煙管熱交換器，進(jìn)一步提高導(dǎo)熱油的溫度。在晚上可關(guān)閉集熱器泵，防止導(dǎo)熱油循環(huán)的熱損失。

當(dāng)然，船舶安裝太陽能集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)的可靠性，如船舶搖擺震動對集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件的影響、不同氣象條件下（包括霧霾天氣）真空蓄熱器的保溫時間及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件的運(yùn)行適應(yīng)性、集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件安裝位置及安裝場地布置的合理性、集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件是否會導(dǎo)致船舶火災(zāi)等諸多因素還需與合作廠家進(jìn)一步探討研究和運(yùn)行觀測。

5 結(jié) 論

顯然，太陽光熱能系統(tǒng)不僅適用于船舶等交通工具的節(jié)能，而且適用于普通建筑物的節(jié)能，如商場、醫(yī)院、宿舍、別墅等的制冷和采暖，都可以參考采用交通工具太陽能集熱與利用系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成方式和安裝方式。因此，該設(shè)計(jì)方案將節(jié)約的能源不可估量，對CO2減排以及降低當(dāng)前的霧霾濃度，具有十分重要的意義。然而該設(shè)計(jì)方案尚處于概念階段，離實(shí)用尚有一段距離；但我們相信：在不久的將來，船舶太陽光熱能采集與利用系統(tǒng)，在節(jié)能領(lǐng)域?qū)玫綇V泛應(yīng)用，為緩解霧霾天氣和節(jié)約能源作出貢獻(xiàn)。

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