于全虎

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太陽(yáng)能動(dòng)力船舶研究與發(fā)展綜述

于全虎

（江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能船舶發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的綜述，介紹了目前國(guó)內(nèi)外小型太陽(yáng)能游覽船、大中型太陽(yáng)能運(yùn)輸船及無(wú)人自動(dòng)駕駛太陽(yáng)能船的多個(gè)成功案例，簡(jiǎn)要闡述了各個(gè)案例中的船舶核心參數(shù)和主要特點(diǎn)，重點(diǎn)是太陽(yáng)能在船舶能源系統(tǒng)中的具體作用，提出了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能船舶技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)對(duì)太陽(yáng)能船舶的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理和分析，重點(diǎn)研究了船舶平臺(tái)、光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、主推進(jìn)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)及可能方案，最后總結(jié)了太陽(yáng)能船舶研發(fā)的迫切性和發(fā)展初步構(gòu)想。

太陽(yáng)能 可再生能源 船舶 關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

船舶行業(yè)目前認(rèn)同的綠色船舶技術(shù)主要包括：氣體燃料、電力推進(jìn)、太陽(yáng)能、燃料電池、熱泵技術(shù)、熱油系統(tǒng)與廢氣—熱油加熱、船舶接岸電、尾軸承水潤(rùn)滑、清潔后處理、有害材料替代等。當(dāng)前政策導(dǎo)向及航運(yùn)業(yè)需求決定了綠色船舶技術(shù)的應(yīng)用集中在清潔能源應(yīng)用方面，具體研究方向主要是LNG動(dòng)力和太陽(yáng)能動(dòng)力。LNG動(dòng)力船舶經(jīng)過(guò)多年的試點(diǎn)應(yīng)用，已開(kāi)始大面積推廣應(yīng)用。太陽(yáng)能技術(shù)在生活中早已廣泛應(yīng)用，歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)（EPIA）預(yù)計(jì)，2030年世界太陽(yáng)能發(fā)電在總電力供應(yīng)中的比例將達(dá)到10%以上；本世紀(jì)末將占到60%以上[1]，但作為船舶動(dòng)力能源的研究起步較晚。太陽(yáng)能船舶技術(shù)涉及船舶設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能以及推進(jìn)等多種技術(shù)集成，關(guān)鍵技術(shù)跨多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，技術(shù)含量高，目前應(yīng)用船舶數(shù)量較少，且基本局限于小型船艇，作為大中型船舶的動(dòng)力能源研究非常薄弱，許多關(guān)鍵性技術(shù)有待進(jìn)一步研究或改進(jìn)。

1 國(guó)外太陽(yáng)能船舶現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視船舶綠色能源技術(shù)研發(fā)，與船型優(yōu)化、電力推進(jìn)、核動(dòng)力、燃料電池、氫燃料、生物燃料、營(yíng)運(yùn)效率管理等共同列為策略性船舶節(jié)能技術(shù)。

商船三井2005年以來(lái)陸續(xù)完工了三艘太陽(yáng)能輔助動(dòng)力滾裝船“Euphony Ace”、“Swift Ace”和“Emerald Ace”號(hào)（圖1，主要參數(shù)見(jiàn)表1），均在上層甲板上大范圍安裝了太陽(yáng)能電池板和大容量充電電池，在船舶航行中將太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力存儲(chǔ)到鋰電池中，船舶停泊期間使用儲(chǔ)存電能，從而無(wú)需使用停泊柴油發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)在港停泊的零排放。

圖1 “Euphony Ace”（上左）； “Swift Ace” （上右）；“Emerald Ace”（下）太陽(yáng)能輔助動(dòng)力船

表1 商船三井完工的太陽(yáng)能輔助動(dòng)力船主要參數(shù)

2007年5月8日．瑞士MW—Line公司制造的雙體太陽(yáng)能動(dòng)力船“Sun 21”號(hào)（圖2）成功橫渡大西洋抵達(dá)美國(guó)，世界上第一次完全使用太陽(yáng)能而無(wú)需燃料實(shí)現(xiàn)橫穿大西洋航行。該船為雙體結(jié)構(gòu)，船長(zhǎng)14 m，寬6 m，重12 t，頂部覆蓋60 m2太陽(yáng)能電池板，雙電機(jī)推進(jìn)，速度9～12 km/h。在完全沒(méi)有陽(yáng)光的情況下，船上蓄電池可以維持連續(xù)航行18 h。

2008年12月，NYK和Nippon石油公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的世界上第一艘太陽(yáng)能混合動(dòng)力大型貨船“Auriga Leader”號(hào)完工（圖3），該船為滾裝運(yùn)輸船，船長(zhǎng)200 m，總噸60213，可運(yùn)載6400輛汽車(chē)，安裝了328塊太陽(yáng)能電池板，所發(fā)電力可輔助驅(qū)動(dòng)船只的推進(jìn)器、液壓設(shè)備和舵機(jī)等。

德國(guó)制造、瑞士注冊(cè)的太陽(yáng)能游艇“Planet Solar”號(hào)于2010年3月下水，該艇采用小水面線雙體船型，完全依靠太陽(yáng)能動(dòng)力航行。船長(zhǎng)31 m，寬15 m，排水量60t（圖4），船體由碳纖維增強(qiáng)材料和C70.130高密度芯材構(gòu)成。甲板上設(shè)有809塊面積達(dá)536 m2的太陽(yáng)能電池板，

圖3 “Auriga Leader”號(hào)太陽(yáng)能混合動(dòng)力船

圖4 “Planet Solar” 號(hào)太陽(yáng)能動(dòng)力雙體船

儲(chǔ)能裝置由6個(gè)巨型鋰電池組構(gòu)成，可提供90 kW的推進(jìn)功率，能在缺乏陽(yáng)光的情況下維持3天航行，最高航速可達(dá)15 kn，乘員50人。該船結(jié)合了小水面線和深V船型的優(yōu)點(diǎn)，雙體船型增大了甲板面積，弧形支柱使得結(jié)構(gòu)輕量化，具有阻力小、穩(wěn)性好、快速性、穿浪性能強(qiáng)、適航性?xún)?yōu)良的特點(diǎn)[2]。

日本郵船公司推出了以CO2零排放為目標(biāo)的“NYK超級(jí)生態(tài)船2030”概念船（圖5），采用太陽(yáng)能發(fā)電與風(fēng)力共同作用，同時(shí)結(jié)合燃料電池、LNG、低摩擦塗料、空氣潤(rùn)滑降阻、超高強(qiáng)度鋼質(zhì)輕量化船體等技術(shù)，預(yù)計(jì)CO2減排69%。

圖5 “NYK超級(jí)生態(tài)船2030”概念船

2016年Isaac Penny和Christopher Sam Soon合作建造了“Solar Voyager”號(hào)無(wú)人駕駛太陽(yáng)能船（圖6），船長(zhǎng)5.5 m，寬0.76 m，鋁制船體重250 kg，最高時(shí)速5 km/h，配備280 W太陽(yáng)能電池陣列，能通過(guò)銥星導(dǎo)航。

圖6 “Solar Voyager”號(hào)無(wú)人駕駛太陽(yáng)能船

2 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能船舶現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的中船702所、708所以及上海大學(xué)等院所、高校也進(jìn)行了太陽(yáng)能船舶的研發(fā)，已研制出一些太陽(yáng)能小艇。但是國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究與先進(jìn)國(guó)家相比還較為滯后，需要進(jìn)一步開(kāi)展太陽(yáng)能技術(shù)與船海工程、海事技術(shù)等學(xué)科交叉研究，學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用結(jié)合的理論和工程實(shí)踐研發(fā)[3]。

2010年6月我國(guó)第一艘太陽(yáng)能混合動(dòng)力游船“尚德國(guó)盛”號(hào)（圖7）在上海世博會(huì)期間投入服務(wù)，該船采用雙體船型，船長(zhǎng)31.85 m，寬9.8 m，高7 m，可容納150余名游客，是國(guó)內(nèi)第一艘太陽(yáng)能混合動(dòng)力船舶[2]。船上在“太陽(yáng)帆”和前甲板兩部分敷設(shè)太陽(yáng)能電池，“太陽(yáng)帆”高10 m，下寬5 m，面積為48 m2，2個(gè)面分別安裝了35片曲面異型太陽(yáng)能電池；甲板上安裝了18片太陽(yáng)能電池；單面“太陽(yáng)帆”和甲板太陽(yáng)能系統(tǒng)合計(jì)每日發(fā)電約18度。“太陽(yáng)帆”具有綜合選擇風(fēng)力、風(fēng)向和自動(dòng)旋轉(zhuǎn)跟蹤陽(yáng)光的功能。太陽(yáng)能既是游船推進(jìn)能源之一，也是照明的主電源。

圖7 “尚德國(guó)盛”號(hào)太陽(yáng)能混合動(dòng)力游船

2012年12月17日國(guó)家高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目—太陽(yáng)能在大型滾裝船上的應(yīng)用立項(xiàng)，具體實(shí)施改造船—“中遠(yuǎn)騰飛”輪（圖8）于2016年3月完成安裝調(diào)試并成功營(yíng)運(yùn)。該船運(yùn)載量為5300車(chē)位，安裝有540塊太陽(yáng)能電池板，構(gòu)成總?cè)萘?43.1 kW的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，采用國(guó)內(nèi)最大、世界領(lǐng)先的120 kW光伏離并網(wǎng)技術(shù)。

圖8 “中遠(yuǎn)騰飛”號(hào)太陽(yáng)能輔助動(dòng)力船

3 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能船舶技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)外已投入使用的太陽(yáng)能船舶的技術(shù)方向主要是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電力，然后為船舶提供推進(jìn)動(dòng)力源或日常用電源。其中對(duì)小型船舶而言，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力已可基本滿足全船所需能源，只是需要蓄電池在光照不良時(shí)提供備用電源，有的小型船舶由于所能布設(shè)的太陽(yáng)能電池面積太小，還需設(shè)有內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力。小型太陽(yáng)能船舶的類(lèi)型以游覽船為主，主要是通過(guò)清潔能源的應(yīng)用來(lái)降低航行水域的廢氣污染；大中型太陽(yáng)能船舶的太陽(yáng)能電池陣列僅可提供0.05~0.2%的船舶動(dòng)力和1~4%左右的船上日常用電，因此太陽(yáng)能電源一般不用做推進(jìn)能源，而是作為替代停泊發(fā)電機(jī)組的清潔能源，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)的排放降低乃至零排放，預(yù)計(jì)未來(lái)一段時(shí)間太陽(yáng)能在船舶上應(yīng)用的技術(shù)路線不會(huì)發(fā)生根本性改變。

4 太陽(yáng)能船舶的關(guān)鍵技術(shù)

船舶上應(yīng)用太陽(yáng)能主要都是使用光伏技術(shù)產(chǎn)生電能，并與船舶上原有的內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)的電站并網(wǎng)使用，然后供推進(jìn)、控制及日常用電，并設(shè)有蓄電裝置。因此。太陽(yáng)能船舶的關(guān)鍵技術(shù)會(huì)涉及船舶設(shè)計(jì)、光伏、儲(chǔ)能、主推進(jìn)、電池管理（BMS）、電站管理（PMS）等多個(gè)子系統(tǒng)及其技術(shù)的集成。

4.1 船舶平臺(tái)

在船舶上應(yīng)用太陽(yáng)能技術(shù)，首先需要將太陽(yáng)能電池的布置要求融入船舶設(shè)計(jì)。電池板需要布置在易于接受陽(yáng)光的開(kāi)敞甲板空間，所需布置面積要盡可能大一些；而船舶設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮水動(dòng)力學(xué)性能、穩(wěn)性以及裝載空間要求。因此船舶的總體布置及涉水部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮滿足船舶技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上采取技術(shù)手段增加電池板安裝面積，如采用多體船型增加平面甲板面積，還可將電池板的安裝面延伸出正常的甲板邊，“Planet Solar”號(hào)就是使用了這兩個(gè)方法，目前大部分太陽(yáng)能游覽船也是沿著這個(gè)思路設(shè)計(jì)。由于船型的限制，一般大型運(yùn)輸船舶都是單體船，甲板面大部分都設(shè)有裝載處所或布設(shè)有機(jī)電設(shè)備，因此上層建筑采用連續(xù)設(shè)計(jì)，并延伸至兩舷的滾裝船等較為適宜安裝大面積電池板，如上面所述的太陽(yáng)能滾裝船。當(dāng)然，也可將電池板安裝在一些伸出主船體部分的延伸結(jié)構(gòu)上，如“尚德國(guó)盛號(hào)”的“太陽(yáng)帆”同時(shí)結(jié)合了風(fēng)帆助航技術(shù)?！癗YK超級(jí)生態(tài)船2030”同樣采用了包括風(fēng)帆助航和太陽(yáng)能在內(nèi)的綜合節(jié)能技術(shù)，進(jìn)一步可以將其風(fēng)帆升級(jí)為類(lèi)似“尚德國(guó)盛號(hào)”的太陽(yáng)能風(fēng)帆，這其中涉及船舶性能及太陽(yáng)能、控制工程等較為復(fù)雜的技術(shù)融合。

4.2 光伏系統(tǒng)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心元器件是太陽(yáng)能電池，自1954年太陽(yáng)能電池發(fā)明以來(lái)，已發(fā)展出多種類(lèi)型，轉(zhuǎn)換效率也不斷提高。太陽(yáng)能電池主要分為晶硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池和新型太陽(yáng)能電池。薄膜和新型太陽(yáng)能電池多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段，EPIA預(yù)測(cè)至少到2020年，晶硅電池仍將占據(jù)50%的主流份額。規(guī)?；a(chǎn)的晶硅電池效率為13～18%，且制作過(guò)程復(fù)雜，價(jià)格昂貴，從船舶應(yīng)用太陽(yáng)能對(duì)能量密度、海上環(huán)境壽命和成本控制考慮，一些新型太陽(yáng)能電池更值得關(guān)注，如薄膜（化合物）電池、染料敏化電池、有機(jī)電池、鈣鈦礦電池、石墨烯電池、量子點(diǎn)電池等[4-10]。高效、耐候性好、長(zhǎng)壽命、低成本的太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展將帶來(lái)發(fā)電效率的提升和設(shè)備成本的降低，使得太陽(yáng)能成為真正的綠色船舶能源。

4.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能船舶全天候使用太陽(yáng)能，還需要高效儲(chǔ)能裝置，利用儲(chǔ)能裝置將光照較強(qiáng)時(shí)段多余的光伏電能進(jìn)行儲(chǔ)存。目前儲(chǔ)能裝置主要有鉛酸蓄電池、高性能儲(chǔ)電裝置（鋰電池、超級(jí)電容）以及燃料電池等。常規(guī)鉛酸蓄電池能量密度低，充放電循環(huán)壽命短，對(duì)安放空間限制較大的船舶來(lái)說(shuō)并不適合。

4.3.1高性能儲(chǔ)電裝置

1）超級(jí)電容

超級(jí)電容是一種擁有高能量密度的電化學(xué)電容器，可以經(jīng)受很高的電流迅速充放電，循環(huán)次數(shù)可達(dá)數(shù)十萬(wàn)次，但是能量密度僅為鋰電池的1/10，價(jià)格卻為其數(shù)十倍。超級(jí)電容最適用于站點(diǎn)密集、充電間隔短的情況，如公交車(chē)輛，并不適合規(guī)?；糜诖?。

2）鋰電池

鋰電池能量密度高，循環(huán)性能優(yōu)良，輸出功率大，主流種類(lèi)有磷酸鐵鋰電池和三元材料電池。磷酸鐵鋰電池安全、熱穩(wěn)性好、價(jià)格較低，但能量密度較低，理論密度僅為160 Wh/kg，現(xiàn)階段電池包的能量密度為90~120 Wh/kg，是目前動(dòng)力鋰電的主流。三元材料電池主要是鎳鈷鋁酸鋰和鎳鈷錳酸鋰電池，具有穩(wěn)定、容量高的優(yōu)點(diǎn)，但安全性較差且成本高，目前能量密度普遍在150～180 Wh/kg，最高可達(dá)200 Wh/kg，大量單體電池組成電池包的連接、散熱和管理系統(tǒng)（BMS）開(kāi)發(fā)是其應(yīng)用的難點(diǎn)，但仍是船用值得考慮的方向。

4.3.2燃料電池

燃料電池已有用作汽車(chē)、船舶等的動(dòng)力能源，但將燃料電池與太陽(yáng)能光伏技術(shù)結(jié)合用于太陽(yáng)能船舶的研究還很少。其中主流的氫燃料電池用作船舶儲(chǔ)能裝置需解決制氫與儲(chǔ)氫核心技術(shù)問(wèn)題，其中采用太陽(yáng)能發(fā)電分解水制氫技術(shù)較為適宜，能較好克服太陽(yáng)能能量密度低及光照時(shí)間有限制的缺點(diǎn)[10]。中科院大連化學(xué)物理研究所李燦團(tuán)隊(duì)提出了聚合物太陽(yáng)能電池和H2－O2燃料電池耦合的疊層電池概念，在光催化輔助燃料電池研究方面獲得新進(jìn)展[11]。

4.4 主推進(jìn)系統(tǒng)

目前太陽(yáng)能船舶的主推進(jìn)方式主要有純電推進(jìn)和混合動(dòng)力推進(jìn)模式兩大類(lèi)。

純電推進(jìn)模式的太陽(yáng)能船舶以推進(jìn)電機(jī)作為主動(dòng)力裝置，完全由太陽(yáng)能電池組及配套儲(chǔ)能電池組供電，目前在小型船舶上應(yīng)用較多，如“Sun 21”號(hào)和“Planet Solar” 號(hào)?；旌蟿?dòng)力推進(jìn)模式的太陽(yáng)能船舶通常由2種以上動(dòng)力裝置組成聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)，較多采用傳統(tǒng)內(nèi)燃動(dòng)力與電推構(gòu)成“內(nèi)燃機(jī)一電聯(lián)合”方式，具體模式為“內(nèi)燃機(jī)—電（內(nèi)燃機(jī)發(fā)電+光伏）”、“純電（內(nèi)燃機(jī)發(fā)電+光伏）”、“純內(nèi)燃機(jī)”。

4.5 電站管理系統(tǒng)（PMS）

電站管理系統(tǒng)（PMS）是電力推進(jìn)船舶的能源管理中樞，主要完成供電源控制和能量管理等功能，保障供電系統(tǒng)為推進(jìn)系統(tǒng)及其它用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，太陽(yáng)能船舶的PMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要充分考慮太陽(yáng)能電源的特性，并對(duì)蓄電裝置BMS進(jìn)行統(tǒng)一控制管理。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)際海事組織（IMO）制定的基于EEDI指標(biāo)的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)自2015年起要求新造船舶強(qiáng)制執(zhí)行，而且未來(lái)EEDI指數(shù)體系基線要求會(huì)不斷提高[12]，給予了研發(fā)太陽(yáng)能船舶的良好時(shí)機(jī)，通過(guò)開(kāi)展太陽(yáng)能船型的研發(fā)與試點(diǎn)應(yīng)用，可以為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展構(gòu)建研究、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，預(yù)計(jì)太陽(yáng)能在船舶上的應(yīng)用比例不斷提高是大勢(shì)所趨。

1）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有太陽(yáng)能船舶多為小型船舶，隨著太陽(yáng)能光伏及電推技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能船舶技術(shù)可推廣于各種船舶，這就需要集中開(kāi)展太陽(yáng)能船舶大型化方面的關(guān)鍵技術(shù)研究；

2）太陽(yáng)能技術(shù)的應(yīng)用需要適宜的船舶承載平臺(tái)，目前船舶技術(shù)的研究方向主要基于功能性和水動(dòng)力學(xué)性能等方面，這就需要在原有各類(lèi)船型的基礎(chǔ)上結(jié)合太陽(yáng)能系統(tǒng)的特性，研發(fā)新的船型，從目前現(xiàn)有成果來(lái)看，多體船型是一個(gè)值得重點(diǎn)關(guān)注的方向；

3）船舶是一個(gè)單一或小批量化的工業(yè)產(chǎn)品，適于進(jìn)行新技術(shù)的試驗(yàn)性應(yīng)用，可以在技術(shù)尚未完全成熟時(shí)，通過(guò)同時(shí)設(shè)置傳統(tǒng)動(dòng)力和太陽(yáng)能動(dòng)力模塊，進(jìn)行分步試驗(yàn)應(yīng)用；

4）太陽(yáng)能動(dòng)力特別適用于推進(jìn)功率較小、長(zhǎng)航時(shí)的場(chǎng)合，因此非常適用于無(wú)人水面航行器。

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Summarization of Research and Development on Solar Powered Ships

Yu Quanhu

（Jiangsu Ship Design &Research Institute Co., Ltd , Jiangsu 212003, Zhenjiang, China）

U662.2

A

1003-4862（2018）02-0030-05

2017-11-20

江蘇內(nèi)河航運(yùn)安全綠色關(guān)鍵技術(shù)研究重大專(zhuān)項(xiàng)（2013Y02）

于全虎（1974-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶輪機(jī)。Email：js.zj.yh@126.com