張 彥， 黃靖晨， 李慧媛

(1.武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院；b.自動化學(xué)院，武漢 430070；2.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點試驗室，武漢 430063；3.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

船舶清潔能源利用與航線優(yōu)化的協(xié)同性

張 彥1a,2,3， 黃靖晨1a， 李慧媛1b

(1.武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院；b.自動化學(xué)院，武漢 430070；2.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點試驗室，武漢 430063；3.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

應(yīng)用清潔能源已成為未來船舶發(fā)展的方向，但太陽能、風(fēng)能等清潔能源的實際效率很大程度上受海洋環(huán)境的影響。由于船舶在航行過程中所面臨的海洋環(huán)境與實際航線密切相關(guān)，研究船舶清潔能源利用與航線之間的協(xié)同性能有效提高能源利用效率。根據(jù)航線信息，給出評價在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經(jīng)濟(jì)性的方法，并以太陽能船舶為例提出一種適用于使用清潔能源船舶的航線優(yōu)化方法。

航線優(yōu)化；船舶；清潔能源；經(jīng)濟(jì)性評價；能效提升

隨著世界進(jìn)入海洋大發(fā)展時期，海洋資源開發(fā)和海洋能源利用受到各國的高度重視。[1]然而，作為海洋發(fā)展的重要載體和重要組成部分，航運業(yè)正面臨燃油成本不斷升高、環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格的雙重壓力。因此，在節(jié)能減排要求日趨嚴(yán)格的巨大壓力下，綠色船舶成為未來船舶發(fā)展的方向。[2]在諸多綠色船舶技術(shù)中，風(fēng)能、太陽能和液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)等清潔能源的使用最具發(fā)展前景。[3]

國內(nèi)外關(guān)于清潔能源在船舶上應(yīng)用的研究實例[4]有許多，例如由美國設(shè)計、法國建造的世界上最大的風(fēng)帆客船之一“Windstar”號、世界上最大的采用光伏離并網(wǎng)技術(shù)的太陽能船舶“中遠(yuǎn)騰飛”號及國內(nèi)第一艘內(nèi)河LNG船“武輪302”號等。目前已有研究[5-7]主要集中在海洋環(huán)境下船舶清潔能源利用的可行性及具體形式，相關(guān)系統(tǒng)的組成、可靠性及控制等方面，在提高清潔能源系統(tǒng)使用效率方面?zhèn)戎赜趶南到y(tǒng)自身出發(fā)降低能源轉(zhuǎn)換消耗和系統(tǒng)損失。但實際上，對于風(fēng)帆、太陽能光伏系統(tǒng)，其運行效能很大程度上受制于航行過程中風(fēng)速、輻照強度等海洋環(huán)境的具體情況，而這又與船舶航線息息相關(guān)。因此，研究船舶清潔能源利用與船舶航線之間的關(guān)系對于基于經(jīng)濟(jì)性評價來合理選擇清潔能源并提高其使用效率而言，具有積極的促進(jìn)作用。對此，根據(jù)航線信息給出評價在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經(jīng)濟(jì)性的方法，并通過航線優(yōu)化給出一種提升能源利用效率的具體方式。

1 船舶清潔能源利用與航線的協(xié)同關(guān)系

1.1 船舶清潔能源的利用及其特點

依據(jù)清潔能源利用裝置能否快速響應(yīng)負(fù)載，將清潔能源分為可控能源和不可控能源2類，其中不可控能源的出力情況受環(huán)境的影響明顯。清潔能源主要為不可控能源，包括風(fēng)能、太陽能等；影響能源出力情況的環(huán)境主要指海洋氣象環(huán)境。

1)風(fēng)能是可再生清潔能源，主要源于太陽輻射熱引起的大氣對流。當(dāng)前，風(fēng)能在船舶上利用的模式有風(fēng)帆助航和風(fēng)力發(fā)電2種，其中，風(fēng)帆助航的應(yīng)用較為廣泛，風(fēng)力發(fā)電只在躉船等少數(shù)船舶上應(yīng)用。

2)太陽能源于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，其在船舶上的應(yīng)用主要有光熱技術(shù)和光伏技術(shù)2種形式，其中：光熱技術(shù)是指利用太陽光的熱輻射，包括熱能直接利用和熱發(fā)電2種具體應(yīng)用方式；光伏技術(shù)是指基于光生伏打效應(yīng)，直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能利用。由于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已逐漸成熟，能有效降低成本、提升可靠性和使用效率，因此其在船舶上的應(yīng)用越來越普遍。[8]

無論是太陽能還是風(fēng)能，其在不同海域環(huán)境下的分布是不同的，從而造成能源出力情況不同。

1.2 清潔能源利用與航線的協(xié)同關(guān)系

海洋氣象環(huán)境信息通常包含2個層面，即：根據(jù)多年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的氣候數(shù)據(jù)，具有平均性和規(guī)律性；根據(jù)氣象預(yù)報技術(shù)得出的氣象數(shù)據(jù)，具有實時性和動態(tài)性。由此產(chǎn)生氣候航線和氣象航線。

氣候航線是以氣候資料為基礎(chǔ)，在氣候資料統(tǒng)計、航海經(jīng)驗和各大洋季節(jié)特征的基礎(chǔ)上制訂的。根據(jù)氣候航線的特點，其可為在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經(jīng)濟(jì)性評價提供數(shù)據(jù)，進(jìn)而作為特定船舶選擇清潔能源種類及利用形式的參考依據(jù)。同時，由于氣候資料中僅給出某一海域的天氣和海況的平均狀況，在氣候航線上航行的船舶所遇到的實際天氣和海況往往與此有差別，而根據(jù)最新的天氣和海況資料進(jìn)行的氣象導(dǎo)航則能較為準(zhǔn)確地了解到實時的天氣情況。因此，通過對氣象航線進(jìn)行優(yōu)化來修正原有航線，即可提高某一具體航次船舶清潔能源的使用效率。[9-10]

這里認(rèn)為清潔能源利用與航線的協(xié)同關(guān)系應(yīng)包括以下2個層面：

1)船舶使用清潔能源的經(jīng)濟(jì)性評價應(yīng)基于氣候航線；

2)在具體航行時,應(yīng)充分考慮氣象航線，通過航線優(yōu)化提高船舶清潔能源的使用效率。

2 船舶清潔能源的經(jīng)濟(jì)性評價

2.1 評價方法的定義

受燃油成本不斷上升、排放法規(guī)日趨嚴(yán)格等現(xiàn)實因素影響，在船舶上使用清潔能源是必然趨勢。但是，由于不同的清潔能源有著不同的特點，使得其在不同船舶上應(yīng)用呈現(xiàn)出不同程度的適應(yīng)性。在實際工程應(yīng)用中，需依據(jù)對應(yīng)的參考指標(biāo)在目標(biāo)船舶上選擇清潔能源的種類及具體利用模式，其中最主要的就是可靠性和經(jīng)濟(jì)性。然而，隨著清潔能源技術(shù)在實船上應(yīng)用的案例逐漸增多、相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，經(jīng)濟(jì)性成為清潔能源技術(shù)大范圍推廣的重要影響因素。合理評價在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經(jīng)濟(jì)性，可有效規(guī)避潛在的投資風(fēng)險。

對于清潔能源在船舶上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性評價，這里認(rèn)為是指利用投資收益比來評價在有效使用壽命周期內(nèi)利用清潔能源是否有價值。

2.2 評價函數(shù)

若要對清潔能源在船舶上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行正確評價，就要全面了解應(yīng)用過程中涉及到的總成本、收益及凈現(xiàn)金流。結(jié)合當(dāng)前船舶主要以燃油為能量來源的現(xiàn)狀，以清潔能源利用系統(tǒng)為研究對象，得出通用性的評價函數(shù)，具體如下。

2.2.1清潔能源利用系統(tǒng)節(jié)能功率

對于不可控清潔能源，其利用裝置的出力情況與環(huán)境清潔能源實際供能大小密切相關(guān)，因此利用式(1)計算實際輸出功率。

Pk=E0βwθd

(1)

式(1)中：Pk為清潔能源利用系統(tǒng)實際輸出功率，kW；E0為清潔能源利用系統(tǒng)峰值功率，kW；βw為環(huán)境影響因數(shù)；θd為系統(tǒng)自身及其他影響因數(shù)。

清潔能源利用系統(tǒng)提供的能量實際上是用來減少船舶燃油消耗量的，因此系統(tǒng)的實際輸出功率Pk可認(rèn)為是節(jié)能功率。

Pper=∑(Pktk)

(2)

式(2)中：Pper為清潔能源利用系統(tǒng)第t年的輸出能量，kW·h/a；tk為Pk對應(yīng)的系統(tǒng)運行時間，h/a。

(3)

式(3)中：Qper為第t年的燃油節(jié)省量，t/a；εper為燃油的燃燒值，kW·h/t；θp為由于柴油機供油減少使得燃燒效率改變而對εper的修正系數(shù)。

CFUEL，t=QperCper

(4)

式(4)中：CFUEL，t為第t年的燃油節(jié)省費用，元/a；Cper為燃油消耗成本，元/t。

2.2.2經(jīng)濟(jì)性評價函數(shù)

綜合考慮投資成本、燃油節(jié)省費用和凈現(xiàn)金流，得到船用清潔能源的經(jīng)濟(jì)性評價函數(shù)[11]為

CO&M,t)(1+r)T-t]-Cinvestment(1+r)T

(5)

式(5)中：CNP,t為到T年系統(tǒng)的凈收益，元；CO&M,t為第t年中系統(tǒng)運行管理、維護(hù)等產(chǎn)生的費用，元/a；Cinvestment為系統(tǒng)的總投資成本，元；r為貼現(xiàn)率(在小風(fēng)險資本市場投資所能獲得的回報率，一般取3.5%)；Cf為由于環(huán)保法規(guī)等造成的節(jié)省費用，元。

由式(5)可知，當(dāng)CNP,t=0時，T為投資回收期。只有當(dāng)投資回收期小于系統(tǒng)使用壽命時才具有經(jīng)濟(jì)價值，且差值越大越好。同時,隨著燃油價格不斷增長、環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，在船舶上使用清潔能源的價值越來越大。

2.3 經(jīng)濟(jì)性評價函數(shù)與氣候航線的關(guān)系

經(jīng)濟(jì)性評價函數(shù)涉及多個變量，但在當(dāng)前這一特定時期，燃油價格、環(huán)保法規(guī)和貼現(xiàn)率等不會有特別大幅度的變化，對于某一特定船舶，Qper成為非常重要的影響因素，而其中βw是相對變化范圍較大的部分，且與航線有關(guān)。βw是環(huán)境影響系數(shù)，實際上就是可利用的清潔能源的量。對某一船舶進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價，需將其放在一個相對較長的時間段內(nèi)，利用統(tǒng)計值進(jìn)行計算，而這需借助氣候航線的相關(guān)數(shù)據(jù)。

例如光伏系統(tǒng)在船舶上的使用，對于主要航行于低緯度太平洋地區(qū)的船舶和主要航行于高緯度大西洋地區(qū)甚至是東北航道的船舶，發(fā)光效率存在很大的區(qū)別，直接影響到光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。采用經(jīng)濟(jì)性評價函數(shù)可很方便地評價出長期航行于某一航線的船舶利用某清潔能源的經(jīng)濟(jì)性，從而確定使用價值。

3 清潔能源船舶航線優(yōu)化方法

3.1 航線優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立

通過航線優(yōu)化提高某一具體航次清潔能源的使用效率實際上就是采用氣象導(dǎo)航技術(shù)確定最優(yōu)航線，使節(jié)能減排效果最好。

氣象導(dǎo)航實際上是一個多目標(biāo)求解問題，確立目標(biāo)函數(shù)十分關(guān)鍵，而對于裝載有清潔能源的船舶，自然要將清潔能源的實際使用效果作為優(yōu)化目標(biāo)之一。

使用清潔能源不僅可降低燃油成本，還可減少排放，其在某一航次的出力越大越好。但是，作為航線優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，除了考慮清潔能源的輸出能量以外，還應(yīng)減去航線延長所增加的主機油耗量，因此提出針對清潔能源船舶的節(jié)能評價函數(shù)，以此作為航線優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，即

(6)

式(6)中：Qper1為某一航次使用清潔能源的等效燃油節(jié)省量，t；Qother為航線延長所增加的主機油耗量，t；Ci和Cj為燃油量與CO2量的轉(zhuǎn)換系數(shù)；mcargo為船舶所載貨物的質(zhì)量或所作的功。

3.2 航線優(yōu)化的一般方法

2個規(guī)定地點之間的參考航線通常有多條，航線優(yōu)化是在考慮地域特征、海洋水文和氣象條件等因素的基礎(chǔ)上，完成航行安全、航時最省、人員舒適和貨損最小的多目標(biāo)優(yōu)化選擇。這里提出的清潔能源船舶航線優(yōu)化的一般方法是在保證航行安全及其他因素在可接受范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，基于清潔能源船舶的節(jié)能評價函數(shù)，從參考航線中選取節(jié)能減排效果最好的推薦航線。

3.3 太陽能船舶航線優(yōu)化實例

以太陽能船舶從新加坡到悉尼的航線優(yōu)化為例說明所提出的航線優(yōu)化方法的應(yīng)用。所選用的目標(biāo)船舶為中遠(yuǎn)海運(集團(tuán))有限公司的一艘5 000車位滾裝船，船上安裝有峰值功率為143.1 kW的光伏陣列，主機功率為12 342 kW，航速為20 kn。

圖1為基于BLM-Shipping得出的從新加坡到悉尼可供選擇的2條航線，航線①的長度為4 275.15 n mile，航線②的長度為4 285.6 n mile。同時，以10°為單位劃分經(jīng)緯線，標(biāo)注目標(biāo)航期內(nèi)的輻照強度?；谑?6)，可得出航線①的Weeoi=4.69 CO2/car，航線②的Weeoi= 0.12 CO2/car。

圖1 基于BLM-Shipping得出的從新加坡到悉尼可供選擇的航線

由結(jié)果可知,航線①更節(jié)能， 但必須意識到在基于清潔能源船舶的節(jié)能評價函數(shù)進(jìn)行航線優(yōu)化時，必須確定其與其他因素的權(quán)重。片面追求清潔能源出力大可能會使航行距離延長，這不僅會導(dǎo)致航運周期發(fā)生變化，而且從節(jié)能減排的角度看，主機等耗油設(shè)備由此帶來的耗油增加也可能會超過使用清潔能源帶來的價值。

4 結(jié)束語

利用清潔能源是船舶未來發(fā)展的方向。正是由于航線與清潔能源利用密切相關(guān)，研究二者之間的協(xié)同性至關(guān)重要。根據(jù)氣候航線的數(shù)據(jù)評價特定船舶使用清潔能源的經(jīng)濟(jì)性,可有效規(guī)避潛在的投資風(fēng)險，確定最佳的利用模式；同時，依據(jù)氣象導(dǎo)航技術(shù)的航線優(yōu)化可提高船用清潔能源的效率，進(jìn)一步提升節(jié)能減排效果。但必須意識到,對于使用清潔能源的船舶來說，不能僅將清潔能源的實際使用效果作為優(yōu)化目標(biāo)之一，在考慮相關(guān)因素各自權(quán)重的基礎(chǔ)上的多目標(biāo)求解才是關(guān)鍵。

[1] 嚴(yán)新平,白秀琴,袁成清. 試論海洋摩擦學(xué)的內(nèi)涵、研究范疇及其研究進(jìn)展[J]. 機械工程學(xué)報,2013(19):95-103.

[2] CHU S, MAJUMDAR A. Opportunities and Challenges for a Sustainable Energy Future [J]. Nature, 2012, 488(7411): 294-303.

[3] 嚴(yán)新平.新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望[J].船海工程,2010,39( 6):111-115.

[4] 嚴(yán)新平,徐立,袁成清.船舶清潔能源技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2012：211-218.

[5] TEETER J L, CLEARY S A. Decentralized Oceans: Sail-Solar Shipping for Sustainable Development in SIDS[J]. Natural Resources Forum, 2014, 38(3):182-192.

[6] KOKUSHO T, EMOTO E, KATO T. Sailing Solar-Cell Raft Project and Weather and Marine Conditions in Low-Latitude Pacific Ocean[J]. Journal of Energy Engineering, 2013,139(1):2-7.

[7] WANG L, THI MSN. Stability Enhancement of Large-Scale Integration of Wind, Solar, and Marine-Current Power Generation Fed to an SG-Based Power System Through an LCC-HVDC Link[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2014, 5(1): 160-170.

[8] 袁成清,張彥,白秀琴,等. 船舶非碳能源利用模式和能效提升的協(xié)同作用[J]. 船舶工程,2013(6):116-119.

[9] LIN Y H, FANG M C, YEUNG R W. The Optimization of Ship Weather-Routing Algorithm Based on the Composite Influence of Multi-Dynamic Elements[J]. Applied Ocean Research, 2013, 43: 184-194.

[10] NORSTAD I, FAGERHOLT K, LAPORTE G. Tramp Ship Routing and Scheduling with Speed Optimization[J]. Transportation Research Part C, 2011, 19: 853-865.

[11] WENHAM S R, GREEN M A, WATT M E, et al. Applied Photovoltaics[M]. UK & USA: Earthscan, 2007:55-56.

SynergyofMarineCleanEnergywithRouteOptimization

ZHANGYan1a,2,3,HUANGJingchen1a,LIHuiyuan1b

(1a. School of Energy and Power Engineering; 1b. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology(Ministry of Transport), Wuhan 430063, China; 3. National Research Engineering Center for Water Transport Safety， Wuhan 430063, China)

The clean energy is walking into maritime industry. However, the actual efficacy of clean energy, such as wind or solar energy is dependent on marine environment which is mainly associated with the shipping sailing line. It is possible to gain tremendous benefit from the synergy of clean energy with route optimization. A method is proposed for evaluating the economy of using certain kind of clean energy for ships navigating in particular area, referencing the information relating to their voyage routes. A case of route optimization for a ship with solar energy is demonstrated.

route optimization; ship; clean energy; economical evaluation; energy efficiency improvement

2017-12-12

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金(51422507)

張 彥(1989—)，男，浙江湖州人，實驗師，博士生，研究方向為新能源系統(tǒng)可靠性與智能遠(yuǎn)程。E-mail:zhangyant1223@163.com

李慧媛(1988—)，女，湖北武漢人，講師，研究方向為自動控制與參數(shù)辨識。E-mail: 372414291@qq.com

1000-4653(2018)01-0109-04

U674.925

A