高愛君

(南通中遠海運船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

1 液化天然氣

液化天然氣作為船舶動力源，主要有單一使用液化天然氣燃料和使用雙燃料發(fā)動機2種形式。液化天然氣運輸船普遍采用單一的液化天然氣作為能源，而其他船舶大多采用雙燃料發(fā)動機。液化天然氣的儲存罐是獨立于船體的特殊構(gòu)造，選用的材質(zhì)需要能適應(yīng)低溫介質(zhì)。液化天然氣能源船舶還受到港口碼頭加注配套設(shè)施的影響，需要考慮經(jīng)濟性、續(xù)航力及相關(guān)設(shè)備布置等問題。目前液化天然氣在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，所以就不做具體的描述了。

2 太陽能光伏系統(tǒng)

近年來，太陽能光伏也在很多的船舶上有所應(yīng)用，但是由于太陽能光伏受制于外在陽光因素，所以能量具有不穩(wěn)定性，同時產(chǎn)生的電能如不能用掉還存在存儲問題，目前現(xiàn)有項目也只是將太陽能光伏系統(tǒng)作為船用動力中的一小部分或某個系統(tǒng)的能源來使用[1]。國內(nèi)外不乏太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用案例，早在2014年，中遠“騰飛”船利用年度檢驗修船的機會，安裝了總?cè)萘繛?43.1 kW 的太陽能光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)的典型技術(shù)特征在于采用鋰離子蓄電池作為儲能單元，采用船用太陽能離并網(wǎng)混合光伏發(fā)電系統(tǒng)，可根據(jù)航線上太陽能輻照強度、負載功率需求、經(jīng)濟性、安全性等因素進行4種運行模式切換，即光伏離網(wǎng)運行模式、光伏并網(wǎng)運行模式，光伏出力不足條件下的船舶電網(wǎng)功能模式、光伏系統(tǒng)故障時的船舶電網(wǎng)功能模式。

3 風帆動力

風帆動力源與太陽能光伏系統(tǒng)同樣有外部限制因素，所以應(yīng)用的范圍還是受限的，但基于科技的發(fā)展與海上風電技術(shù)的成熟，風帆動力也了有進一步的發(fā)展。

風翼柴油機混合動力船舶設(shè)計涉及到空氣動力學(xué)、船舶流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料工藝學(xué)、控制工程等多學(xué)科領(lǐng)域，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)?；陲L翼的風翼柴油機混合動力系統(tǒng)是一項原始創(chuàng)新，也是在現(xiàn)有技術(shù)條件下，利用風能通過風場測量系統(tǒng)獲得風速、風向等參數(shù)，然后根據(jù)風翼-推進-操縱系統(tǒng)聯(lián)合控制系統(tǒng)，調(diào)整風翼的迎風角，最大限度地獲取風能，并根據(jù)設(shè)定的工作模式，協(xié)調(diào)主機轉(zhuǎn)速、舵機轉(zhuǎn)角等，使船舶在保持原預(yù)定航向的前提下，減少主機所發(fā)出的功率而保持定速航行，或在主機功率不變的情況下提高航速，成為大型遠洋船舶提供輔助動力的最優(yōu)選擇[2]。

由南通中遠海運船務(wù)工程有限公司牽頭，各參研單位通力合作完成的“鵬龍”船，就是這種運用風帆輔助推進的船舶。該項目開發(fā)的風帆樣機是一種作業(yè)于海上的船用輔助推進裝置。該裝置通過電控方式實現(xiàn)機械操帆、收帆運動，將海上廣泛分布的不穩(wěn)定隨機風能轉(zhuǎn)化為船舶運輸?shù)膭幽?，達到船舶海上營運節(jié)能的目標。這一節(jié)能目標的實現(xiàn)是通過項目組在前期形成的風帆控制策略,借助操帆系統(tǒng)控制最佳帆向角，實現(xiàn)氣動升帆，輔助推進船舶前進[3]。因此，風帆樣機的開發(fā)本質(zhì)是借助編程優(yōu)化帆向角度，從而使風帆在有利風場環(huán)境下獲得較高的推力系數(shù)，實現(xiàn)船舶營運節(jié)能。通過對不同形式帆的研究，結(jié)合本項目樣機研制要求，最終認為采用拉伸收縮方式的天線式高帆具有更高的工程開發(fā)意義和良好的市場前景[4]。圖1為天線式高帆形式示意圖。

圖1 天線式高帆形式示意圖

采用風翼助航系統(tǒng)后，改變了船舶的受力特性。風翼在獲得推進力的同時，也產(chǎn)生了干擾航向保持的側(cè)向力，同時由于風翼的存在，改變了船舶的慣量、橫搖阻尼等參數(shù)，不僅對船舶的快速性產(chǎn)生影響，對船舶的操縱性也產(chǎn)生影響。通過對風翼柴油機混合動力船舶動力系統(tǒng)耦合特性的分析研究，確定目標船加裝風翼后的操縱性數(shù)學(xué)模型，為風翼柴油機混合動力船舶系統(tǒng)控制參數(shù)的選取提供依據(jù)。利用風翼柴油機混合動力船舶航行性能建立的風翼受力和船舶運動之間的關(guān)系，以及采用風翼助航后的船舶操縱性運動方程開展船舶運動仿真試驗，綜合考慮船舶在航行過程中的運動限制、風翼使用環(huán)境條件限制、風翼執(zhí)行機構(gòu)的延遲等約束條件，建立不同裝載狀態(tài)、不同航速、不同風向時最優(yōu)控制參數(shù)的選取方法[5]。

風翼助航船舶，在船舶甲板安裝輔助風翼，在保證船舶航速的條件下，降低主機轉(zhuǎn)速，從而降低燃油消耗。通過實船試航收集的各項參數(shù)報告分析，50%～75%負荷范圍內(nèi)，該試航段主機軸功率在5 102.07～7 902.22 kW范圍內(nèi)。設(shè)定柴油機熱效率和推進系數(shù)基本不變，可以確定節(jié)省燃油6.19%～9.59%。表1為某船試航階段的相關(guān)參數(shù)(部分)。

表1 某船試航階段的相關(guān)參數(shù)(部分)

該項目實現(xiàn)了船舶應(yīng)用新能源的突破，在滿足船舶的航行性能要求的條件下，達到節(jié)能5%～10%、碳排放量降低10%的目標，單每年節(jié)省燃油費用數(shù)萬元。同時實現(xiàn)了風翼助航關(guān)鍵技術(shù)的突破，為遠洋船舶清潔能源利用提供了技術(shù)支撐，填補了國內(nèi)空白。

4 大容量蓄電池

電池作為船舶動力由來已久，從作為備用電源應(yīng)用于船舶特定的系統(tǒng)到逐漸成為船舶的主要動力源，電池在其自身形式結(jié)構(gòu)以及材料上面都有了很大的技術(shù)進步。傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鉻電池等由于自身容量密度問題及存在一定危險性，很難大范圍的應(yīng)用。近年來，電池技術(shù)取得很大的發(fā)展，鋰電池越來越多地被應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。鋰電池的種類也很多，應(yīng)用最多的是三元鋰電池及磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在國外的應(yīng)用比較多，而國內(nèi)更多的是采用磷酸鐵鋰電池。相比于三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池對溫度的敏感度較低，穩(wěn)定性更好一些。工作溫度范圍廣泛，溫度的變化會影響電池的充放電容量及使用壽命。磷酸鐵鋰電池的能量密度相對三元鋰電池較低，也就是同等電能磷酸鐵鋰電池需要更大的體積。這也是在船舶應(yīng)用中面臨的一個困難，需要綜合考慮大容量的電池在體積、質(zhì)量及布置方面的問題。磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數(shù)一般從3 000～6 000次不等，充放電次數(shù)還與溫度、容量、時間等有關(guān)系。近年來由于國家對相關(guān)區(qū)域出臺了一系列限排要求，促使了電池行業(yè)的迅速發(fā)展，也進一步拉近了我國與國外在能源制造上的距離。目前國內(nèi)使用鋰電池的項目一般為短途運輸船、景區(qū)游船、渡船及沿海觀光游覽船，這些項目的特點是續(xù)航時間短，所需的電池容量不大。

在2019年之前，國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)對于電池在船舶上的應(yīng)用并沒有出臺完整的規(guī)范要求，很多都是特殊案例，能參考的相關(guān)文件也只有CCS發(fā)布的《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》。由于電池技術(shù)的高速發(fā)展，以及在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用需求，2019年國內(nèi)積極推動關(guān)于鋰電池檢驗規(guī)范的進程，發(fā)布了一系列指南文件，如《混合動力船舶檢驗指南》《純電池動力船舶檢驗指南》《直流配電系統(tǒng)檢驗指南》等。

以上文件對電池的本體、布置、相關(guān)通風消防措施以及失控后的處理措施等都作了說明及要求，特別針對電池的監(jiān)控系統(tǒng)功能做了詳盡的說明要求。電池監(jiān)控系統(tǒng)對整個電池系統(tǒng)的運行及監(jiān)測起到至關(guān)重要的作用，需要在第一時間監(jiān)測到異常狀況并做出正確的處理方式。在初級階段識別危險的存在，并阻止危險的進一步發(fā)展擴散，可以說電池監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)對于整個系統(tǒng)乃至全船都起著至關(guān)重要的作用，所以對電池監(jiān)控系統(tǒng)的要求也更為嚴格，目前國內(nèi)取得相關(guān)證書的廠家屈指可數(shù)。

由于三元鋰電池對于環(huán)境溫度的敏感性，目前現(xiàn)有投入使用的大部分三元鋰電池都采用水冷形式，對于水冷的水質(zhì)及管路也會有相關(guān)要求，而在熱失控條件下的處理方式也相對要復(fù)雜很多。大量電池的應(yīng)用勢必需要大容量的艙室儲存，而對于電池所產(chǎn)生的潛在危險又必須加以控制和處理，如此便增加了對于整個電池系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的要求。根據(jù)目前已經(jīng)得到認可的三元鋰電池試驗，在熱失控條件下，不會產(chǎn)生明火，但會有煙排出，如何處理煙道是產(chǎn)品與船上安裝需要協(xié)調(diào)解決的重點問題。基于有認證產(chǎn)品證明的三元鋰電池不會產(chǎn)生明火的特性，對應(yīng)的存儲艙室也被視為安全區(qū)域，這是不同于鉛酸電池等容易釋放易燃有毒氣體的又一改進。

磷酸鐵鋰電池對環(huán)境溫度要求相對來說沒有那么嚴苛，所以目前國內(nèi)大部分磷酸鐵鋰電池是采用風冷的調(diào)溫措施。但對電池艙的要求還是做了詳細的說明，如《混合動力船舶檢驗指南》中對電池艙的布置、電池艙通風系統(tǒng)的設(shè)計、艙室溫度以及應(yīng)急狀態(tài)的處理做了相應(yīng)的規(guī)定說明。近期國內(nèi)下水運營的豪華觀光游覽船“大灣區(qū)一號”就是采用的磷酸鐵鋰電池+柴油機發(fā)電的電力推進系統(tǒng)，該船建成后可具備零排放(達到氮氧化物II級和硫氧化物I級排放控制的要求)、超靜音等特點，充分體現(xiàn)了綠色、節(jié)能、環(huán)保理念。

《純電池動力船舶檢驗指南》針對電池不同安全等級要求也有不同。大容量電池的使用以及港口排放的管控，船舶靠港時連接岸電對岸基充電設(shè)備也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。岸電的容量、充電裝置、安全防護、操作方法等都有相關(guān)的要求。

5 氫能源

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氫能源的應(yīng)用也越來越廣泛，氫能汽車也到了試用階段，而氫能源船舶的概念設(shè)計早在十年前就在國外有相關(guān)報道，目前也有實驗項目驗證。氫是通過一定的方法用其它能源制取的、一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的可再生能源，優(yōu)點主要有：燃燒熱值高、不會有其他有害物質(zhì)。

氫燃料電池技術(shù)，一直被認為是利用氫能解決未來人類能源危機的終極方案。雖然燃料電池發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)基本已經(jīng)被突破，但是還需要更近一步對燃料電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進行改進、提升，使產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟。燃料電池壽命很長，且維護保養(yǎng)需求低。挪威船級社于2018年1月公布了船載氫氣的首批規(guī)則，這些規(guī)則借鑒了其他一些使用氫氣歷史較長的行業(yè)規(guī)范標準。氫氣在陸上已經(jīng)實現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng)用，如何建立具有失效保護的燃料電池電站并應(yīng)用在船舶上，將是氫燃料在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的最終目標。

氫氣的存儲是氫能源在船上應(yīng)用的難題，氫氣的液化溫度為-253 ℃，如何將氫氣液化和儲存不僅存在技術(shù)難點，而且對液化罐也提出了更高的要求。氫氣除了作為燃料，作為碳排放的中性替代方案也極具意義，它基本規(guī)避了船舶業(yè)亟待解決的碳排放問題。

6 釩液流電池

近期，相關(guān)船舶領(lǐng)域公司積極探討“釩液流電池”。據(jù)了解，“釩液流電池”是當今世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進、最接近產(chǎn)業(yè)化的高效充電燃料電池，全釩液流電池的主要原理是利用釩離子價態(tài)變化，實現(xiàn)電能儲存和釋放。具有功率大、能量大、效率高、成本低、壽命長、無污染等優(yōu)點，在光伏發(fā)電、風力發(fā)電、分布電站、交通市政等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

2019年12月31日工信部發(fā)布了關(guān)于《首臺(套)重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用知道目錄(2019年版)》的通告，釩液流電池列入其中。參會代表就“釩液流電池”船用條件、安全性、功率密度、布置形式等方面進行了討論。參會代表一致認為，經(jīng)過2～3年的努力，釩液流電池在船用電池市場應(yīng)具備實現(xiàn)的可能性。小容量釩液流電池將與鋰電池共存，大容量釩液流電池因其高可靠性、布置靈活性，將有可能取代鋰電池。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對環(huán)境的關(guān)注度越來越高，相信清潔能源會更多的被使用。清潔能源應(yīng)用研究的突破，將給船舶能源領(lǐng)域帶來突破創(chuàng)新，未來船舶能源市場將迎來多元化發(fā)展。