太陽能在船舶動力裝置中的應用與前景

(重慶交通大學，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下，尋求可持續清潔能源、充分利用太陽能成為必然趨勢。太陽能發電已在一些經濟發達國家和地區普及應用。據國際專業機構SHELL的預測，到2050年太陽能在能源結構中的比例約為13%～15%；歐盟能源的預測更為可觀，到2050年太陽能在能源結構中所占比重將達到28%，其中太陽能發電達25.5%，到本世紀末太陽能發電在能源結構中將達63%[1]。

太陽能已經開始在船舶(主要是旅游觀光船、游艇、短途渡船等小型船舶)上應用。一是作為主要動力能源之一，獨立或與其他能源一起推動船舶前進；二是作為輔助能源應用在船舶的照明系統、駕駛系統、空調系統、輔助機械等方面。例如：早在2000年澳大利亞就建造了利用太陽能、風能、燃料電池和燃油的混合能源雙體渡船； 2006年美國與澳大利亞合作設計了太陽能風翼大型三體游船(可搭載600名乘客)。2006年7月英國建造了完全由太陽能發電的觀光往返船在倫敦市海德公園正式載客運營；2007年5月瑞士的“太陽21號”雙體輕型帆船首次依靠太陽能完成橫穿大西洋抵達美國紐約(船長14 m, 船上惟一的能源是面積為60 m2的太陽能電池)；2008年9月中國制造的商業用途太陽能游艇在珠海下線(船長約12 m，安裝太陽能帆板)；2008年12月日本在一艘排水量6萬t級的滾裝貨輪上裝備328個太陽能電池板，能提供40 kW電量(約占船只總用電量0.2%)給機艙內的機器和發動機制動等；2009年4月全球最大二維、三維數字設計軟件公司歐特克公司宣布，將贊助德國Planet Solar公司建造世界最大的太陽能動力船(船長30 m，排水量85 t )，計劃于2010年實現環球航行；無錫為世博會精心打造“尚德國盛號”太陽能豪華游船(船總長31.5 m，可載186人，安裝可調控太陽能轉翼風帆，提供30%～100%的動力)。

然而，太陽能在以柴油機、燃氣輪機、蒸汽輪機為主機的大中型常規動力裝置船舶中應用卻很少。大中型船舶裝機容量和功率大，石化燃料消耗多，排放污染較嚴重，在2 000 t 以上的民用運輸船舶中，柴油機動力裝置就占總艘數的98%以上，裝船總功率達到90%以上[2]；統計顯示，現今全世界大小船舶共有385 333艘，合計約24億t。面對如此規模的船舶能耗市場，太陽能應該占有一席之地。

1 制約太陽能在船舶動力裝置中應用的因素

1) 能量供應不足。目前占市場主流的晶體硅太陽能電池，理論光電效率值約29%，實驗室已達25%，商業化產品的光電效率在15%～18%，每平方米電池在光照量較好地區夏季晴天最大產電能1 kW左右，冬季和陰天產電能不到夏天的25%，再考慮雨天的電能儲備以及直流經過逆變器轉換成交流損失等因素，需要較大面積電池板陣列才能產生足夠的電能。而大中型船舶動力配備足，能源需求量大，由于船舶空間、甲板面積的有限性和船舶對穩性、抗風浪等要求，太陽能電池板陣列面積、安裝高度等受限。現有的市場太陽能產品，難以提供主機所需的大功率能量，特別是對航速要求高的船舶，因推動力與航速呈三次方關系，僅依靠太陽能難以保證。

2) 太陽能裝置價格。現階段市場太陽能電源裝置的總投資價格較高，約在5萬元/kW，電能的成本約5元/(kW·h)左右，與船舶柴油發電機組相比，投資價格差距較大，缺乏相應的市場競爭能力，是制約太陽能在大中型船舶動力裝置中應用的關鍵因素。若能研制出新型太陽能電源裝置，進一步提高光電轉換率，降低裝置總投資，使每度電能的價格基本接近燃油發電的成本，就具有很大的市場潛力和競爭能力。

3) 電能貯存比較困難。目前與太陽能動力系統配套的貯能裝置大部分為普通鉛酸蓄電池，利用化學能和電能的可逆轉換實現充電和放電，價格較低，但貯能密度不高，容量不大，使用壽命較短，重量大，需要經常維護。已經應用的少維護、免維護鉛酸蓄電池性能有一定提高，但仍難滿足大容量、長時間貯存電能的要求，這是制約太陽能在船舶動力裝置中應用的重要因素。研發中的超導貯能技術，有望極大地提升和改變貯存能力。

4) 地理與光照條件影響。太陽能電源裝置以太陽光為初始能源，受光照量影響大，船舶航區的地理條件與太陽光照量直接決定裝置的光電轉換和發電量。比如：我國西部高原地區的光照量較東南部地區高出1倍左右，平原地區光照量又優于丘陵山區，而海上航行(非陰雨天)光照量普遍較為充足，內陸山川河流蜿蜒(特別是中上游航道)光照量相對較差，再加上季節性的陰雨氣象變化，無疑制約了太陽能在船舶動力裝置中的推廣應用。

5) 太陽能裝置可靠性。當今占市場主流的晶體硅太陽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10年左右。對常規船舶動力裝置而言，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較短，價格比晶體硅電池低很多。此外，太陽能裝置在使用中的故障修理，需要專門技術人員而非一般輪機人員能完成，也是制約太陽能在船舶動力裝置中應用的因素之一。

2 太陽能在船舶動力中的應用前景

隨著科學技術的迅猛發展、制造工藝的不斷改進、新材料的研發應用等，具有耗材少、成本低、重量輕、效率高、壽命長、弱光性和適應性強等特點的新型太陽能電池必將問世。2009年5月上海第三屆國際太陽能光伏大會亮相六大頂尖技術①在美國“應用”的雙結薄膜技術；②“新奧”的全球最大硅基薄膜太陽能電池；③中電電氣(南京)光伏公司的世界最高轉換效率光伏電池；④林洋新能源光伏研發中心的長壽命低衰減晶體硅太陽能電池；⑤“正泰”高效薄膜太陽能電池；⑥臺灣宇通“端對端微晶硅疊層”技術，標志著太陽能的開發應用充滿生機。

2.1 作為電動主機船舶的主動力能源

電動主機船舶所需的推動能量完全或部分由太陽能裝置提供。按常規船舶動力裝置的基本要求,主機動力應根據船舶目標任務配置，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計航速的需要。

2.1.1 小型電動主機船舶

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，動力配置不大，主機為直流電動機，完全可以將太陽能作為主機動力能源或主動力能源之一；但由于太陽能發電受光照變化影響大，對完全依靠太陽能提供電能的動力裝置，需配備足夠數量和容量的蓄電池(必要時輔以燃料電池)，確保航行和續航力需要。其動力能源系統原理見圖1。

圖1 小型電動主機船舶動力能源系統原理圖

2.1.2 大中型電動主機船舶

大中型電動主機船舶排水量較大，航程較長，設有獨立電站，主機和輔助機械等多為交流電動機，動力配置較大，不可能以太陽能為主要動力能源，但可將太陽能裝置產生的電能(DC)通過逆變器轉變為交流(AC)后并入船舶電站，供主機或其他電器設備使用，以減少發電機組燃料消耗，降低排放污染，節約運輸成本。其動力能源系統原理見圖2。

圖2 大中型電動主機船舶動力能源系統原理圖

2.2 作為船舶輔助機械的動力能源

對以柴油機、燃氣輪機、蒸汽輪機為主機的大中型船舶，由于輔助機械較多，一般由船舶電站或獨立發電機組提供動力能源，易于控制。因此，可將太陽能裝置產生的電能并入船舶電站或作為單獨的動力能源，從而減輕電站的發電負荷，進而減少船舶電站設備配置數量(如發電機組)或單機功率，達到降低能耗、節約成本、減少排放目的。大中型船舶有相對較大的上層空間和甲板面積，船舶穩性和抗風浪性較好，有條件裝備相當數量的太陽能電池板及其設備。雖然一次性投入高于柴油發電機組，但太陽能裝置使用壽命較長，節能環保，不消耗燃料，日積月累，效益十分可觀。日本6萬t級的滾裝貨輪利用太陽能裝置提供40 kW電量就是極好的范例。

2.3 作為大中型客貨(郵)船制冷空調及生活照明系統能源

大中型客貨(郵)船一般航程較長，載客量大，食物冷藏、客艙空調、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熱量均較大，無疑需要消耗大量燃料，運營成本高。可以利用太陽能裝置產生的電能并入船舶電站，供制冷、空調設備及生活照明系統等使用，降低電站能耗。同時，還可以在較為空曠的甲板或頂層設計安裝一定數量太陽能熱水器，向全船提供生活熱水，或以此作為燃油輔助鍋爐進水，減少鍋爐加熱時間和燃料消耗，降低運營成本，減少排放污染。

2.4 作為大型油船卸貨和加熱系統能源

大型油船載運量大，航程漫長，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，冬季原油卸貨困難，這恰恰為油船應用太陽能裝置創造了條件。可以在開闊的艙面甲板安裝較多的太陽能電池板陣列和一定數量的太陽能熱水器。漫長的航行途中既可以產生和儲存大量電能(需配備足夠數量和容量的蓄電池)，又可以通過熱水器循環系統對油料(原油)加熱保溫。到達目的地后，立即釋放儲存的電能給駁運設備，迅速進行卸貨作業，并利用熱水循環系統，在主機廢氣鍋爐停運后繼續對卸貨期間油料(原油)保溫，從而減少能耗，縮短駁運作業和停靠碼頭時間，降低運營成本。

3 結束語

面對石化能源日趨枯竭、排放污染日益加劇的形勢，世界各國加強了環保措施，并配套政策促進太陽能新材料、新技術研發和應用。可以預見，太陽能在船舶動力裝置中的應用會越來越多，并朝著優化船舶電站配置和分配用電，利用太陽能驅動主機、輔助機械及其他設備，將高效率、低電壓、大功率、直流無刷永磁電機與船槳最佳配合等方向發展。太陽能具有的能源儲備足、環境污染少、市場潛力大等優勢，使其將成為現代船舶能源新的發展方向。

[1] 舒 暢.太陽能動力系統概述及其在國內外的應用[J].科海故事博覽：科教創新，2008(10)：113-114.

[2] 徐筱欣.船舶動力裝置[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

[3] 李報明.老舊運輸船舶管理規定[M].北京：中國交通出版社，2006.