大型遠洋運輸船舶碟式斯特林太陽能熱發電系統的構建

胡 義，朱順敏，徐 兵

(1.武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430063;2.高性能船舶技術教育部重點實驗室，湖北武漢 430063;3.武漢理工大學計算機學院，湖北武漢 430063)

近年來，在全球石化能源日趨枯竭，燃油占船舶運輸成本越來越大及排放污染日益加劇的國際形勢下，為使航運業能夠可持續發展，世界造船業的主要研究方向開始集中在節能減排、探索新能源、大力發展船舶清潔可再生動力能源技術等方面［1］。

太陽能作為一種清潔可持續使用能源，具有能源儲備足、環境污染少、市場潛力大等優勢，使其成為現代船舶能源新的發展方向［2］。

與光伏發電相比，碟式斯特林太陽能熱發電具有光電轉換效率高、發電規模靈活、場地平坦性要求低、耗水量少等優點［3～6］。

因此在大型遠洋運輸船舶上構建碟式斯特林太陽能熱發電系統 (以下簡稱碟式發電系統)可以在一定程度上緩解航運業面臨的燃油價格上漲以及環保壓力。

1 碟式發電系統組成和分類

1.1 碟式發電系統基本原理及組成

碟式發電系統是通過在船舶航行過程中實現對太陽自動跟蹤的拋物面碟式聚光鏡將太陽光聚焦于位于聚光鏡焦點處的集熱器，集熱器加熱高壓氫氣膨脹推動斯特林機活塞做功，通過曲柄連桿機構帶動發電機轉化成電能輸出，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，從而實現節能減排、保護環境的良好效果。碟式發電系統主要由聚光系統、太陽跟蹤系統、系統支撐骨架和斯特林機4個部分組成［7］，如圖1。

1.2 碟式發電系統分類

圖1 碟式發電系統組成圖

根據聚光鏡數目和能源利用模式的不同，碟式發電系統一般分為由單個聚光鏡構成的獨立供電的小型發電系統、多個聚光鏡陣列并機運行的碟式發電系統、混合型碟式發電系統3種。

1)單個聚光鏡構成的獨立供電的小型發電系統如圖2所示。太陽能斯特林機作為整個系統的核心部分，將太陽能直接轉換為電能，作為普通家庭用電的補充，其水循環冷卻系統還可用于家庭熱水供應，適用于城市單體別墅以及邊遠山區日照充裕地區。由于受裝機容量限制，在大型遠洋運輸船舶上的推廣應用前景不大。

2)多個聚光鏡陣列并機運行的碟式發電系統。系統由多個碟式斯特林太陽能熱發電模塊組合成碟群，整個系統的裝機容量可以達到幾十至幾百千瓦，甚至到兆瓦級，系統既可以離網獨立運行，也可以并網運行。圖3為碟式發電裝置聚光鏡結構圖。

圖2 小型碟式發電系統圖

3)混合型碟式發電系統如圖4所示。由于太陽能與生物質能發電具有良好的互補性，生物質能可以很好的彌補太陽能間斷性和不穩定性的缺點，因此碟式發電系統可以與生物質能氣化發電系統結合起來，構成太陽能/生物質能混合發電系統［8］。此外，碟式發電系統還可以設計成光氣互補型，實現在沒有陽光的條件下通過燃燒可燃氣體達到系統24 h連續發電的目的，這是光伏發電所不具備的。

圖3 碟式發電裝置聚光鏡結構圖

圖4 混合型碟式發電系統圖

2 系統構建

大型遠洋運輸船舶上太陽能熱發電系統的構建，需要針對典型船舶和典型航線，在綜合計算評估碟式發電系統投資成本、船舶營運航線上太陽能輻射強度和燃油價格增長率的基礎上，從系統適用性、耐久性和經濟性等方面做出科學合理的分析［9］。同時還要考慮船體結構、船舶安全營運等多個方面內容，對目前已投入運營的大型遠洋運輸船舶，在設計安裝該系統時，還需根據船舶現有條件進行安裝評定［10］。因此在大型遠洋運輸船舶上搭建碟式發電系統時需要根據船舶實際情況，分階段進行。大型遠洋運輸船舶構建碟式發電系統的技術路線如圖5所示。

圖5 船舶構建碟式發電系統技術路線

2.1 目標船的選定

經計算，平均每輸出功率l kW的電能，船用碟式聚光鏡需要3～4 m2的甲板布置面積。因此，設計安裝大功率的碟式發電系統，首先必須考慮的是大面積的碟式聚光鏡陣列的布置問題。綜合分析6種典型遠洋運輸船舶，如表1所示 (VLCC級油船對電氣設備有更高的要求)，最后得出滾裝客貨船和散貨船為適宜選擇對象。

表1 常見6種船型分析

2.2 電力利用模式的選擇

在大型遠洋運輸船舶上構建碟式斯特林太陽能熱發電系統時，選擇合理的電力利用模式對保證船舶電網不間斷向船上負載供電具有重要意義。一方面，船用碟式斯特林太陽能熱發電系統所能夠提供的電能在任何一種船舶運營工況下相比于船舶電站的總負荷而言都是比較低的;另一方面，發電系統設計容量的提高受限于船舶甲板可利用面積。2種不同船舶電力利用模式如圖6所示，通過綜合考慮目標船舶電力負荷和可安裝的最大碟式聚光鏡陣列面積，選用離網模式在遠洋運輸船舶上具有較大的可行性［11］。

圖6 2種不同船舶電力利用模式

2.3 聚光鏡陣列布置方式與優化

碟式聚光鏡陣列在船舶上安裝布置時，除要滿足船舶營運安全規范、聚光鏡采光面積最大化、聚光鏡陣列不會過多影響船舶穩性和操縱性以及美觀實用原則以外，還應使得安裝工藝滿足船舶入級規范［10］。圖7是碟式聚光鏡在散貨船上的一種布置方式，圖中虛線圓所處位置即為碟式聚光鏡的最優安裝位置，其一方面保證了聚光鏡采光面積的最大化，另一方面保證了聚光鏡的安裝不影響船舶裝卸貨物時艙蓋的正常開啟和關閉。

圖7 碟式聚光鏡陣列在散貨船甲板上的布置方式 (俯視圖)圖

2.4 控制系統與監測系統

碟式發電控制與監測系統是整個船舶太陽能熱發電系統安全可靠運行的保障。海洋環境條件惡劣，考慮到海上極端海況等因素，應特別注意海面風速達到一定值時碟式聚光鏡的自我保護，以提高系統的安全可靠性。此外，當系統采集的實時環境光強小于設定的最小經濟發電光強時，為降低跟蹤控制系統的能耗，控制監測系統應做出相應處理，等待光強達到設定值時再次運行。

3 經濟性分析

選取76 000 t的“文竹?！碧柊湍民R級遠洋散貨船為目標船舶，以澳大利亞到遠東航線為典型航線作為分析對象，該航線途經海域年平均日照強度為7.77 kW·h/m2。

設定該船舶設計搭載的碟式發電系統功率為40 kW，相應需要安裝輸出功率為10 kW的碟式聚光鏡4臺，占地面積約為250 m2(同等裝機容量下，光伏系統需要約400 m2的甲板面積鋪設太陽能電池板)。其可以滿足的電力需要為該船舶進出港口狀態的4.29%(909 kW)、航行狀態的8.03%(485.65 kW)［11］。構建同等裝機容量的船舶發電系統，分別就太陽能光伏發電系統、碟式發電系統和柴油機發電系統進行比較 (按平均每天有效光照時間為6 h，同時考慮太陽能光伏發電逆變器的轉換效率，柴油機每發1 kW·h電需要約0.000 4 t柴油，按發電柴油機與碟式發電系統輸出同等電量計算)，3種發電方式對比結果如圖8所示。

圖8 3種發電方式對比圖

可見，碟式發電系統的構建成本介于光伏系統和發電柴油機之間，而年發電成本遠低于光伏系統和發電柴油機，根據重油的價格大約是600美元/t(對人民幣匯率為1∶6.06)，按年發電量87 600 kW·h計算，太陽能熱發電較柴油機發電每年所節省的發電成本為:87 600 kW·h×0.000 4 t/(kW·h) ×600美元/t×6.06元/美元=12.74萬元。

因此，構建輸出功率為40 kW的碟式斯特林太陽能熱發電系統可以每年為該船舶節省35.04 t柴油，而這一數值還會隨著國際油價的上漲以及發電系統裝機容量的增加而增加，因而碟式斯特林太陽能熱發電系統在大型遠洋運輸船舶的構建具有良好的經濟效益和節能減排效果。

4 結束語

由于太陽能資源豐富，清潔無污染，斯特林發動機具有光電轉換效率高的優點，對其進行船舶碟式發電開發利用順應了航運業的可持續發展以及全面推進航運業節能減排的趨勢。隨著研究工作的不斷深入，系統運行的經濟性和穩定性將不斷提高，發電成本也將不斷降低。要成功實現碟式發電技術在船舶上的應用，未來更進一步的實驗研究工作還應當在提高發電系統的運行穩定性和降低發電成本2個方面展開。

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［11］孫玉偉.船用太陽能光伏發電系統設計及性能評估［D］.武漢理工大學，2010.