太陽(yáng)光熱能系統(tǒng)在船舶節(jié)能中的應(yīng)用研究

黎 庶

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢430063）

引 言

當(dāng)今關(guān)于太陽(yáng)能在交通工具（含汽車(chē)、火車(chē)、輪船等）上的應(yīng)用研究，都集中在太陽(yáng)能光能轉(zhuǎn)換為電能這一研究領(lǐng)域上，例如2001年7月，美國(guó)太空總署資助研制的的“太陽(yáng)神”號(hào)太陽(yáng)能電池板飛機(jī)，太陽(yáng)能電池板可為飛機(jī)提供10 kW的電能。中國(guó)早在1982年舉行的第14屆世界博覽會(huì)上就展出了“金龍?zhí)枴碧?yáng)能游船［1］。

1 太陽(yáng)光熱能系統(tǒng)的技術(shù)背景

太陽(yáng)能是一種低密度的能源，目前太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率一般只有10%左右［1］，因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)難以在交通工具上推廣使用。

而在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能利用方面，應(yīng)用居多的都在建筑物上，交通工具（含汽車(chē)、火車(chē)，輪船等）上未見(jiàn)有應(yīng)用的報(bào)道。作為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能的主要部件，太陽(yáng)能集熱器的日集熱效率目前已接近 50%。［2］

復(fù)合拋物面聚光器（簡(jiǎn)稱(chēng)CPC）、真空集熱和對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率高而反射率低的光譜選擇性涂層被認(rèn)為是20世紀(jì)太陽(yáng)能集熱器發(fā)展中所取得的最重要成就。整體式復(fù)合拋物面型集熱器（簡(jiǎn)稱(chēng)ICPC）是一種至今唯一不需要跟蹤就可提供100～300℃范圍的中溫太陽(yáng)能熱利用裝置；它也可提供較低溫度（30～100℃）的熱能［3］，且性能不受供熱溫度和外界環(huán)境溫度的影響。把以上技術(shù)應(yīng)用于光的熱能轉(zhuǎn)換，其最大瞬時(shí)效率在78.9%左右［4］，大大提高了太陽(yáng)能的利用效率。

2 船舶使用太陽(yáng)光熱能系統(tǒng)的可行性分析

船舶由于在江海中航行，經(jīng)常受到風(fēng)浪以及雨、雪、冰雹和大風(fēng)的襲擊，采用光伏太陽(yáng)能板，在遭受冰雹襲擊時(shí)有可能導(dǎo)致光伏太陽(yáng)能板的性能永久性下降和損壞［1］。

16 200 t“偉大十月”號(hào)油船的輔助鍋爐裝置，其蒸汽產(chǎn)量為28 t/h（包括廢氣鍋爐）。日本油船使用的輔助鍋爐裝置，其蒸汽產(chǎn)量為120 t/h，其中船上所需2/3以上的蒸汽是用于加熱石油產(chǎn)品和帶動(dòng)汽輪機(jī)。2 000～100 000 t干貨船輔助鍋爐蒸汽產(chǎn)量平均為0.46～3 t/h［5］，由此看來(lái)船用輔助鍋爐是船舶上的一種耗能較大的設(shè)備。船用輔助鍋爐一般在船舶停航時(shí)使用，航行中使用廢氣鍋爐。按太陽(yáng)能常數(shù)［6］及按太陽(yáng)能集熱器瞬時(shí)效率78%計(jì)算，1 000 m2的全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器提供的瞬時(shí)太陽(yáng)能功率為1 055.34 kW,約可產(chǎn)生1.5 t/h的蒸汽量。

在吸收式制冷方面：Farber等人（1960年，1970年）研究了一系列利用太陽(yáng)能工作的氨-水制冷機(jī)，采用平板型集熱器，不帶蓄熱器。供發(fā)生器的水一般約60～93℃。Chung等人（1963年）報(bào)導(dǎo)了直接平板型集熱器驅(qū)動(dòng)LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)［6］。當(dāng)今雙效吸收式制冷機(jī)其COP值已達(dá)到1.2左右［2］，第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵制熱，其COP值為1.7 以上［7］。整體式復(fù)合拋物面型集熱器（簡(jiǎn)稱(chēng)ICPC）可提供100～300℃的循環(huán)介質(zhì)，可作為吸收式制冷設(shè)備的熱源，給船舶上的空調(diào)系統(tǒng)提供冷氣和熱風(fēng)或用于伙食冷庫(kù)制冷。

3 太陽(yáng)光熱能系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)單位面積的吸收效率和造價(jià)比同樣面積的太陽(yáng)能電池要高得多且便宜許多，是光伏系統(tǒng)無(wú)可比擬的，特別是使用免費(fèi)的太陽(yáng)能具有零排放的效果。因此，研究太陽(yáng)光熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽能量、導(dǎo)熱油能量、制冷設(shè)備的制冷量或制熱量，將具有十分明顯的節(jié)能效果和實(shí)用價(jià)值，從而推動(dòng)LiBr-H2O吸收式制冷機(jī)在船舶上的應(yīng)用，大大降低目前需要加熱蒸汽或提供供熱能量而燃燒化石燃料帶來(lái)的廢氣排放量。其節(jié)約的能源和減少的排放量的價(jià)值不可估量，對(duì)節(jié)能減排和降低霧霾的濃度有著十分重要的意義。

4 太陽(yáng)光熱能系統(tǒng)組成及介紹

綜上所述，筆者設(shè)計(jì)了在船舶上高效利用太陽(yáng)能的船舶太陽(yáng)光熱能采集與利用系統(tǒng)［8］。該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：（1）太陽(yáng)能集熱器；（2）集熱器泵；（3）真空蓄熱箱；（4）發(fā)動(dòng)機(jī)排煙管熱交換器；（5）供應(yīng)泵；（6）重油加熱器；（7）發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹水箱熱交換器；（8）吸收式制冷（熱）交換器（見(jiàn)圖1）。

圖1 船舶太陽(yáng)光熱能采集與利用系統(tǒng)

部件說(shuō)明：

（1）太陽(yáng)能集熱器：采用復(fù)合拋物面聚光器（簡(jiǎn)稱(chēng)CPC），不需要跟蹤太陽(yáng)位置；在赤道附近也可采用槽式太陽(yáng)能集熱器。太陽(yáng)能集熱器的安裝采用自適應(yīng)船舶建筑物頂部或甲板頂部平面的水平安裝方式，采用凹形安裝方式［8］。該方法完全不增加航行過(guò)程中的空氣阻力，也可采用凸形安裝方式（見(jiàn)圖2），其空氣阻力增加很小，可忽略不計(jì)。該方法易于安裝，集熱器頂部蓋板采用鋼化高透過(guò)率玻璃，提高太陽(yáng)光的透過(guò)率并減少反射，且能防止冰雹將太陽(yáng)能集熱器打壞。

圖2 船舶頂部凸形安裝示意圖

（2）集熱器泵：主要提供太陽(yáng)能集熱器內(nèi)導(dǎo)熱油的循環(huán)，集熱器泵的動(dòng)力源可采用安裝在船舶表面的太陽(yáng)能光伏電池提供，也可由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械動(dòng)力或發(fā)電機(jī)提供，或由船舶自帶的蓄電池提供。傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油［10］，集熱器泵將導(dǎo)熱油送到太陽(yáng)能集熱器內(nèi)吸收太陽(yáng)能熱量，然后流回真空蓄熱箱，提高導(dǎo)熱油溫度。

（3）真空蓄熱箱：該蓄熱箱為雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)為真空，不銹鋼內(nèi)壁涂有反射紅外線(xiàn)輻射的涂層，具有14 h以上的保溫效果［11］，并可進(jìn)一步研究，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，或接岸電加熱，抵消霧霾天氣的影響。

（4）船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排煙管熱交換器：與太陽(yáng)能加熱過(guò)的導(dǎo)熱油進(jìn)行熱交換，進(jìn)一步提高導(dǎo)熱油的溫度；或在陰雨天對(duì)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該部分相當(dāng)于船舶上的廢氣導(dǎo)熱油鍋爐。

（5）供應(yīng)泵：是將熱的導(dǎo)熱油供給重油加熱器，或供給發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹水箱加熱冷卻水，從而加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水和潤(rùn)滑油，達(dá)到預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)的目的；或供給吸收式制冷與制熱空調(diào)進(jìn)行制冷或制熱；或?qū)岬膶?dǎo)熱油送到船舶上的廚房做飯；或?qū)崮芴峁┙o氨吸收式制冷系統(tǒng)給廚房冷庫(kù)制冷。該泵可和集熱器泵集成于一個(gè)電動(dòng)機(jī)的軸上，有利于系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，提高電動(dòng)機(jī)的效率，但也可分開(kāi)設(shè)置。

（6）重油加熱器：加熱進(jìn)入柴油機(jī)的重油以及油艙（柜）的保溫。

（7）發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹水箱加熱器：膨脹水箱是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的添加入口，是為了排除發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水中的氣體而設(shè)置的。它直接和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水相連，因此供應(yīng)泵帶來(lái)的熱量，加熱發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹水箱內(nèi)的水，實(shí)際上同時(shí)加熱了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的冷卻水，達(dá)到了暖機(jī)的效果，便于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦，控制有害氣體排放和節(jié)約能源具有十分重要的意義。如果膨脹水箱內(nèi)被加熱了的水能被泵送到發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部分，則暖機(jī)時(shí)間會(huì)縮短且加熱更均勻。在某些船舶上如果安裝了船舶太陽(yáng)光熱能采集與利用系統(tǒng)，可去掉作為暖機(jī)用途的船用輔助鍋爐系統(tǒng)，從而達(dá)到降低船舶造價(jià)及減輕自重的目的。

（8）吸收式制冷（熱）熱交換器：吸收供應(yīng)泵提供的熱能，夏天用于制冷，冬天采用第一類(lèi)熱泵循環(huán)方式制熱或直接供應(yīng)熱水制熱［7］。

船舶太陽(yáng)光熱能采集與利用系統(tǒng)工作原理：太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)的光輻射能量被集熱器泵送來(lái)的礦物導(dǎo)熱油吸收，礦物導(dǎo)熱油被輸送到真空蓄熱箱內(nèi)儲(chǔ)存，熱能也就被儲(chǔ)存到真空蓄熱箱內(nèi)了；而流過(guò)復(fù)合拋物面聚光器（簡(jiǎn)稱(chēng)CPC）的導(dǎo)熱油溫度一般可達(dá)到100～300℃的溫度。如果是陰雨天，溫度不足，則關(guān)閉V-1閥，開(kāi)啟V-2閥，讓導(dǎo)熱油再次流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排煙管熱交換器，使導(dǎo)熱油溫度進(jìn)一步升高，達(dá)到重油加熱溫度（吸收式制冷與制熱空調(diào)可根據(jù)這個(gè)重油加熱溫度，通過(guò)吸收式制冷（熱）熱交換器的熱交換，使溫度下降到所需的最佳制冷溫度［12］）。由供應(yīng)泵送到重油加熱器（V-3閥，V-4閥開(kāi)）；由供應(yīng)泵送到發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹水箱（V-3閥，V-5閥開(kāi)）；由供應(yīng)泵送到吸收式制冷（熱）熱交換器（V-3，V-6閥開(kāi)）；分別完成重油加熱；發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱及空調(diào)制冷或制熱的工作。

關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)排煙管熱交換器的說(shuō)明：當(dāng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣加熱也可安排在真空蓄熱箱之后，這時(shí)關(guān)閉V-3閥，導(dǎo)熱油走圖2虛線(xiàn)表示的路線(xiàn)，流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排煙管熱交換器，進(jìn)一步提高導(dǎo)熱油的溫度。在晚上可關(guān)閉集熱器泵，防止導(dǎo)熱油循環(huán)的熱損失。

當(dāng)然，船舶安裝太陽(yáng)能集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)的可靠性，如船舶搖擺震動(dòng)對(duì)集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件的影響、不同氣象條件下（包括霧霾天氣）真空蓄熱器的保溫時(shí)間及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件的運(yùn)行適應(yīng)性、集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件安裝位置及安裝場(chǎng)地布置的合理性、集熱器及其熱循環(huán)系統(tǒng)部件是否會(huì)導(dǎo)致船舶火災(zāi)等諸多因素還需與合作廠家進(jìn)一步探討研究和運(yùn)行觀測(cè)。

5 結(jié) 論

顯然，太陽(yáng)光熱能系統(tǒng)不僅適用于船舶等交通工具的節(jié)能，而且適用于普通建筑物的節(jié)能，如商場(chǎng)、醫(yī)院、宿舍、別墅等的制冷和采暖，都可以參考采用交通工具太陽(yáng)能集熱與利用系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成方式和安裝方式。因此，該設(shè)計(jì)方案將節(jié)約的能源不可估量，對(duì)CO2減排以及降低當(dāng)前的霧霾濃度，具有十分重要的意義。然而該設(shè)計(jì)方案尚處于概念階段，離實(shí)用尚有一段距離；但我們相信：在不久的將來(lái)，船舶太陽(yáng)光熱能采集與利用系統(tǒng)，在節(jié)能領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛應(yīng)用，為緩解霧霾天氣和節(jié)約能源作出貢獻(xiàn)。

［1］ 楊金煥，于化叢，葛亮.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：150，109-110.

［2］ 韓崇巍.太陽(yáng)能雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的性能研究［D］.合肥：中國(guó)科技大學(xué)博士論文，2009.4.

［3］ 鄭宏飛，何開(kāi)巖，陳子乾.太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：47.

［4］ 周玲，馬迎昌，馬光柏.集熱器效率與能量曲線(xiàn)統(tǒng)一的探討［J］.可再生能源，2010（10）.

［5］ И.Γ.歐列霍夫.船用輔助鍋爐和廢氣鍋爐的故障［J］.機(jī)電設(shè)備，1983（12）：16-19.

［6］ Duffie JA，Beckman WA.SOLAR ENERGY THERMAL PROCESSES［M］.John Wiley &Sons，1974.

［7］ 糜華，張文虎，張紅巖.第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵最佳工作域及其在工程中的應(yīng)用［C］.2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集。北京：中國(guó)制冷學(xué)會(huì)，2009：328-333.

［8］ 黎庶.交通工具太陽(yáng)能集熱與利用系統(tǒng)：中國(guó)，2014203200927［P］.公告日期（2014-11-05）.

［9］ 王鳴.論發(fā)動(dòng)機(jī)低溫預(yù)熱技術(shù)［J］.科技信息，2007（33）：103.

［10］ 沈室寒.船用導(dǎo)熱油鍋爐常見(jiàn)故障的排除［J］.中國(guó)修船，2001（3）：17-19.

［11］ 王康，陸建峰，丁靜，等.槽式太陽(yáng)能系統(tǒng)導(dǎo)熱油儲(chǔ)罐的散熱特性［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（4）：55-58.

［12］ 萬(wàn)忠民，杜建嶸，舒水明.太陽(yáng)能吸收式空調(diào)性能優(yōu)化分析［J］.制冷與空調(diào)，2006（6）：31-34.