太陽能動力船舶研究與發展綜述

于全虎

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太陽能動力船舶研究與發展綜述

于全虎

（江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003）

通過對國內外太陽能船舶發展現狀和趨勢的綜述，介紹了目前國內外小型太陽能游覽船、大中型太陽能運輸船及無人自動駕駛太陽能船的多個成功案例，簡要闡述了各個案例中的船舶核心參數和主要特點，重點是太陽能在船舶能源系統中的具體作用，提出了國內外太陽能船舶技術發展趨勢。同時對太陽能船舶的若干關鍵技術進行了梳理和分析，重點研究了船舶平臺、光伏系統、儲能系統、主推進系統等關鍵技術及可能方案，最后總結了太陽能船舶研發的迫切性和發展初步構想。

太陽能 可再生能源 船舶 關鍵技術

0 引言

船舶行業目前認同的綠色船舶技術主要包括：氣體燃料、電力推進、太陽能、燃料電池、熱泵技術、熱油系統與廢氣—熱油加熱、船舶接岸電、尾軸承水潤滑、清潔后處理、有害材料替代等。當前政策導向及航運業需求決定了綠色船舶技術的應用集中在清潔能源應用方面，具體研究方向主要是LNG動力和太陽能動力。LNG動力船舶經過多年的試點應用，已開始大面積推廣應用。太陽能技術在生活中早已廣泛應用，歐洲光伏工業協會（EPIA）預計，2030年世界太陽能發電在總電力供應中的比例將達到10%以上；本世紀末將占到60%以上[1]，但作為船舶動力能源的研究起步較晚。太陽能船舶技術涉及船舶設計、太陽能發電、儲能以及推進等多種技術集成，關鍵技術跨多個專業領域，技術含量高，目前應用船舶數量較少，且基本局限于小型船艇，作為大中型船舶的動力能源研究非常薄弱，許多關鍵性技術有待進一步研究或改進。

1 國外太陽能船舶現狀

發達國家非常重視船舶綠色能源技術研發，與船型優化、電力推進、核動力、燃料電池、氫燃料、生物燃料、營運效率管理等共同列為策略性船舶節能技術。

商船三井2005年以來陸續完工了三艘太陽能輔助動力滾裝船“Euphony Ace”、“Swift Ace”和“Emerald Ace”號（圖1，主要參數見表1），均在上層甲板上大范圍安裝了太陽能電池板和大容量充電電池，在船舶航行中將太陽能電池產生的電力存儲到鋰電池中，船舶停泊期間使用儲存電能，從而無需使用停泊柴油發電機，實現在港停泊的零排放。

圖1 “Euphony Ace”（上左）； “Swift Ace” （上右）；“Emerald Ace”（下）太陽能輔助動力船

表1 商船三井完工的太陽能輔助動力船主要參數

2007年5月8日．瑞士MW—Line公司制造的雙體太陽能動力船“Sun 21”號（圖2）成功橫渡大西洋抵達美國，世界上第一次完全使用太陽能而無需燃料實現橫穿大西洋航行。該船為雙體結構，船長14 m，寬6 m，重12 t，頂部覆蓋60 m2太陽能電池板，雙電機推進，速度9～12 km/h。在完全沒有陽光的情況下，船上蓄電池可以維持連續航行18 h。

2008年12月，NYK和Nippon石油公司聯合開發的世界上第一艘太陽能混合動力大型貨船“Auriga Leader”號完工（圖3），該船為滾裝運輸船，船長200 m，總噸60213，可運載6400輛汽車，安裝了328塊太陽能電池板，所發電力可輔助驅動船只的推進器、液壓設備和舵機等。

德國制造、瑞士注冊的太陽能游艇“Planet Solar”號于2010年3月下水，該艇采用小水面線雙體船型，完全依靠太陽能動力航行。船長31 m，寬15 m，排水量60t（圖4），船體由碳纖維增強材料和C70.130高密度芯材構成。甲板上設有809塊面積達536 m2的太陽能電池板，

圖3 “Auriga Leader”號太陽能混合動力船

圖4 “Planet Solar” 號太陽能動力雙體船

儲能裝置由6個巨型鋰電池組構成，可提供90 kW的推進功率，能在缺乏陽光的情況下維持3天航行，最高航速可達15 kn，乘員50人。該船結合了小水面線和深V船型的優點，雙體船型增大了甲板面積，弧形支柱使得結構輕量化，具有阻力小、穩性好、快速性、穿浪性能強、適航性優良的特點[2]。

日本郵船公司推出了以CO2零排放為目標的“NYK超級生態船2030”概念船（圖5），采用太陽能發電與風力共同作用，同時結合燃料電池、LNG、低摩擦塗料、空氣潤滑降阻、超高強度鋼質輕量化船體等技術，預計CO2減排69%。

圖5 “NYK超級生態船2030”概念船

2016年Isaac Penny和Christopher Sam Soon合作建造了“Solar Voyager”號無人駕駛太陽能船（圖6），船長5.5 m，寬0.76 m，鋁制船體重250 kg，最高時速5 km/h，配備280 W太陽能電池陣列，能通過銥星導航。

圖6 “Solar Voyager”號無人駕駛太陽能船

2 國內太陽能船舶現狀

國內的中船702所、708所以及上海大學等院所、高校也進行了太陽能船舶的研發，已研制出一些太陽能小艇。但是國內的相關研究與先進國家相比還較為滯后，需要進一步開展太陽能技術與船海工程、海事技術等學科交叉研究，學術研究與工程應用結合的理論和工程實踐研發[3]。

2010年6月我國第一艘太陽能混合動力游船“尚德國盛”號（圖7）在上海世博會期間投入服務，該船采用雙體船型，船長31.85 m，寬9.8 m，高7 m，可容納150余名游客，是國內第一艘太陽能混合動力船舶[2]。船上在“太陽帆”和前甲板兩部分敷設太陽能電池，“太陽帆”高10 m，下寬5 m，面積為48 m2，2個面分別安裝了35片曲面異型太陽能電池；甲板上安裝了18片太陽能電池；單面“太陽帆”和甲板太陽能系統合計每日發電約18度。“太陽帆”具有綜合選擇風力、風向和自動旋轉跟蹤陽光的功能。太陽能既是游船推進能源之一，也是照明的主電源。

圖7 “尚德國盛”號太陽能混合動力游船

2012年12月17日國家高技術船舶科研項目—太陽能在大型滾裝船上的應用立項，具體實施改造船—“中遠騰飛”輪（圖8）于2016年3月完成安裝調試并成功營運。該船運載量為5300車位，安裝有540塊太陽能電池板，構成總容量143.1 kW的太陽能光伏系統，采用國內最大、世界領先的120 kW光伏離并網技術。

圖8 “中遠騰飛”號太陽能輔助動力船

3 國內外太陽能船舶技術發展趨勢

目前國內外已投入使用的太陽能船舶的技術方向主要是將太陽能轉化為電力，然后為船舶提供推進動力源或日常用電源。其中對小型船舶而言，太陽能電池產生的電力已可基本滿足全船所需能源，只是需要蓄電池在光照不良時提供備用電源，有的小型船舶由于所能布設的太陽能電池面積太小，還需設有內燃機動力。小型太陽能船舶的類型以游覽船為主，主要是通過清潔能源的應用來降低航行水域的廢氣污染；大中型太陽能船舶的太陽能電池陣列僅可提供0.05~0.2%的船舶動力和1~4%左右的船上日常用電，因此太陽能電源一般不用做推進能源，而是作為替代停泊發電機組的清潔能源，實現對港區的排放降低乃至零排放，預計未來一段時間太陽能在船舶上應用的技術路線不會發生根本性改變。

4 太陽能船舶的關鍵技術

船舶上應用太陽能主要都是使用光伏技術產生電能，并與船舶上原有的內燃機為原動機的電站并網使用，然后供推進、控制及日常用電，并設有蓄電裝置。因此。太陽能船舶的關鍵技術會涉及船舶設計、光伏、儲能、主推進、電池管理（BMS）、電站管理（PMS）等多個子系統及其技術的集成。

4.1 船舶平臺

在船舶上應用太陽能技術，首先需要將太陽能電池的布置要求融入船舶設計。電池板需要布置在易于接受陽光的開敞甲板空間，所需布置面積要盡可能大一些；而船舶設計時需要考慮水動力學性能、穩性以及裝載空間要求。因此船舶的總體布置及涉水部分結構設計應優先考慮滿足船舶技術要求，在此基礎上采取技術手段增加電池板安裝面積，如采用多體船型增加平面甲板面積，還可將電池板的安裝面延伸出正常的甲板邊，“Planet Solar”號就是使用了這兩個方法，目前大部分太陽能游覽船也是沿著這個思路設計。由于船型的限制，一般大型運輸船舶都是單體船，甲板面大部分都設有裝載處所或布設有機電設備，因此上層建筑采用連續設計，并延伸至兩舷的滾裝船等較為適宜安裝大面積電池板，如上面所述的太陽能滾裝船。當然，也可將電池板安裝在一些伸出主船體部分的延伸結構上，如“尚德國盛號”的“太陽帆”同時結合了風帆助航技術。“NYK超級生態船2030”同樣采用了包括風帆助航和太陽能在內的綜合節能技術，進一步可以將其風帆升級為類似“尚德國盛號”的太陽能風帆，這其中涉及船舶性能及太陽能、控制工程等較為復雜的技術融合。

4.2 光伏系統

太陽能發電系統的核心元器件是太陽能電池，自1954年太陽能電池發明以來，已發展出多種類型，轉換效率也不斷提高。太陽能電池主要分為晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和新型太陽能電池。薄膜和新型太陽能電池多數還處于實驗室階段，EPIA預測至少到2020年，晶硅電池仍將占據50%的主流份額。規模化生產的晶硅電池效率為13～18%，且制作過程復雜，價格昂貴，從船舶應用太陽能對能量密度、海上環境壽命和成本控制考慮，一些新型太陽能電池更值得關注，如薄膜（化合物）電池、染料敏化電池、有機電池、鈣鈦礦電池、石墨烯電池、量子點電池等[4-10]。高效、耐候性好、長壽命、低成本的太陽能電池技術發展將帶來發電效率的提升和設備成本的降低，使得太陽能成為真正的綠色船舶能源。

4.3 儲能系統

要實現太陽能船舶全天候使用太陽能，還需要高效儲能裝置，利用儲能裝置將光照較強時段多余的光伏電能進行儲存。目前儲能裝置主要有鉛酸蓄電池、高性能儲電裝置（鋰電池、超級電容）以及燃料電池等。常規鉛酸蓄電池能量密度低，充放電循環壽命短，對安放空間限制較大的船舶來說并不適合。

4.3.1高性能儲電裝置

1）超級電容

超級電容是一種擁有高能量密度的電化學電容器，可以經受很高的電流迅速充放電，循環次數可達數十萬次，但是能量密度僅為鋰電池的1/10，價格卻為其數十倍。超級電容最適用于站點密集、充電間隔短的情況，如公交車輛，并不適合規模化用于船舶。

2）鋰電池

鋰電池能量密度高，循環性能優良，輸出功率大，主流種類有磷酸鐵鋰電池和三元材料電池。磷酸鐵鋰電池安全、熱穩性好、價格較低，但能量密度較低，理論密度僅為160 Wh/kg，現階段電池包的能量密度為90~120 Wh/kg，是目前動力鋰電的主流。三元材料電池主要是鎳鈷鋁酸鋰和鎳鈷錳酸鋰電池，具有穩定、容量高的優點，但安全性較差且成本高，目前能量密度普遍在150～180 Wh/kg，最高可達200 Wh/kg，大量單體電池組成電池包的連接、散熱和管理系統（BMS）開發是其應用的難點，但仍是船用值得考慮的方向。

4.3.2燃料電池

燃料電池已有用作汽車、船舶等的動力能源，但將燃料電池與太陽能光伏技術結合用于太陽能船舶的研究還很少。其中主流的氫燃料電池用作船舶儲能裝置需解決制氫與儲氫核心技術問題，其中采用太陽能發電分解水制氫技術較為適宜，能較好克服太陽能能量密度低及光照時間有限制的缺點[10]。中科院大連化學物理研究所李燦團隊提出了聚合物太陽能電池和H2－O2燃料電池耦合的疊層電池概念，在光催化輔助燃料電池研究方面獲得新進展[11]。

4.4 主推進系統

目前太陽能船舶的主推進方式主要有純電推進和混合動力推進模式兩大類。

純電推進模式的太陽能船舶以推進電機作為主動力裝置，完全由太陽能電池組及配套儲能電池組供電，目前在小型船舶上應用較多，如“Sun 21”號和“Planet Solar” 號。混合動力推進模式的太陽能船舶通常由2種以上動力裝置組成聯合動力系統，較多采用傳統內燃動力與電推構成“內燃機一電聯合”方式，具體模式為“內燃機—電（內燃機發電+光伏）”、“純電（內燃機發電+光伏）”、“純內燃機”。

4.5 電站管理系統（PMS）

電站管理系統（PMS）是電力推進船舶的能源管理中樞，主要完成供電源控制和能量管理等功能，保障供電系統為推進系統及其它用電設備提供可靠、穩定的電力供應，太陽能船舶的PMS系統設計需要充分考慮太陽能電源的特性，并對蓄電裝置BMS進行統一控制管理。

5 結語

國際海事組織（IMO）制定的基于EEDI指標的CO2排放標準自2015年起要求新造船舶強制執行，而且未來EEDI指數體系基線要求會不斷提高[12]，給予了研發太陽能船舶的良好時機，通過開展太陽能船型的研發與試點應用，可以為相關技術的發展構建研究、實驗平臺，預計太陽能在船舶上的應用比例不斷提高是大勢所趨。

1）國內外現有太陽能船舶多為小型船舶，隨著太陽能光伏及電推技術的發展，太陽能船舶技術可推廣于各種船舶，這就需要集中開展太陽能船舶大型化方面的關鍵技術研究；

2）太陽能技術的應用需要適宜的船舶承載平臺，目前船舶技術的研究方向主要基于功能性和水動力學性能等方面，這就需要在原有各類船型的基礎上結合太陽能系統的特性，研發新的船型，從目前現有成果來看，多體船型是一個值得重點關注的方向；

3）船舶是一個單一或小批量化的工業產品，適于進行新技術的試驗性應用，可以在技術尚未完全成熟時，通過同時設置傳統動力和太陽能動力模塊，進行分步試驗應用；

4）太陽能動力特別適用于推進功率較小、長航時的場合，因此非常適用于無人水面航行器。

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Summarization of Research and Development on Solar Powered Ships

Yu Quanhu

（Jiangsu Ship Design &Research Institute Co., Ltd , Jiangsu 212003, Zhenjiang, China）

U662.2

A

1003-4862（2018）02-0030-05

2017-11-20

江蘇內河航運安全綠色關鍵技術研究重大專項（2013Y02）

于全虎（1974-），男，高級工程師。研究方向：船舶輪機。Email：js.zj.yh@126.com