太陽能在船舶技術(shù)上的展望

歐陽元星

摘要：海洋作為孕育生命的搖籃，為人類發(fā)展所提供的資源異常豐富，不僅是天然寶庫，也能夠提供最為經(jīng)濟(jì)的方法來運(yùn)輸大量貨物。海上運(yùn)輸為各國人民之間的文化交流創(chuàng)造了良好條件，再加上是天然的交通大道，當(dāng)下航運(yùn)事業(yè)發(fā)展迅猛，在海洋的幫助下極大的促進(jìn)了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。當(dāng)下，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與人口的快速增長，海上貨運(yùn)量逐年增長，由此極大的擴(kuò)大了船舶的噸位與尺度。然而，船舶作為耗能單戶，其柴油機(jī)排氣也會嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，研究發(fā)現(xiàn)因其所造成的大氣污染在全球范圍內(nèi)大約占5%-10%，局部地區(qū)已經(jīng)到達(dá)30%-40%。太陽能資源不僅豐富，且清潔、無污染，太陽能船舶能夠?qū)崿F(xiàn)對能源的節(jié)約、避免地球大氣氣溫升高，避免對海洋環(huán)境造成不必要的污染與破壞。

關(guān)鍵詞：太陽能;船舶技術(shù);展望

1太陽能在船舶技術(shù)上的現(xiàn)狀分析

在我國、英國、德國等出現(xiàn)的太陽能船，是一種小型的游船，主要航行在內(nèi)河或內(nèi)湖上，在旅游區(qū)比較多見，主要用于載客對景區(qū)進(jìn)行游覽。船的驅(qū)動可以完全依賴太陽能，但是設(shè)計簡單且航速低，太陽能船本身所具有的旅游價值明顯比實用價值高很多。

關(guān)于太陽能船舶方面的研究，瑞士起步時間早，太陽能船最早投入運(yùn)行，且取得一系列顯著的研究成果?！靶乔蛱柼枴钡膭恿ν耆醋杂谔柲?，不管是其動力，還是船形參數(shù)與船體形狀，其都可以稱作為真正意義上的太陽能船。日本側(cè)重于在大型船舶上利用太陽能來提供輔助電力，在整艘船舶中提高太陽能發(fā)電量所占的比重。澳大利亞側(cè)重于混合動力船的研究，其太陽能電池板能夠保持豎立，可以發(fā)揮風(fēng)帆的作用，借助風(fēng)力助航，為提供源源不斷的動力還可以借助燃料。

2太陽能應(yīng)用對船體結(jié)構(gòu)的適用性分析

2.1太陽能在船舶上的應(yīng)用

現(xiàn)如今，各種小型太陽能動力船艇在國內(nèi)外已經(jīng)建造起來，如游艇、小型渡船等，但是太陽能動力船舶可用于范圍更廣的目標(biāo)船型，可以應(yīng)用于除去游艇、小型渡船之外的各種運(yùn)輸船舶中。

2.2太陽能動力系統(tǒng)在船舶上的可行性

關(guān)于研發(fā)太陽能動力船的關(guān)鍵一步在于研發(fā)適用于太陽能動力船的船體平臺，針對砌太陽能動力系統(tǒng)的體積、空間分布特性和重量，可知太陽能動力船體平臺更適用于太陽能動力系統(tǒng)的布置，主要是因為其具有良好的多體船穩(wěn)性、快速性、耐波性。同時，需要深入的研究多體船型水動力性能，便于更好的應(yīng)用到太陽能動力船中。

2.3太陽能動力船舶實船建造方法與思想

大型實船在建造之前有必要開展樣船試制，這也是最高技術(shù)的船舶，能夠?qū)Ω鞣N風(fēng)險進(jìn)行有效規(guī)避。為分布建造船舶實船可以嚴(yán)格按照分布實現(xiàn)的思路，在太陽能動力船舶發(fā)展到實船建造階段時，或者改系統(tǒng)的某種裝置不符合裝船使用的技術(shù)水平，但是可以運(yùn)行實船，此時可以在“分步實現(xiàn)”思路中將模塊化設(shè)計方法的優(yōu)越性再一次體現(xiàn)出來;若裝置還沒有達(dá)到裝船水平，則裝船工作需要暫停，或者用重量及其空間分布模塊所替代，以此可確保船舶總體重量與設(shè)計要求相符。若該裝置一旦研發(fā)成熟，其虛設(shè)模塊就可以用實際裝置所代替。

2.4光伏電池在船舶上的設(shè)計和布置

在陽光的照射下，太陽能電池的電流、電壓均為光強(qiáng)溫度、環(huán)境濕度的函數(shù)，因此在布置船舶上的薄膜光電池時需要有較多的光能作保障，當(dāng)時相比較于陸地上的交通工具，這方面的應(yīng)用更有利。一方面，具有更加廣闊的空間、較大的受光面積，且設(shè)計安排更為自由;另一方面，在船尾設(shè)置機(jī)艙，因此空間小、軸承簡單，與其他動力船相比也會增加有效載客面積。

在設(shè)計安排電池方陣時需要嚴(yán)格按照基本平衡原則。（1）在排列各方陣時，需要盡可能的減少相鄰方陣電壓差，以此可有效預(yù)防短路事故;（2）串聯(lián)電池小方陣電壓應(yīng)該比電機(jī)額定電壓稍微高一點;（3）電池方陣發(fā)電總量必須滿足直流電機(jī)工作的耗電量[2]。

3太陽能在船舶技術(shù)上的展望

受船體結(jié)構(gòu)各種因素的影響，導(dǎo)致適用于不同船型的太陽能光伏系統(tǒng)存在的差異較大，如布置形式、運(yùn)行工況、負(fù)載大小、航行區(qū)域等。

3.1小型游船

對于這類游船而言，其發(fā)展方向在于離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)和電力推進(jìn)裝置，如在航行模式下“星球太陽”號雙體船的系統(tǒng)總負(fù)荷大約為20kW，而動力系統(tǒng)與通訊導(dǎo)航系統(tǒng)的負(fù)載大約為17kW、3kW，針對光伏系統(tǒng)容量匹配問題可以通過側(cè)移式電池陣列安裝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，以此能夠?qū)装蹇臻g進(jìn)行不斷優(yōu)化;為有效的平衡該船電力推進(jìn)系統(tǒng)，滿足電能需求，就需要對蓄電池容量進(jìn)行合理設(shè)置。

3.2大型遠(yuǎn)洋船舶

針對大型遠(yuǎn)洋船舶，近年來為促進(jìn)主要技術(shù)的實現(xiàn)，可以充分借助離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)這一船舶輔助電源，如“Emerald Ace”號汽車船甲板上的使用空間較大，但是受成本控制與技術(shù)風(fēng)險等因素的影響，光伏系統(tǒng)總?cè)萘勘M管較高但是不能滿足該船主動力系統(tǒng)的負(fù)荷要求，為充分滿足全船非動力的負(fù)荷需求，在停泊工況時必須與MW·h級蓄電池相匹配。

3.3清潔能源

在船舶上清潔能源能夠?qū)Ω鞣N技術(shù)方案或設(shè)計概念進(jìn)行有效應(yīng)用，為采用最優(yōu)化的應(yīng)用模式，就不能只利用單一能源，如太陽能或風(fēng)能等。為促進(jìn)新能源船舶的發(fā)展，就需要結(jié)合各種不同要素實現(xiàn)對各種能源的綜合利用，如電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、甲板布置、船型結(jié)構(gòu)、船員配置、港口物流以及航行區(qū)域等。

近年來，隨著光伏系統(tǒng)容量的增加，光伏電-船電并網(wǎng)電力系統(tǒng)、電力推進(jìn)裝置的匹配集成，所具有的技術(shù)發(fā)展?jié)摿^大，一些系統(tǒng)具備與船舶電網(wǎng)共同并網(wǎng)運(yùn)行的能力，如“COSCOTENGFEI”汽車船光伏系統(tǒng)，這能夠直接用于研究整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

4太陽能在船舶上的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析

為了在蓄電池中更好的儲存太陽能電池所發(fā)出的電能，就需要使用功率點較大的跟蹤器。而太陽能電池發(fā)電會隨著陽光的強(qiáng)度與負(fù)荷大小產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由此也會改變輸出電壓，而蓄電池能夠有效的穩(wěn)定電壓。相比較于蓄電池電壓，太陽能電池的輸出電壓缺乏穩(wěn)定性，即時能夠相互連接，但是也不能給蓄電池進(jìn)行有效的充電。基于此，為將太陽能電池的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻o電池充電的電壓，然后再給電池充電，就需要使用最大功率點跟蹤器。

為在船舶上吸收、儲存更多的太陽能，需要對以下幾點進(jìn)行充分考慮。一方面，確保太陽能電池板能夠吸收全部的太陽能光譜，當(dāng)太陽電池上有太陽光的照射時，可以向電、熱分別轉(zhuǎn)換，由此會提高太陽電池的溫度，對其性能產(chǎn)生一定影響。因太陽能電池板只能吸收一部分太陽光譜，因此許多公司已經(jīng)將彩色太陽能電池板研制出來，能夠?qū)Σ煌伾奶柟夤饽苓M(jìn)行吸收，工作時無需與太陽正對。另一方面，促進(jìn)太陽能電池板成本的不斷降低，以此更好的制造納米太陽能電池，該電池只有一層薄薄的涂料，可將光能轉(zhuǎn)化為一種電能，保證在屋頂、窗戶表面上都能夠采集到的太陽能。除此之外，在船舶上為保證太陽能電池板吸收到的太陽光能多，就需要根據(jù)自身所處位置對最適合接受的角度進(jìn)行不斷調(diào)整，并聯(lián)合使用最為先進(jìn)的科學(xué)裝置。

結(jié)束語

綜上所述，太陽能在船舶中的發(fā)展研究意義與理論意義重大，對于研發(fā)可再生能源船舶具有十分廣闊的前景，需要逐步實現(xiàn)，因此這項研究具有一定可信性。船舶特別是以太陽能為航行動力的，在各種交通工具中具有顯著優(yōu)勢，對于大型化與遠(yuǎn)洋航行十分有效，且適用于多種目標(biāo)船型、軍船和民船之中。而對于太陽能動力船舶的發(fā)展，特別是大型船舶，還需要進(jìn)一步的解決、改進(jìn)、完善各種關(guān)鍵技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃煉.太陽能在船舶動力領(lǐng)域的應(yīng)用及前景[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（03）：183-184.

[2]于全虎.太陽能動力船舶研究與發(fā)展綜述[J].船電技術(shù)，2018，38（02）：30-34.