船舶動力裝置發展趨勢分析

丁浩煒 王宏波 華麗嫻

摘要：隨著經濟和航運業的發展，人們對于船舶的動力要求越來越高。船舶動力裝置作為船舶的心臟，其性能與質量直接影響著船舶的推進性能與質量。本文基于效率、安全性和環保性，對船舶動力裝置的歷史、現狀進行論述，并對船舶動力裝置在新能源以及智能化方面的發展前景進行展望。

Abstract： As an important body of world shipping and all kinds of offshore operations and operations， with the development of economy and technology， ships also have higher and higher requirements for various properties of ships. As the heart of ships， the performance and quality of power drive devices directly affect the propulsion performance and quality of ships. With the continuous development of technology， the ship power plant is constantly updated. This paper mainly introduces the history and future development of ship power drive device.

關鍵詞：船舶動力裝置;發展趨勢;能源

Key words： ship power plant;development trend;energy

中圖分類號：U662.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0206-03

0? 引言

為了滿足船舶作業需要以及其安全性能，人們在不同的歷史時期都會使用不同的動力進行推進。經歷了漫長的時代發展，船舶動力最初由使用人力、風力驅動發展到使用機械動力后再進行齒輪驅動，經歷了大型蒸汽混合動力、內燃混合動力、燃氣混合動力、以及新型混合燃氣動力等當今具有重大時代性和代表性的各種動力。

1? 船舶動力裝置發展歷史

1.1 蒸汽輪機動力裝置

自十九世紀，蒸汽時代的到來，利用蒸汽機作為船舶新動力，交通運輸領域的一大進步。蒸汽機和輪船動力取代了工業帆船，機器動力取代了工業人力和船用風力，宣布了船舶動力學的發展進入了一個新的的時代。復式渦輪蒸汽機和復式蒸汽輪機分別是蒸汽機主要的兩種傳動類型，由于復式蒸汽機的最大功重效率比和傳動效率比都要遠遠高于復式渦輪蒸汽機，所以復式渦輪蒸汽機已經被復式蒸汽所取代[1]。

1807年，美國學者富爾頓建成了第一艘完全采用麥克明倫動力推進的新式蒸汽機船“克萊蒙脫號”;1897年，查爾斯帕森斯建造了蒸汽輪船“透平尼亞號”，航速竟然達到了34.5節，這表明蒸汽輪機的工作效率已經遠遠超過傳統往復式蒸汽機。蒸汽輪機主要由冷凝器、鍋爐、汽輪機組成，燃料在鍋爐中燃燒，鍋爐中的水變成水蒸氣從而推動汽輪機轉動。蒸汽輪機具有工作平穩、可靠性高、熱效率低、油耗高、單機功率大、經濟性差等特點。

1.2 柴油機動力裝置

1897年，德國狄塞爾制造廠推出了當今世界上第一臺使用壓縮機點火的柴油內燃機——“狄塞爾”內燃機，從而徹底翻開了我國柴油機工業發展的歷史新篇章。柴油機上的動力系統驅動控制裝置是一種利用大型柴油為主要燃料的大型內燃機，以其工作運行穩定狀態可靠、熱效率高、結構緊湊和傳動功率大等諸多優點等而著稱，在其迅速發展的一百多年來，經久不衰。在上世紀60年代，就已經開始研究利用新型柴油機技術取代傳統蒸汽輪機，成為當時世界上最主流的大型船舶柴油動力系統驅動控制裝置，到目前，應用最普遍的仍然為通用柴油機上的動力系統驅動控制裝置。

柴油機傳動可以分為四沖程和兩沖程，四沖程轉速高，一般應用于軍艦，小型運輸船上，兩沖程則運用于大中型遠洋運輸船舶上[2]。

1.3 燃氣輪機動力裝置

燃氣輪機是以空氣為介質，通過燃燒，將空氣升溫加壓，推動壓氣機葉輪旋轉當前主要在客輪、軍用艦船和快速渡輪中使用燃氣輪機[3]。在上世紀60年代，燃氣輪機就開始廣泛應用于船舶動力和發電領域，相較于前文中所提到的柴油機動力系統而言，燃氣輪機動力系統應用于船舶動力系統領域中的優勢主要體現在整體質量以及尺寸這兩個方面，并且其加速性能理想，能夠適用于高速客船的應用需求。但其成本高，對制造材料和工藝要求高，并且油耗高。

2? 船舶動力裝置現狀

現代大型船舶柴油機推進裝置熱效率最高一般只有45%～50%，燃料燃燒產生接近一半的熱量未被利用，這些熱量以各種形式排向大氣，這不僅是能量的浪費，更是對環境的污染[4]。隨著世界船舶工業的不斷進步、科技的不斷發展創新，船舶動力裝置的主流逐漸向節能環保能源以及混合裝置發展。

2.1 核動力裝置

核動力裝置是以核反應堆來產生蒸汽，將原子核裂變能作為推進動力，裝置不斷地冷卻并粘附產生的巨大能量，然后將能量傳遞下去，最終實現整個動力裝置的運轉。首先核燃料具有較高的能量密度，會使船舶具有更高的續航力。其次基于核動力功率大，耗費燃料少的特點，使得核動力裝置在核燃料的供應、運輸和裝載量等方面具有優勢。核動力裝置與上述的三種動力裝置相比較，其最大的優點就是十分環保，隨著社會的發展和綠色生活的興起，環保的核動力裝置將會有巨大的發展潛力。鑒于其在船舶推進的應用中體現出功率大、耗費少、穩定性、易控性以及環保性等特點，所以核動力是符合現代船舶發展的理想動力。現階段，全世界廣泛采用核動力裝置，核動力裝置的應用逐步擴大至大功率船舶、大噸位船舶以及潛艇領域中，整體有著相當積極的發展前景[5]。不過核動力裝置技術要求高，維護和保養成本高以及核燃料的反射性污染是我們在使用時需要考慮的問題。

2.2 燃料電池動力裝置

燃料電池（FC）是將化學燃料直接轉化為電能的電化學裝置，燃料電池在船舶中的應用主要是指利用電化學反應實現化學物質自電能轉換。1992年，荷蘭就明確規定了使用熔融后的碳酸燃料電池系統作為今后20年的船舶推進動力裝置設計方案[6]。而目前的燃料電池大多數是使用氫氣作為主要燃料，其工作原理主要是將氫氣正極運送電子到電池負極，經過催化劑作用，氫原子的兩個正極電子就會分離，被正極電流吸引，電子經過外部整流電路時產生電流。此燃料電池轉換效率高，因為氧氣可以從空氣中獲得，不用提供，只要不斷給負極提供氫，就可以保持持續供電。

燃料氫化電池產品具有良好的品質：節能環保、壽命長、易于操作、高能效、低噪音等性能特點，被廣泛應用于中小型水上游覽使用船舶、軍事使用船舶、LNG船舶、以及科學考察船舶動力系統中。但是燃料電池仍然存在著制造成本高、燃料電池的供給難度系數相對較大、儲氫和脫硫技術成熟程度不夠等一些問題，在一定程度上限制了其動力裝置的廣泛應用。

2.3 混合動力裝置

隨著船舶動力裝置技術的不斷發展，新型混合動力裝置成為當前熱門的船舶動力裝置。混合式船舶動力系統是一種泛指同時應用兩種及兩種以上的動力能量綜合資源或動力存儲設備，為大型船舶航行提供動力推動和作用力的綜合支撐。它于20世紀70年代從傳統軸帶式柴油發電機的設計基礎上逐漸開始發展。新型現代混合動力裝置是通過傳動耦合柴油機（氣體機）與電機來驅動，或者具有一種以上電力來源（如柴油機發電、氣體機發電、燃料電池、太陽能、風能、鋰電池、超級電容等）的電動機來驅動[7]。混合動力裝置在目前技術條件支持下，發展空間與潛力是非常巨大。但是針對混合動力系統關鍵技術的研究還不夠完善，如變頻器的應用、機槳匹配特性、安全保護和監測控制系統等。

3? 船舶動力裝置發展趨勢

在遭遇資源與環境污染雙重危機的今天，隨著科學技術的更新與發展，如何促使船舶實現節能減排這個問題迫在眉睫。減少對海洋的污染、降低船舶在海上航行中的成本和緩解對不可再生能源的影響，這些問題目前正被作為船舶開發與研究的課題重點，以下介紹兩種較為有發展前景的船舶動力裝置。

3.1 鋰電池動力系統

磷酸鐵鋰具有良好的電化學性能和熱穩定性，其具有高安全性和長循環壽命的優點。結合船舶對安全性要求高、對空間重量要求相對溫和的實際應用特點，磷酸鐵鋰電池在未來將成為船舶動力的主流選擇。而三元鋰電池具有高能量密度和高電壓等特點，可滿足有高能量密度需求的船舶。鋰電池在船上的應用將是混合動力系統和純電池動力系統并行發展的局面。混合動力方面，基于內燃機的混合動力系統將向基于燃料電池的混合動力系統發展;純電池動力方面，將從以磷酸鐵鋰電池為主向磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池及其他新型電池并存的格局發展[8]，具有綜合性能和成本雙重優勢的多元材料逐漸被學者關注，逐步超越磷酸鐵鋰和錳酸鋰成為主流的技術路線，其在未來具有應用于船舶動力發展的潛能。但是動力鋰電池在船舶上的應用仍然缺乏普遍性，全電池動力船舶大多尚屬試驗性應用，相關船舶規范也處于不斷推出并完善的階段[9]。但隨著航運業節能及環保要求的提高，鋰電池動力船舶將會有廣闊的發展前景。

3.2 鈉離子電池動力系統

由于鋰源的有限以及其不斷上漲的價格，限制了未來鋰電池動力系統大規模應用在船舶動力裝置中。從降低材料的成本和考慮可用金屬儲量的角度來看，為了實現能源可持續發展的戰略，發展新型的可替代鋰電池的動力系統迫在眉睫。

鈉離子電池（Sodium-ion battery），是一種二次電池（充電電池），主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲量更豐富，價格更低廉。而且由于鈉離子比鋰離子更大，所以當對重量和能量密度要求不高時，鈉離子電池是一種劃算的替代品。因此，發展鈉離子電池來替代鋰電是非常合理并具有可行性的方案。不過現有鈉離子電池的最大缺點是，要太長時間充電和放電。放電慢供應不了高功率的應用。一般，充/放電率和容量之間有個權衡，企圖增加充/放電率，會引起容量嚴重下降。

上海交通大學馬紫峰教授研究小組從工業化應用角度出發，采用氧化石墨烯對[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2電極進行修飾改性，制備了無粘結劑的高電導特性的柔性電極，在0.1C至10C充放循環條件下，獲得良好的容量和循環性能。在國際上首次將該材料與硬碳負極材料制備了儲能型鈉離子電池的原型電池，其能量密度達到了81.72Wh/kg，是鉛酸電池的2倍，為儲能型鈉離子電池工業化奠定良好的技術基礎。

隨著動力系統的發展，人們對二次電池的要求也從小型電子設備向高能量密度，大功率的需求邁進。相信在未來，發展成熟的鈉離子電池動力系統將會在船舶中得到普遍應用。

3.3 LNG動力系統

伴隨著現代社會人們環保意識的不斷提高和增強，對于我國船用動力系統廢氣排放量的限制也日益嚴格，學者們在對船舶動力設備的研究上不斷地深入研究，尋求新理念和技術方面的突破，船舶動力設備相關理論的探討將液化天然氣（LNG）作為了新理念和技術的關鍵。在2003年， sodf雙燃料渦輪增壓發動機被瓦錫蘭集團公司引入，之后，又有越來更多的全球性和國際知名發動機造船廠商，例如卡特彼勒公司、曼公司等紛紛參與了進入雙燃料發動機設計和生產工程中，并且已經取得了一定的實踐和成績。目前，利用少量的雙燃料發動機在船舶動力裝置中[10]。此外，選用天然氣為主要驅動載體，將會大大提高船舶的環保性能。此外，價格上也比傳統的燃料便宜，天然氣引擎和柴油機相比，更加安全和經濟，天然氣發動機具有很高的保值率，在今后必定會得到更高的突破。但是由于LNG動力系統技術設計、審驗和應用經驗不足，加之各設備廠家獨立生產供貨，導致在建造或改造LNG燃料動力船舶過程中存在問題，限制了船舶應用LNG技術的廣泛應用。

4? 總結

船舶動力裝置在船舶建造中占著較大比重，其建造與設計關系著船舶的航行、安全、經濟性能。船舶動力裝置的研究發展是推動船舶的發展的重要因素之一，是船舶建造的核心內容，在未來的發展，相信船舶動力裝置在新能源利用以及智能化方面會大放異彩。

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