新能源在船舶上的應用研究現狀及展望

頡翔宇 周利坤 童俊騫 王 艷

（武警后勤學院 后勤保障系 天津300309）

0 引 言

節能、綠色、環保是未來船舶行業的必然趨勢，隨著化石燃料的弊端日益凸顯和國際海事組織（IMO）的減排政策陸續出臺，新能源船舶的概念應運而生。《中國制造2025》將研發高技術的新能源船舶列為未來重點發展領域之一，要讓我國的船舶行業在產業轉型中占據時代潮頭，應加大對新能源船舶的重視程度。本文梳理了常見新能源在船舶上的應用現狀，對比總結當前新能源船舶的優缺點，并展望其發展方向，以便人們對新能源船舶有一個宏觀的總體認識。

1 新能源在船舶上的應用

1.1 風能的應用

風能在船舶上的應用形式主要有風帆助航和風能發電。風帆助航是將風力作為船舶的主動力或輔助動力來推動船舶前進。我國在商朝時期就已經有了風帆船，此后風帆船在國內外都獲得極為廣泛的應用，成為大航海時期人類越過海洋探索新大陸的重要利器。近代以來，隨著內燃機的發明，風帆驅動的船舶因動力差、速度慢而逐步被行業淘汰。

風能發電則是依靠風力帶動風力機運轉使其將風能轉化為電能的技術。由于技術成本高、需求空間大等特點，不適宜在船舶上應用，因此未能大范圍推廣。

1.2 太陽能的應用

太陽能的應用主要分為光伏發電技術和光熱發電技術。光伏發電原理是半導體受到光照時，PN結產生光伏效應，使內部電荷分布發生改變，產生電勢差形成電動勢和電流，其有能源充足、轉換品質好和技術難度低等優點。光伏發電在船舶上的應用起步較晚，特別是關于船舶電網光伏系統設計、船舶電力離并網匹配等關鍵技術尚待突破。

光熱發電是利用太陽熱能將水加熱成水蒸氣進而驅動發電機工作的發電方式。由于技術所需設備較多，在船艙空間難以實現，所以其應用局限性較大。

1.3 新型動力電池的應用

新型動力電池主要有鋰電池系統和燃料電池系統兩大類型。鋰電池系統是將鋰離子電池通過串聯、并聯等方式組成大型電池陣列以提供全船動力。燃料電池系統是通過燃燒含氫燃料（如甲烷、乙醇等）使其中的化學能轉換為電能，其高效率、零污染和零排放等特點被譽為最理想的清潔能源。

近年來，中國研發的能量密度高、電池容量大以及循環次數多的鋰電池在電動汽車行業獲得極為廣泛的應用。2017年全球十大電池企業中，中國公司共占7席，相信未來中國將引領世界電池領域發展。

常用的燃料電池主要有質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC），其在電動汽車和發電系統上具有很大的商業化潛力。

PEMFC的技術瓶頸主要集中于貴金屬催化劑和純氫燃料兩個領域，目前正在改良催化劑結構或采用新的材料以提高能量轉化效率。

SOFC沒有很大的技術短板，目前亟待解決的是材料熱膨脹匹配性問題，通過對材料結構的改良，預期未來將廣泛應用于商用領域。

1.4 核能的應用

核能發電是利用核燃料進行裂變或聚變反應，產生大量熱量將水加熱成高溫高壓的水蒸氣進而驅動發動機工作。核燃料中蘊含著巨大的能量，同單位核反應釋放能量是化石燃料（煤）釋放能量的30萬倍，適用于制造動力需求強勁的船舶。

此外，核燃料反應時占據空間相對較小，其在潛艇和深海探測器上的應用十分廣泛。

1.5 波浪能的應用

波浪能是儲量極為豐富的一種海洋能，我國近海海域波浪能的蘊含量可達1.5億kW，對船舶而言有得天獨厚的應用優勢。目前，波浪能的應用主要是將波浪產生的動能轉換為機械能或電能，并廣泛應用于大型無動力海洋平臺。

波浪能在船舶上應用有多方面限制：

（1）波浪能雖儲量豐富，但能量密度低，且能量轉換設備龐大，不適合應用在航行船舶上。

（2）波浪能利用裝置要通過與水面的接觸才能轉換能量，無疑增加了船舶航行的阻力。

（3）波浪能裝置會對船體本身的承重性和穩定性產生影響，其安全因素需要進一步考量。

因此，航行船舶上不適宜直接應用波浪能作為航行動力。

2 國內外船舶新能源的研究發展現狀

2.1 風 能

日本在20世紀80年代建造出世界上第一艘現代化風帆助推船新愛德丸號（圖1）。該船使用鋼骨架和聚酯纖維制成的硬質風帆，并通過“帆-機結合”使其無需人力就可以根據風速和風向等參數自動調節風帆。

圖1 新愛德丸號

法國在1985年研制出一種可以自適應風向的抽氣式渦輪帆，并裝配于翠鳥號，升力系數達到6.0。不僅大幅度提升了船速，節能效果也有所改善。抽氣式渦輪帆結構圖（圖2）。

圖2 抽氣式渦輪帆結構圖

德國在2007年制造出全球第一艘用巨型風箏拉動的貨輪白鯨天帆號（圖3）。該船利用沖壓式傘翼的原理，把懸在貨輪上方的巨型風箏作為船舶的輔助動力，風箏與船舶的連接處安裝電子控制器和機械驅動元件，用于檢測和控制風箏的飛行軌跡。

圖3 白鯨天帆號

瑞士維京郵輪在2018年4月公布旗下的Viking Grace號客運船使用轉筒風帆作為動力， 成為全球第一艘采用此技術的客船（圖4）。8月，丹麥馬士基集團宣布在其LR2型油輪上安裝2個高30 m、直徑5 m的轉筒風帆， 此為迄今為止最大的轉筒風帆（見下頁圖5）。

圖4 Viking Grace號

圖5 馬士基LR2型油輪

我國的風帆助推技術起步于20世紀80年代。1985年，武漢水運工程學院（現為武漢理工大學）和南京航運公司聯合研發出一種小型風帆助推貨船，其節能效果達到50%以上。

1996年，中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）和711研究所聯合寧波海運公司研發了1艘基于風帆助推的多功能集裝箱船，命名為明州22號，見圖6。明州22號首航于日本，風帆為鋼制圓弧形帆翼，采用計算機-液壓控制系統，全折至全張時間僅需1～2 min，設計航速可達11.5 kn，能夠運輸146個標準集裝箱。

圖6 “明州”系列散貨船

2008年，上海海事大學實現遠洋船風帆助推技術的重大突破，取得百葉風帆等新型風帆的專利授權，并研發出基于百葉帆型的現代大型遠洋帆船動力助推系統，其結構圖見圖7。

圖7 百葉風帆結構圖

2018年11月13日，由大連船舶重工集團有限公司（以下稱大船集團）為招商輪船建造的全球首艘安裝風帆裝置的30.8萬噸級超大型原油船（VLCC）New Vitality（凱力）號交付，如圖8所示。該船的成功交付標志著由大船集團牽頭的國內研發團隊成功掌握了翼型風帆研發、設計、制造與應用關鍵技術，高質量完成了風帆在VLCC上的工程化應用。

圖8 大船集團風帆（VLCC）New Vitality（凱力）號

該船由一對翼型風帆作為推進動力，單個風帆由回轉機構、桅桿和帆翼等部分組成，高39.68 m、寬14.8 m、回轉底座最大外徑5.3 m、底座中間圓筒直徑4.5 m。相關海試數據分析結果顯示，凱力號搭載的翼型風帆符合設計預期，節能效果顯著。

2.2 太陽能

在國外，1985年，日本松下電器在太平洋上成功試航了一種太陽能小艇。

2000年，世界上第一艘“太陽能+風能”混合動力客船Bay Tri號在澳大利亞成功研發，如圖9所示。

圖9 Bay Tri號

該船既可以單獨使用太陽能或風能航行，也可以同時利用雙動力航行，同時船上還配備有羅經、GPS、液壓自動化操舵等現代化航海儀器與設備，設計航速最高達11 kn。

2010年，由德國制造、于瑞士注冊的世界上最大的全太陽能船圖蘭星球太陽號開始了環球航行，如圖10所示。這艘太陽能巨輪的船身長31 m，可容納40名乘客。船上太陽能板的總面積約為536 m，配備6個巨型鋰電池，可產生90 kW的推進力，為船體兩側安裝的4個與螺旋槳相連的電動馬達提供動力。

圖10 圖蘭星球太陽號

2012年，由日本三洋電機組與三菱重工合作研發的汽車運輸船Emerald Ace號正式投入使用。該船的特點是使用一套160 kW（768塊光伏電池組件）的太陽能光伏系統和324 480塊鋰電池組成的儲能系統，是目前世界上功率較大、電池容量較高的太陽能電動船。

在國內，2010年世博會前夕，上海世博園企業聯合館與上海國盛集團共同發表聲明，中國第一艘太陽能電動船尚德國盛號將于世博會首航，同時被指定為博覽會專用船。

2013年，武漢理工大學設計一套基于船舶的太陽能光伏系統，并于2014年在汽車運輸船中遠騰飛號上完成實船安裝。

近年來，我國實現了太陽能光伏系統研究的全面突破，目前已形成具有自主知識產權的光伏系統總成和相關配套系統。根據《世界前沿技術發展報告2020》的預測，2021年是太陽能光伏技術的黃金發展期。因此，我國應緊抓市場需求，加大太陽能船舶的推廣力度。

2.3 新型動力電池

在國外，日本和歐盟的船舶動力電池推進技術處于世界領先地位，且已完成實船試驗，正在全面推廣階段。以動力電池類型劃分，船舶電力推進主要分為鋰電池推進和燃料電池推進兩大類型。國外電力推進示范項目見表1。

表1 國外電力推進船舶示范項目

在國內，純電動船舶的市場份額逐年上升，混合動力船舶仍是市場主力。2017年1月，“浙湖州貨1625”交付，供能裝置由原來的柴油機模組改為鋰電池+超級電容模組。

2017年5月，浙漁科2號科考船交付，這艘船是柴電混合動力船舶，可根據任務航程不同切換3種推進模式，最大航速13.6 kn。

2019年1月，采用鋰電池+超級電容為動力的純電動自卸船河豚號如期交付，載重2 000 t，采用160 kW雙推進器推動，排放標準滿足中國船級社（CCS）制定的《內河綠色船舶規范》。

2019年11月，中國第一艘大型純電動商旅客船君旅號從武漢關碼頭緩緩駛出，見圖11。該船采用億緯鋰能配套的磷酸鐵鋰電池，相比同尺度燃油動力船舶，每年可省燃油近百噸。在岸基快充技術加持下，晚上充電4～5 h就可以滿足白天8 h的續航需求，同時行駛過程中全船平均噪聲預估值為54 dB，達到內河綠色船舶3級。君旅號的投入使用標志我國掌握了建造純電動船舶的關鍵技術，隨著相關技術設備的不斷改良升級，船舶性能將得到進一步提升。

圖11 君旅號

2021年1月，大連海事大學新能源船舶動力技術研究院牽頭建造的中國第一艘燃料電池游艇蠡湖號通過試航，如圖12所示。該燃料電池游艇船長13.9 m，采用70 kW的燃料電池及86 kW·h的鋰離子電池組成混合動力，設計船速18 km/h、續航180 km、可載乘員10人。該船是我國首次將兩種新型動力電池同時作為船舶動力的應用實例，改變了常用的“柴油機/燃氣輪機+電池”的混動模式，給未來船舶動力電池混動方案提供了工程化案例。

圖12 蠡湖號

近期來看，技術難度較低、產業鏈相對成熟的混合動力船舶或鋰電池船舶，比燃料電池船舶更容易在國內推廣；中長期來看，燃料電池應用優勢更加明顯。中國科學院上海硅酸鹽研究所研制的硅酸鹽燃料電池由于發電效率高、功率密度大且循環壽命長，未來將有極大的市場空間。

2.4 核 能

1955年，世界第一艘核動力潛艇鸚鵡螺號正式在美國海軍服役；1957年，蘇聯制造出第一艘核動力破冰船列寧號；隨后，英國和中國都相繼掌握了核動力潛艇的制造技術。

目前，俄羅斯擁有世界上最大的核動力破冰船Arktika號，美國擁有10艘核動力航空母艦，法國也擁有核動力航空母艦，但其核動力裝置屬于潛艇核動力裝置，非艦用核動力裝置，存在設計缺陷。

近年來，我國對核動力船舶的研究程度愈發成熟。2018年，我國攻克艦用核反應堆關鍵技術，首艘核動力破冰船開始建造。該船的滿載排水量將超過30 000 t，主要在北極地區執行科考任務。

由于經濟效益較低而管理成本過高，核動力船商用化發展一直較為緩慢。目前只有極個別國家具備核動力客商船的研發能力，多用于實驗、科考等特種工況。

2.5 波浪能

1977年，日本研發出波浪能發電船海明號，年發電量可達19萬kW·h，并于20年后研發出其改良版巨鯨號，發電量進一步提升。

1999年，瑞典制造出漂浮式波浪能發電船，該船利用海浪起伏不定的特點，通過船體質心的改變驅動液壓系統實現發電機發電。整船發電系統設計巧妙，能達到絕大多數海況等級的要求。

2011年，美國波士頓大學制造出一種具有自返能力的波浪能發電船。該船可實時測量船舶航行環境參數，當參數評定達到惡劣海況標準時，該船可自動返回港口進行躲避，并通過錨泊將波浪能轉換成電能儲存。

我國對波浪能發電船的研究雖起步較晚，但碩果累累。1975年，浙江嵊泗列島首先試用了一種功率可達1 kW的波浪能發電浮標；1990年，借鑒日本波浪能發電專家益田善雄的構想，我國成功制造出一種振蕩水柱式的波浪能發電導航船中水道1號；2020年，我國鷹式波浪能發電裝置萬山號投入使用，如圖13所示。

圖13 萬山號鷹式波浪能發電裝置

為解決波浪能在船舶上的應用難題，國內外專家提供了一些有用的設計方案，但多數適用于固定船舶，無法直接應用于航行船舶，一定程度上限制了波浪能在船舶上的推廣應用。

3 新能源船舶的應用探析

3.1 新能源船舶的比較分析

目前，新能源在船舶上的應用形式十分繁多。國內應用較多的是鋰電池船、燃料電池船、太陽能推進船和柴油（天然氣）混動船等。未來將在能源利用效率、供電設備布局、設備可靠性和綜合能源管理系統等方面向多能源形式綜合利用的方向發展。幾種新能源船的優缺點比較見表2。

表2 幾種新能源船的優缺點比較

3.2 新能源船舶的技術短板

（1）儲能技術劣勢明顯

新能源供能是將其他形式能源轉化為儲能裝置中貯存的能量，再向全船設備進行供能。因此，國內外一直致力于研發能量密度高、循環次數多、安全性優且續航時間長的高性能儲能系統。

我國現階段正面臨儲能行業成本高、經濟性差和融資困難等問題，前期研發力度不足導致難以通過技術革新帶動后期生產成本大幅下降，要想新能源成為中國的標志性產業，儲能行業還有很長的路要走。

（2）能量轉換效率不高

新能源船舶融合多種能源于一體，如何根據船舶航行的實際情況，通過信息感知和智能算法，對不同形式的能源轉化、儲存、供給和回收等工序進行合理調度，是提高能源利用效率的一大難點。因此，研發基于多種能源形式的能量管理系統成為領域內的焦點課題。

目前，國內外關于能量管理系統的研究正處在關鍵技術突破階段，待其實裝完成后，可大幅提高新能源船舶的能源利用效率，提升產品整體的可靠性和安全性，更容易獲得市場的青睞。

（3）整體布局有待優化

傳統動力船舶的動力設備占用空間集中，機組尺寸形狀大，往往只能設置于船艙底部，導致其不利于與氧氣混合，增加了排氣系統阻力。新能源船舶可通過多電堆串并聯的方式實現大功率輸出；采用分布式布置，靈活多變、節約空間、動力傳導損耗小。當前，國內新能源船舶的市場需求持續升溫，但應用實例還需要通過工況和時間進一步檢驗其設計可靠性，這對大批量制造新能源船舶產生了一定阻礙。

3.3 新能源船舶發展方向

（1）發展船舶智能技術

新能源技術與智能技術的融合是未來船舶發展的必然趨勢。船舶通過搭載基于“5G+”、大數據、云計算等技術的信息系統，可對航行時的各項參數進行收集、分析和預測，進而對數字化減排、航速優化、電力調控等系統提供數據參考，以提高船舶的整體效能。

經實踐檢驗，新型動力電池船舶搭載智能技術的可靠性較高，是未來發展智能化船舶的主陣地。

（2）設計能量管理系統

能量管理系統（Power Management System ， PMS）是船舶基于航道通航環境、水文條件、氣象條件和設備動力等綜合情況分析而對全船電能統一調度、管理和控制的新型系統。

未來新能源船將會實現多能源綜合應用的發展模式，精準調度以實現能量的優化配置顯得十分重要。因此，針對船舶能量調度問題，建議加大船舶能量管理系統、智能算法決策系統、電池管理系統、航行仿真模擬系統等高技術系統研究力度，繼而實現船舶能量精準調度。

（3）合理規劃船舶空間

傳統動力船舶均配備主輔機供給全船用電，空間占用大、機器笨重且維修難度高。新能源船舶可將傳統動力設備替代為能源轉換和儲能設備，由電池直接驅動電機轉動，減少中間環節的能量損耗。

由于新能源船舶的空間要求較多，因此特別需要重新設計船艙設備總體布局，以提高空間利用率，使其能搭載更多先進設備，同時為船舶未來升級換代預置空間。

4 結 語

未來新能源船舶動力將從當前柴油發電機主導地位向動力電池、波浪能、生物質能和太陽能-風能綜合利用等多能源一體化模式發展，集綠色節能、智能互聯和全生命周期三位一體的現代化船舶將成為市場的主流。

未來新能源船舶的應用研究可能有以下3個階段：

（1）3～5年內重點突破船舶混合動力領域及能量管理系統研究。

（2）8～10年內重點發展燃料電池船舶商用化及核心系統自主研發。

（3）15～20年內重點加強自主電動船舶國際化推廣應用，建立國際通用的新能源船舶規范化指標。