船用能源研究

滕春利，李曉江，孫 凱

91404部隊裝備部，河北秦皇島 066200

船用能源研究

滕春利，李曉江，孫 凱

91404部隊裝備部，河北秦皇島 066200

人類的發展進步離不開石油等傳統能源，而這種能源是有限的且不可再生的，為了保證船用能源的持續性，發現新能源、利用新能源是現在社會發展急需解決的問題。本文著重對船用新能源進行了論述。

能源；電能；核能；氫能

0 引言

隨著全球經濟的發展，各國之間的貿易往來日益密切，船舶運輸的需求量大增。以2007年的世界船舶制造為例。07年世界船舶的完工量為8 110萬載重噸，其中中、日、韓三國的造船總量約占世界造船總量的90%，我國的造船完工量為1 893萬載重噸，展世界造船總量的23%。此外，每年世界造船總量以7%～10%的速度增長[1]。船舶總量的增加，極大的增加了船舶行業對能源的需求。這些能源主要包括傳統能源（柴油、汽油等）和新型能源（核能、太陽能等）。

1 傳統能源

傳統能源主要是指使用時間較長、使用較廣的能源。根據傳統能源的定義可知，船舶用傳統能源主要有柴油和汽油，其中柴油是船舶的主要能源。

1.1 柴油

柴油通常也被稱為油渣，是石油提煉的一種產物，主要由不同的碳氫化合物混合組成。此外，柴油的沸點較高，其中輕柴油沸點為180～370℃，重柴油沸點為350～410℃。柴油的這些特點，使它成為了船舶理想的動力源。

柴油作為船舶的動力源，具體的工作工程是這樣的：柴油在柴油機的汽缸中燃燒，推動活塞做功，將柴油燃燒產生的能量轉化為動能，最終推動船舶航行。目前，柴油是船舶使用的最主要的能源，較大型的船舶動力基本都來自柴油。使用柴油作為船舶的主要動力源，具有兩個原因：1）與柴油有關的技術發展比較成熟，特別是船用柴油機的發展比較成熟，對柴油的使用效率，機器的輸出功率、降低油耗等方面，有了很大發展。以MAN B&W生產的船用低速柴油機為例。在90年代初，MAN B&W公司推出了MC系列船用低速柴油機的更新系列MK5。與MC系列相比，MK5系列柴油機的最高爆發壓力、活塞平均速度和平均有效壓力都提高了，柴油機的功率也增加了（整機輸出功率提高了5%～10%，個別柴油機的整機輸出功率提高了15%），然而油耗卻沒有任何的增加[1]；2）目前，柴油資源相對豐富，購買容易，價格比較容易接受。

1.2 汽油

汽油也是石油提煉得到的一種產物。與柴油相比，構成汽油的碳氫等化合物的分子量比較小，沸點比較低，容易燃燒、價格比較貴。因此，汽油一般用作小型船舶的動力源。船舶上使用汽油的動地裝置主要為發動機，其工作原理和柴油機基本相似，都為燃料（汽油或柴油）在汽缸中燃燒，然后將化學能轉化為動能，然后推動船舶航行。

2 新型能源

石油是一種不可再生資源，其儲量也是有限的。伴隨著當今國際對石油資源的需求越來越大以及有關國家對石油資源出口的控制，通過石油提煉得到的柴油和汽油的價格不斷攀升。這促使人們開始尋找新的能源來代替柴油和汽油給船舶提供動力。通過能源領域和船舶領域專家的多年努力，目前已經找到了一些可以替代傳統能源或將來可以用于替代傳統能源的新能源。這些新能源主要有電能、核能、氫能源等。

2.1 電能

1866年德國科學家西門子制造出了世界上第一臺發電機，由此人們開始了對電能的利用。經過了一個多世紀的發展，電能已經被應用于船舶，并為船舶提供動力。

電能作為給船舶提供動力的能源之一，其工作原理為：由原動機帶動發電機發電，產生電能，然后電能直接或經變流器供給推進電動機，電動機帶通推進器旋轉，使船舶運動[2]。與柴油機直接推動船舶運動相比，柴油發電機電力推進系統具有5大優點[3]： 1）采用電力推進系統后，自動化程度得以提高，控制方便，啟動加速性好，制動快，大大提高了船舶的可操縱性，機動性好，安全可靠性得到提高；2）允許使用高速不可反轉的熱力發動機，從而降低了船舶動力裝置的重量，動力系統功率重量比大大提高，這對機艙的靈活布置非常有利；3）采用電力推進后，輔助發電機的功率大大降低，甚至可以取消，這對機艙的優化布置非常有利，同時安全可靠性變好；4）在故障狀態下，可以把發電機和推進電機斷開，保障船舶的航行，從而具有較高的安全可靠性；5）采用電力推進系統后，可以獲得所需要的推進電機機械特性，以滿足不同航行工況的要求，這對主機以及船舶的經濟性有利。

值得注意的是，將柴油產生的化學能轉化為電能，再給船舶提供動力，具有使船舶機動性好、操作可靠性高和穩定等優點。畢竟電能是通過柴油燃燒來獲的，燃燒會產生一些污染物，如SO2、NO2等。這類物質氣體形式存在時，不僅污染環境，而且對人體的呼吸到危害極大；當SO2、NO2等與雨水相遇后，會形成酸雨，使土壤酸化。因此，人們應該利用別的清潔能源來獲取電能。

2.2 核能

所謂核能就是有核燃料發生聚變或者是裂變產生的能量。科學研究表明，1kg可裂變物質鈾完全分裂所產生的能量，相當于2 100t燃油充分燃燒后所得到的能量。這也就是說，核燃料所包含的能量，大體相當于本身重量210萬倍的燃油的能量[4]。這些數據說明，核能作為船舶動力的潛能巨大。

過去的幾十年來，人們對核能在船舶方面的利用展開了一系列的研究，并取得一定的成果，即核能已經用作船舶的推進動力。早在1962年，美國就建成了核動力船“薩娃娜”號。在1976年，該船進行的更遠距離的遠洋航行，到達了臺灣、韓國及菲律賓等遠東地區。1968年，德國建成了核動力礦石運輸船“奧托漢”，這標志著核能在大型運輸船上的應用，這為今后核能在大型船舶上的應用提供了借鑒。1974年，日本建造了核動力船“陸奧”號。俄羅斯則建造了9艘核動力破冰船。

2.3 氫能

氫能被認為是未來船舶推進的動力之一，主要理由有3點：1）氫能源豐富。地球上的水經過一定的技術處理后就能產生氫氣，而地球上有著無窮盡的水資源。因此，地球上的氫能源機器豐富；2）氫的獲取方法多樣。氫能的獲取可以通過對水進行處理獲得、石油提煉也能得到氫能。另外還可以利用太陽能、風能等產生的二次能源來開采氫能；3）氫燃燒的產物不污染環境。氫氣和氧氣燃燒將化學能轉化為動能，燃燒生成的產物為水。水不會污染環境。

氫能在船舶上的應用。目前氫能在船舶上的應用有兩種方式，即氫燃料電池和氫燃料燃氣渦輪機。氫燃料電池由于提供的能量不是很大，主要給小型船舶提供動力。另外，氫燃料電池安全可靠無污染，被用作豪華游艇的動力源。由英國南安普頓大學研制出來的氫燃料燃氣渦輪機能夠給船舶提供較大的動力。比如用氫燃料燃氣渦輪機產生的能量，推動600箱位的集裝箱船，船速可高達65節[5]。

目前，氫能源在船舶方面的應用研究才起步不久，仍有許多工作需要做。通過更多的研究，來尋找到適合利用氫能來推動船舶的動力轉化裝置。

3 結論

隨著石油資源的不斷減少，船用能源將會不斷的向新能源過渡。然而，目前新能源的開發和使用技術還不成熟，對新能源的利用不充分。因此，人類應該投入更多的人力和物力對新能源進行研究，并將新能源用于船舶的推進系統，推動船舶遠航。

[1]吳金源，等.船用柴油機產業發展研究[J].柴油機， 2009，5.

[2]樊印海.電力推進自動控制，1998.

[3]李楠.現代船舶電力推進系統的發展[J].中國水運， 2009，1.

[4]孫玉偉，嚴新平.民用船舶的核動力選擇[J].綠色世界， 2010，4.

[5]王傳榮.氫能——未來船舶的推進動力？[J].船舶與設 備，2007，3.

U677

A

1674-6708 （2010）25-0085-02

孫凱，助理工程師，工作單位：91404部隊裝備部，研究方向：艦船維修

李曉江，助理工程師，工作單位：91404部隊裝備部，研究方向：艦船維修