大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建

胡 義，朱順敏，徐 兵

(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430063;2.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430063;3.武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430063)

近年來(lái)，在全球石化能源日趨枯竭，燃油占船舶運(yùn)輸成本越來(lái)越大及排放污染日益加劇的國(guó)際形勢(shì)下，為使航運(yùn)業(yè)能夠可持續(xù)發(fā)展，世界造船業(yè)的主要研究方向開始集中在節(jié)能減排、探索新能源、大力發(fā)展船舶清潔可再生動(dòng)力能源技術(shù)等方面［1］。

太陽(yáng)能作為一種清潔可持續(xù)使用能源，具有能源儲(chǔ)備足、環(huán)境污染少、市場(chǎng)潛力大等優(yōu)勢(shì)，使其成為現(xiàn)代船舶能源新的發(fā)展方向［2］。

與光伏發(fā)電相比，碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電具有光電轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電規(guī)模靈活、場(chǎng)地平坦性要求低、耗水量少等優(yōu)點(diǎn)［3～6］。

因此在大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上構(gòu)建碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱碟式發(fā)電系統(tǒng))可以在一定程度上緩解航運(yùn)業(yè)面臨的燃油價(jià)格上漲以及環(huán)保壓力。

1 碟式發(fā)電系統(tǒng)組成和分類

1.1 碟式發(fā)電系統(tǒng)基本原理及組成

碟式發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)在船舶航行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤的拋物面碟式聚光鏡將太陽(yáng)光聚焦于位于聚光鏡焦點(diǎn)處的集熱器，集熱器加熱高壓氫氣膨脹推動(dòng)斯特林機(jī)活塞做功，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸出，作為輔助能源應(yīng)用在船舶的照明系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助機(jī)械等方面，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的良好效果。碟式發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光系統(tǒng)、太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)、系統(tǒng)支撐骨架和斯特林機(jī)4個(gè)部分組成［7］，如圖1。

1.2 碟式發(fā)電系統(tǒng)分類

圖1 碟式發(fā)電系統(tǒng)組成圖

根據(jù)聚光鏡數(shù)目和能源利用模式的不同，碟式發(fā)電系統(tǒng)一般分為由單個(gè)聚光鏡構(gòu)成的獨(dú)立供電的小型發(fā)電系統(tǒng)、多個(gè)聚光鏡陣列并機(jī)運(yùn)行的碟式發(fā)電系統(tǒng)、混合型碟式發(fā)電系統(tǒng)3種。

1)單個(gè)聚光鏡構(gòu)成的獨(dú)立供電的小型發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。太陽(yáng)能斯特林機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，作為普通家庭用電的補(bǔ)充，其水循環(huán)冷卻系統(tǒng)還可用于家庭熱水供應(yīng)，適用于城市單體別墅以及邊遠(yuǎn)山區(qū)日照充裕地區(qū)。由于受裝機(jī)容量限制，在大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上的推廣應(yīng)用前景不大。

2)多個(gè)聚光鏡陣列并機(jī)運(yùn)行的碟式發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個(gè)碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電模塊組合成碟群，整個(gè)系統(tǒng)的裝機(jī)容量可以達(dá)到幾十至幾百千瓦，甚至到兆瓦級(jí)，系統(tǒng)既可以離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，也可以并網(wǎng)運(yùn)行。圖3為碟式發(fā)電裝置聚光鏡結(jié)構(gòu)圖。

圖2 小型碟式發(fā)電系統(tǒng)圖

3)混合型碟式發(fā)電系統(tǒng)如圖4所示。由于太陽(yáng)能與生物質(zhì)能發(fā)電具有良好的互補(bǔ)性，生物質(zhì)能可以很好的彌補(bǔ)太陽(yáng)能間斷性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，因此碟式發(fā)電系統(tǒng)可以與生物質(zhì)能氣化發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成太陽(yáng)能/生物質(zhì)能混合發(fā)電系統(tǒng)［8］。此外，碟式發(fā)電系統(tǒng)還可以設(shè)計(jì)成光氣互補(bǔ)型，實(shí)現(xiàn)在沒有陽(yáng)光的條件下通過(guò)燃燒可燃?xì)怏w達(dá)到系統(tǒng)24 h連續(xù)發(fā)電的目的，這是光伏發(fā)電所不具備的。

圖3 碟式發(fā)電裝置聚光鏡結(jié)構(gòu)圖

圖4 混合型碟式發(fā)電系統(tǒng)圖

2 系統(tǒng)構(gòu)建

大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建，需要針對(duì)典型船舶和典型航線，在綜合計(jì)算評(píng)估碟式發(fā)電系統(tǒng)投資成本、船舶營(yíng)運(yùn)航線上太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和燃油價(jià)格增長(zhǎng)率的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性等方面做出科學(xué)合理的分析［9］。同時(shí)還要考慮船體結(jié)構(gòu)、船舶安全營(yíng)運(yùn)等多個(gè)方面內(nèi)容，對(duì)目前已投入運(yùn)營(yíng)的大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶，在設(shè)計(jì)安裝該系統(tǒng)時(shí)，還需根據(jù)船舶現(xiàn)有條件進(jìn)行安裝評(píng)定［10］。因此在大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上搭建碟式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)船舶實(shí)際情況，分階段進(jìn)行。大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶構(gòu)建碟式發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 船舶構(gòu)建碟式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)路線

2.1 目標(biāo)船的選定

經(jīng)計(jì)算，平均每輸出功率l kW的電能，船用碟式聚光鏡需要3～4 m2的甲板布置面積。因此，設(shè)計(jì)安裝大功率的碟式發(fā)電系統(tǒng)，首先必須考慮的是大面積的碟式聚光鏡陣列的布置問(wèn)題。綜合分析6種典型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶，如表1所示 (VLCC級(jí)油船對(duì)電氣設(shè)備有更高的要求)，最后得出滾裝客貨船和散貨船為適宜選擇對(duì)象。

表1 常見6種船型分析

2.2 電力利用模式的選擇

在大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上構(gòu)建碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，選擇合理的電力利用模式對(duì)保證船舶電網(wǎng)不間斷向船上負(fù)載供電具有重要意義。一方面，船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)所能夠提供的電能在任何一種船舶運(yùn)營(yíng)工況下相比于船舶電站的總負(fù)荷而言都是比較低的;另一方面，發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量的提高受限于船舶甲板可利用面積。2種不同船舶電力利用模式如圖6所示，通過(guò)綜合考慮目標(biāo)船舶電力負(fù)荷和可安裝的最大碟式聚光鏡陣列面積，選用離網(wǎng)模式在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上具有較大的可行性［11］。

圖6 2種不同船舶電力利用模式

2.3 聚光鏡陣列布置方式與優(yōu)化

碟式聚光鏡陣列在船舶上安裝布置時(shí)，除要滿足船舶營(yíng)運(yùn)安全規(guī)范、聚光鏡采光面積最大化、聚光鏡陣列不會(huì)過(guò)多影響船舶穩(wěn)性和操縱性以及美觀實(shí)用原則以外，還應(yīng)使得安裝工藝滿足船舶入級(jí)規(guī)范［10］。圖7是碟式聚光鏡在散貨船上的一種布置方式，圖中虛線圓所處位置即為碟式聚光鏡的最優(yōu)安裝位置，其一方面保證了聚光鏡采光面積的最大化，另一方面保證了聚光鏡的安裝不影響船舶裝卸貨物時(shí)艙蓋的正常開啟和關(guān)閉。

圖7 碟式聚光鏡陣列在散貨船甲板上的布置方式 (俯視圖)圖

2.4 控制系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

碟式發(fā)電控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)船舶太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的保障。海洋環(huán)境條件惡劣，考慮到海上極端海況等因素，應(yīng)特別注意海面風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)碟式聚光鏡的自我保護(hù)，以提高系統(tǒng)的安全可靠性。此外，當(dāng)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強(qiáng)小于設(shè)定的最小經(jīng)濟(jì)發(fā)電光強(qiáng)時(shí)，為降低跟蹤控制系統(tǒng)的能耗，控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)做出相應(yīng)處理，等待光強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)再次運(yùn)行。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

選取76 000 t的“文竹?！碧?hào)巴拿馬級(jí)遠(yuǎn)洋散貨船為目標(biāo)船舶，以澳大利亞到遠(yuǎn)東航線為典型航線作為分析對(duì)象，該航線途經(jīng)海域年平均日照強(qiáng)度為7.77 kW·h/m2。

設(shè)定該船舶設(shè)計(jì)搭載的碟式發(fā)電系統(tǒng)功率為40 kW，相應(yīng)需要安裝輸出功率為10 kW的碟式聚光鏡4臺(tái)，占地面積約為250 m2(同等裝機(jī)容量下，光伏系統(tǒng)需要約400 m2的甲板面積鋪設(shè)太陽(yáng)能電池板)。其可以滿足的電力需要為該船舶進(jìn)出港口狀態(tài)的4.29%(909 kW)、航行狀態(tài)的8.03%(485.65 kW)［11］。構(gòu)建同等裝機(jī)容量的船舶發(fā)電系統(tǒng)，分別就太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、碟式發(fā)電系統(tǒng)和柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行比較 (按平均每天有效光照時(shí)間為6 h，同時(shí)考慮太陽(yáng)能光伏發(fā)電逆變器的轉(zhuǎn)換效率，柴油機(jī)每發(fā)1 kW·h電需要約0.000 4 t柴油，按發(fā)電柴油機(jī)與碟式發(fā)電系統(tǒng)輸出同等電量計(jì)算)，3種發(fā)電方式對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 3種發(fā)電方式對(duì)比圖

可見，碟式發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建成本介于光伏系統(tǒng)和發(fā)電柴油機(jī)之間，而年發(fā)電成本遠(yuǎn)低于光伏系統(tǒng)和發(fā)電柴油機(jī)，根據(jù)重油的價(jià)格大約是600美元/t(對(duì)人民幣匯率為1∶6.06)，按年發(fā)電量87 600 kW·h計(jì)算，太陽(yáng)能熱發(fā)電較柴油機(jī)發(fā)電每年所節(jié)省的發(fā)電成本為:87 600 kW·h×0.000 4 t/(kW·h) ×600美元/t×6.06元/美元=12.74萬(wàn)元。

因此，構(gòu)建輸出功率為40 kW的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)可以每年為該船舶節(jié)省35.04 t柴油，而這一數(shù)值還會(huì)隨著國(guó)際油價(jià)的上漲以及發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的增加而增加，因而碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)在大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶的構(gòu)建具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于太陽(yáng)能資源豐富，清潔無(wú)污染，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有光電轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行船舶碟式發(fā)電開發(fā)利用順應(yīng)了航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及全面推進(jìn)航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排的趨勢(shì)。隨著研究工作的不斷深入，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性將不斷提高，發(fā)電成本也將不斷降低。要成功實(shí)現(xiàn)碟式發(fā)電技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，未來(lái)更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究工作還應(yīng)當(dāng)在提高發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和降低發(fā)電成本2個(gè)方面展開。

［1］魏?jiǎn)?船用光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤及自動(dòng)跟蹤控制研究［D］.武漢理工大學(xué)，2012.

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