船舶清潔能源利用與航線優化的協同性

張 彥， 黃靖晨， 李慧媛

(1.武漢理工大學 a.能源與動力工程學院；b.自動化學院，武漢 430070；2.船舶動力工程技術交通行業重點試驗室，武漢 430063；3.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

船舶清潔能源利用與航線優化的協同性

張 彥1a,2,3， 黃靖晨1a， 李慧媛1b

(1.武漢理工大學 a.能源與動力工程學院；b.自動化學院，武漢 430070；2.船舶動力工程技術交通行業重點試驗室，武漢 430063；3.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

應用清潔能源已成為未來船舶發展的方向，但太陽能、風能等清潔能源的實際效率很大程度上受海洋環境的影響。由于船舶在航行過程中所面臨的海洋環境與實際航線密切相關，研究船舶清潔能源利用與航線之間的協同性能有效提高能源利用效率。根據航線信息，給出評價在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經濟性的方法，并以太陽能船舶為例提出一種適用于使用清潔能源船舶的航線優化方法。

航線優化；船舶；清潔能源；經濟性評價；能效提升

隨著世界進入海洋大發展時期，海洋資源開發和海洋能源利用受到各國的高度重視。[1]然而，作為海洋發展的重要載體和重要組成部分，航運業正面臨燃油成本不斷升高、環保法規日趨嚴格的雙重壓力。因此，在節能減排要求日趨嚴格的巨大壓力下，綠色船舶成為未來船舶發展的方向。[2]在諸多綠色船舶技術中，風能、太陽能和液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)等清潔能源的使用最具發展前景。[3]

國內外關于清潔能源在船舶上應用的研究實例[4]有許多，例如由美國設計、法國建造的世界上最大的風帆客船之一“Windstar”號、世界上最大的采用光伏離并網技術的太陽能船舶“中遠騰飛”號及國內第一艘內河LNG船“武輪302”號等。目前已有研究[5-7]主要集中在海洋環境下船舶清潔能源利用的可行性及具體形式，相關系統的組成、可靠性及控制等方面，在提高清潔能源系統使用效率方面側重于從系統自身出發降低能源轉換消耗和系統損失。但實際上，對于風帆、太陽能光伏系統，其運行效能很大程度上受制于航行過程中風速、輻照強度等海洋環境的具體情況，而這又與船舶航線息息相關。因此，研究船舶清潔能源利用與船舶航線之間的關系對于基于經濟性評價來合理選擇清潔能源并提高其使用效率而言，具有積極的促進作用。對此，根據航線信息給出評價在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經濟性的方法，并通過航線優化給出一種提升能源利用效率的具體方式。

1 船舶清潔能源利用與航線的協同關系

1.1 船舶清潔能源的利用及其特點

依據清潔能源利用裝置能否快速響應負載，將清潔能源分為可控能源和不可控能源2類，其中不可控能源的出力情況受環境的影響明顯。清潔能源主要為不可控能源，包括風能、太陽能等；影響能源出力情況的環境主要指海洋氣象環境。

1)風能是可再生清潔能源，主要源于太陽輻射熱引起的大氣對流。當前，風能在船舶上利用的模式有風帆助航和風力發電2種，其中，風帆助航的應用較為廣泛，風力發電只在躉船等少數船舶上應用。

2)太陽能源于太陽內部的核聚變反應，其在船舶上的應用主要有光熱技術和光伏技術2種形式，其中：光熱技術是指利用太陽光的熱輻射，包括熱能直接利用和熱發電2種具體應用方式；光伏技術是指基于光生伏打效應，直接將太陽輻射能轉換為電能利用。由于太陽能光伏發電技術已逐漸成熟，能有效降低成本、提升可靠性和使用效率，因此其在船舶上的應用越來越普遍。[8]

無論是太陽能還是風能，其在不同海域環境下的分布是不同的，從而造成能源出力情況不同。

1.2 清潔能源利用與航線的協同關系

海洋氣象環境信息通常包含2個層面，即：根據多年的數據統計得出的氣候數據，具有平均性和規律性；根據氣象預報技術得出的氣象數據，具有實時性和動態性。由此產生氣候航線和氣象航線。

氣候航線是以氣候資料為基礎，在氣候資料統計、航海經驗和各大洋季節特征的基礎上制訂的。根據氣候航線的特點，其可為在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經濟性評價提供數據，進而作為特定船舶選擇清潔能源種類及利用形式的參考依據。同時，由于氣候資料中僅給出某一海域的天氣和海況的平均狀況，在氣候航線上航行的船舶所遇到的實際天氣和海況往往與此有差別，而根據最新的天氣和海況資料進行的氣象導航則能較為準確地了解到實時的天氣情況。因此，通過對氣象航線進行優化來修正原有航線，即可提高某一具體航次船舶清潔能源的使用效率。[9-10]

這里認為清潔能源利用與航線的協同關系應包括以下2個層面：

1)船舶使用清潔能源的經濟性評價應基于氣候航線；

2)在具體航行時,應充分考慮氣象航線，通過航線優化提高船舶清潔能源的使用效率。

2 船舶清潔能源的經濟性評價

2.1 評價方法的定義

受燃油成本不斷上升、排放法規日趨嚴格等現實因素影響，在船舶上使用清潔能源是必然趨勢。但是，由于不同的清潔能源有著不同的特點，使得其在不同船舶上應用呈現出不同程度的適應性。在實際工程應用中，需依據對應的參考指標在目標船舶上選擇清潔能源的種類及具體利用模式，其中最主要的就是可靠性和經濟性。然而，隨著清潔能源技術在實船上應用的案例逐漸增多、相關技術逐漸成熟，經濟性成為清潔能源技術大范圍推廣的重要影響因素。合理評價在某航線上運營的船舶使用清潔能源的經濟性，可有效規避潛在的投資風險。

對于清潔能源在船舶上應用的經濟性評價，這里認為是指利用投資收益比來評價在有效使用壽命周期內利用清潔能源是否有價值。

2.2 評價函數

若要對清潔能源在船舶上應用的經濟性進行正確評價，就要全面了解應用過程中涉及到的總成本、收益及凈現金流。結合當前船舶主要以燃油為能量來源的現狀，以清潔能源利用系統為研究對象，得出通用性的評價函數，具體如下。

2.2.1清潔能源利用系統節能功率

對于不可控清潔能源，其利用裝置的出力情況與環境清潔能源實際供能大小密切相關，因此利用式(1)計算實際輸出功率。

Pk=E0βwθd

(1)

式(1)中：Pk為清潔能源利用系統實際輸出功率，kW；E0為清潔能源利用系統峰值功率，kW；βw為環境影響因數；θd為系統自身及其他影響因數。

清潔能源利用系統提供的能量實際上是用來減少船舶燃油消耗量的，因此系統的實際輸出功率Pk可認為是節能功率。

Pper=∑(Pktk)

(2)

式(2)中：Pper為清潔能源利用系統第t年的輸出能量，kW·h/a；tk為Pk對應的系統運行時間，h/a。

(3)

式(3)中：Qper為第t年的燃油節省量，t/a；εper為燃油的燃燒值，kW·h/t；θp為由于柴油機供油減少使得燃燒效率改變而對εper的修正系數。

CFUEL，t=QperCper

(4)

式(4)中：CFUEL，t為第t年的燃油節省費用，元/a；Cper為燃油消耗成本，元/t。

2.2.2經濟性評價函數

綜合考慮投資成本、燃油節省費用和凈現金流，得到船用清潔能源的經濟性評價函數[11]為

CO&M,t)(1+r)T-t]-Cinvestment(1+r)T

(5)

式(5)中：CNP,t為到T年系統的凈收益，元；CO&M,t為第t年中系統運行管理、維護等產生的費用，元/a；Cinvestment為系統的總投資成本，元；r為貼現率(在小風險資本市場投資所能獲得的回報率，一般取3.5%)；Cf為由于環保法規等造成的節省費用，元。

由式(5)可知，當CNP,t=0時，T為投資回收期。只有當投資回收期小于系統使用壽命時才具有經濟價值，且差值越大越好。同時,隨著燃油價格不斷增長、環保法規日趨嚴格，在船舶上使用清潔能源的價值越來越大。

2.3 經濟性評價函數與氣候航線的關系

經濟性評價函數涉及多個變量，但在當前這一特定時期，燃油價格、環保法規和貼現率等不會有特別大幅度的變化，對于某一特定船舶，Qper成為非常重要的影響因素，而其中βw是相對變化范圍較大的部分，且與航線有關。βw是環境影響系數，實際上就是可利用的清潔能源的量。對某一船舶進行經濟性評價，需將其放在一個相對較長的時間段內，利用統計值進行計算，而這需借助氣候航線的相關數據。

例如光伏系統在船舶上的使用，對于主要航行于低緯度太平洋地區的船舶和主要航行于高緯度大西洋地區甚至是東北航道的船舶，發光效率存在很大的區別，直接影響到光伏系統的經濟效益。采用經濟性評價函數可很方便地評價出長期航行于某一航線的船舶利用某清潔能源的經濟性，從而確定使用價值。

3 清潔能源船舶航線優化方法

3.1 航線優化目標函數的建立

通過航線優化提高某一具體航次清潔能源的使用效率實際上就是采用氣象導航技術確定最優航線，使節能減排效果最好。

氣象導航實際上是一個多目標求解問題，確立目標函數十分關鍵，而對于裝載有清潔能源的船舶，自然要將清潔能源的實際使用效果作為優化目標之一。

使用清潔能源不僅可降低燃油成本，還可減少排放，其在某一航次的出力越大越好。但是，作為航線優化設計的目標函數，除了考慮清潔能源的輸出能量以外，還應減去航線延長所增加的主機油耗量，因此提出針對清潔能源船舶的節能評價函數，以此作為航線優化的目標函數，即

(6)

式(6)中：Qper1為某一航次使用清潔能源的等效燃油節省量，t；Qother為航線延長所增加的主機油耗量，t；Ci和Cj為燃油量與CO2量的轉換系數；mcargo為船舶所載貨物的質量或所作的功。

3.2 航線優化的一般方法

2個規定地點之間的參考航線通常有多條，航線優化是在考慮地域特征、海洋水文和氣象條件等因素的基礎上，完成航行安全、航時最省、人員舒適和貨損最小的多目標優化選擇。這里提出的清潔能源船舶航線優化的一般方法是在保證航行安全及其他因素在可接受范圍內的基礎上，基于清潔能源船舶的節能評價函數，從參考航線中選取節能減排效果最好的推薦航線。

3.3 太陽能船舶航線優化實例

以太陽能船舶從新加坡到悉尼的航線優化為例說明所提出的航線優化方法的應用。所選用的目標船舶為中遠海運(集團)有限公司的一艘5 000車位滾裝船，船上安裝有峰值功率為143.1 kW的光伏陣列，主機功率為12 342 kW，航速為20 kn。

圖1為基于BLM-Shipping得出的從新加坡到悉尼可供選擇的2條航線，航線①的長度為4 275.15 n mile，航線②的長度為4 285.6 n mile。同時，以10°為單位劃分經緯線，標注目標航期內的輻照強度。基于式(6)，可得出航線①的Weeoi=4.69 CO2/car，航線②的Weeoi= 0.12 CO2/car。

圖1 基于BLM-Shipping得出的從新加坡到悉尼可供選擇的航線

由結果可知,航線①更節能， 但必須意識到在基于清潔能源船舶的節能評價函數進行航線優化時，必須確定其與其他因素的權重。片面追求清潔能源出力大可能會使航行距離延長，這不僅會導致航運周期發生變化，而且從節能減排的角度看，主機等耗油設備由此帶來的耗油增加也可能會超過使用清潔能源帶來的價值。

4 結束語

利用清潔能源是船舶未來發展的方向。正是由于航線與清潔能源利用密切相關，研究二者之間的協同性至關重要。根據氣候航線的數據評價特定船舶使用清潔能源的經濟性,可有效規避潛在的投資風險，確定最佳的利用模式；同時，依據氣象導航技術的航線優化可提高船用清潔能源的效率，進一步提升節能減排效果。但必須意識到,對于使用清潔能源的船舶來說，不能僅將清潔能源的實際使用效果作為優化目標之一，在考慮相關因素各自權重的基礎上的多目標求解才是關鍵。

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SynergyofMarineCleanEnergywithRouteOptimization

ZHANGYan1a,2,3,HUANGJingchen1a,LIHuiyuan1b

(1a. School of Energy and Power Engineering; 1b. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology(Ministry of Transport), Wuhan 430063, China; 3. National Research Engineering Center for Water Transport Safety， Wuhan 430063, China)

The clean energy is walking into maritime industry. However, the actual efficacy of clean energy, such as wind or solar energy is dependent on marine environment which is mainly associated with the shipping sailing line. It is possible to gain tremendous benefit from the synergy of clean energy with route optimization. A method is proposed for evaluating the economy of using certain kind of clean energy for ships navigating in particular area, referencing the information relating to their voyage routes. A case of route optimization for a ship with solar energy is demonstrated.

route optimization; ship; clean energy; economical evaluation; energy efficiency improvement

2017-12-12

國家自然科學基金優秀青年基金(51422507)

張 彥(1989—)，男，浙江湖州人，實驗師，博士生，研究方向為新能源系統可靠性與智能遠程。E-mail:zhangyant1223@163.com

李慧媛(1988—)，女，湖北武漢人，講師，研究方向為自動控制與參數辨識。E-mail: 372414291@qq.com

1000-4653(2018)01-0109-04

U674.925

A