太陽能在船舶動力領域的應用及前景

黃煉

摘? 要：在化石能源這種不可再生能源日趨減少的今天，尋找新的可再生能源來取代它的應用成為必然趨勢，文章主要概括總結太陽能在取代傳統化石能源在船舶動力領域的相關應用及前景。

關鍵詞：太陽能;光伏發電;應用;限制因素;總結

中圖分類號：U664.1? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0183-02

Abstract： Today， with the decrease of non-renewable energy such as fossil energy， it is an inevitable trend to find new renewable energy to replace its application. This paper mainly summarizes the related applications and prospects of solar energy in the field of ship power to replace traditional fossil energy.

Keywords： solar energy; photovoltaic power generation; application; limiting factors; summary

前言

太陽能指投射到地面上的太陽輻射能，廣義的太陽能包括像水能、風能、海洋能、潮汐能等間接的太陽能資源，可以說我們生活中的一切都離不開太陽能，太陽能無處不在，本文要講的船舶動力領域利用的是狹義上的太陽能，即太陽輻射能。太陽每年投射到地球表面太陽輻射能巨大，約相當于13×1013噸標準煤的能量。太陽輻射能會投射到地球的每一處，開發和利用都極為方便。關鍵在于太陽能的使用不會造成環境的污染，且取之不竭、用之不盡，具備良好的持續性。

當前，船舶動力系統主要以燃油的燃燒為主，燃油燃燒產物中CO2、NOX、顆粒物等對人類居住環境會造成污染。隨著人類環境保護意識的增強和對船舶航運市場的關注，國際海事組織等相關海事機構，對船舶污染物的節能減排方面性能均提出了嚴格的要求。太陽能無污染、使用的便捷性等，更有利于拓展其使用領域。不少研究者探討了太陽能在船舶領域應用價值以及可行性等。

1 太陽能的利用原理

太陽能利用的方式有很多種，比如光能轉化為熱能、電能、氫能、生物質能等。當今船舶上利用太陽能的方式主要是將太陽能轉化為電能加以利用，即光伏發電。光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能。不論是獨立使用還是并網發電，光伏發電系統主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成（圖1）。

當太能光照射到半導體表面時，半導體內部有一部分的價電子受到太陽光子的沖擊，從而掙脫共價鍵的束縛，這樣就形成了許多非平衡的電子-空穴對，在P-N結的作用下，這些電子會產生流動，這時如果在半導體兩端加上負載，就會有電流通過負載。這樣許多個小太陽能光伏電池串聯或者并聯在一起組成光伏組件就能將太陽能轉化為足夠大的電能。

2 太陽能在船舶動力領域應用

早在1985年，美國的德克薩斯州的Sum Smith就推出了太陽能充電裝置，可供車輛和船舶蓄電池充電。之后的多個國家都研制出了小型太陽能電池充電的樣船，這些可以看做是太陽能在船舶領域的首次應用。2000年澳大利亞造出了太陽能風能的混合動力的雙體客船，這標志著可再生能源在船舶動力領域的一次大的飛躍。2007年5月8日，瑞士的“太陽21號”全太陽能動力船經過5個多月的航行，完成了橫渡大西洋之旅。到了2008年日本的郵船公司與日本石油公司合作，嘗試利用太陽能為汽車滾裝船的推進系統提供部分電力。此前航運界還沒有利用太陽能為大型船舶提供動力的先例，此次利用太陽能的汽滾船長200米，可裝載 6000 輛汽車。該船安裝328塊太陽光板，太陽能總發電量達到40千瓦時，為全船總用量的0.2%。2012年世界上最大的太陽能船圖拉諾號成功完成了為期18個月的環球航行，這艘造價2600萬美元的雙體太陽能船長30.7米，寬15米，最多可搭乘50名乘客。而驅動它航行的則是船身上覆蓋的537平米的太陽能電池板。

圖2 圖拉諾號

目前，太陽能在船舶動力領域的應用主要有以下幾個方面：

2.1 將太陽能轉化為電力作為船舶的主動力源

即船舶主機的能量基本都來自于太陽能所產生的電能，如圖拉諾號就是這樣的一種應用。這樣的太陽能船必須根據船舶的大小、航速、任務需求等，將主機動力配置調整到合適的大小，這對設計是個不小的挑戰。

2.2 將太陽能作為船舶的輔助機械動力能源

大型船舶的輔助機械有很多，為了方便控制，往往都有獨立的發電系統或者船舶電站進行控制，這時候，就可以用太陽能所產生的電能作為這些設備的動力能源，起到節能減排的作用，而且大型船舶的甲板有足夠的地方放置太陽能電池板。

2.3 將太陽能作為船舶制冷空調設備和生活照明系統能源

遠洋船舶一般航期相對較長，空調制冷系統和生活照明系統等生活中的能源需求如果全都依靠柴油機發電來提供電力的話，那么這里所產生的燃油費用是一筆不小的開支，而且對環境也有污染。然而太陽能在這些方面應用就能完美解決這些問題，比如太陽能熱水器。

2.4 將太陽能作為大型油船卸貨和加熱系統的能源

大型油船一般航行時間長，防火要求高，冬季原油卸貨困難，而這些剛好給了太陽能在船舶上的應用很好的發揮空間，可以在油船上裝足夠的太陽能電池板和蓄電池，可以積蓄很多的太陽能，可通過太陽能熱水器對油料進行保溫，卸貨的時候又可以作為駁貨設備的能源。

3 制約太陽能在船舶動力領域發展的因素

雖然太陽能在船舶動力領域已經有了很多應用，但很多方面仍有不足。例如在2000t以上的船舶中，98%還是以柴油機為主要的動力能源，太陽能在大型船舶上的應用有著很大的空白，那么制約太陽能在船舶動力領域應用的因素有哪些呢？

3.1 能量供應的不足

這一點其實歸根結底還是太陽能本身的原因，太陽能具有分散性，雖然到達地球表面的太陽能的總量很大，但是能流密度卻很低，最大的時候一平方米的太陽能功率也僅僅只有1kW左右，而大中型船舶又需要很大的能量，這就要求很大的面積來吸收太陽能，但是由于空間的限制以及抗風抗浪性能的影響，實際上并沒有這么大的空間。

3.2 穩定性不夠

影響太陽能功率的因素很多，比如季節、天氣、地理位置、海拔高度等，甚至在一天中太陽能的輻射強度也是完全不同的，從圖3中可以清楚看出變化的巨大，因此要想獲得穩定持續的能源，就必須解決太陽能的蓄電方面的問題，但就目前看來，蓄能技術尚未完善。

圖3 太陽能輻射強度隨時間變化圖

3.3 太陽能設備昂貴

目前太陽能電池板的材料是晶體硅，其成本遠超于柴油機，想要把它作為主要的動力來源顯然是不現實的，初期的投入太大，而且太陽能設備的修理維護需要相應的專業人才。要想讓太陽能有一定的市場競爭力就必須想方設法去降低它的制造和維護成本。

4 結束語

太陽能在船舶動力領域的發展前景還是很可觀的，特別是在化石能源日趨減少的今天，發展太陽能是必然趨勢，但是要想讓太陽能在船舶動力領域有普遍的應用，特別在大型船舶領域，還有諸多的難題需要我們解決，要走的路還很長。

參考文獻：

[1]馮飛.新能源技術與應用概論[M].北京：化學工業出版社，2016.

[2]胡以懷.新能源與船舶節能技術[M].上海：科學出版社，2015.

[3]徐筱欣.船舶動力裝置[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

[4]李報明.老舊運輸船舶管理規定[M].北京：中國交通出版社，2006.

[5]李進.太陽能在船舶動力裝置中的應用與前景[J].船海工程報，2010，39（4）：70-72.

[6]舒暢.太陽能動力系統概述及其在國內外的應用[J].科海故事博覽：科教創新，2008（10）：113-114.

[7]趙春生.光伏太陽能在船舶動力裝置中的應用前景[J].黑龍江科技信息，2014（32）：156.

[8]吳新憲.太陽能和風能在船舶上的應用分析[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[9]孫玉偉.船用太陽能光伏發電系統及性能評估[D].武漢：武漢理工大學，2010.