太陽能光伏觀光船應用研究＊

王 樂，徐 建，徐夢婷

（嘉興南洋職業技術學院船建分院，浙江 嘉興 314031）

1 研究背景

太陽能是一種巨大的能源，它以光輻射的形式每秒鐘向太空輻射約3.8×1020J的能量，有1.73×1011J投射到地球上，其中的70%左右投射到地面，地面上一年可接收到的太陽能達1.8×1018kW·h。中國各地的太陽能年輻射量為930～2 330 kW·h/m2，全國陸地表面每年接收的太陽能相當于1.7億t標準煤的能量，比中國當前的年能源消耗總量高3個量級。太陽能可以用來聚熱取暖和光伏發電，為船上設施提供相對獨立的能量來源，在降低船舶發電機或主機能耗的同時保證船舶的正常航行；在船舶上太陽能主要是通過布置在船舶上的太陽能電池板等裝置進行能量收集，隨后轉換成光伏電能直接應用于電氣設備或儲存起來。

19世紀中葉，伴隨著美國制成實用的單晶硅太陽能電池，將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術就此誕生。隨著太陽能光伏技術的日趨成熟和完善，太陽能已成為應用較多的清潔能源之一，太陽能光伏交直流并網技術目前有了船用化的趨勢。光伏發電系統配備光伏逆變器可將太陽能電池板產生的直流電能轉化為與電網電壓同頻率、同相位的交流電并網供負載使用，如光伏發電系統帶有儲能電池，還可以起到不間斷電源的作用。但截至目前，太陽能光伏能源船型開發研究還處于起步階段，適用于中國內河的太陽能觀光船型還有待開發。

日本、德國、澳大利亞和瑞士等國較早進行了太陽能船舶的研究，也有成功的應用經驗。澳大利亞于2000年建成了利用太陽能、風能、燃料電池、油混合的能源雙體渡船。此船設置了8片可調控的翼覆并蓋著太陽能發電裝置，可用作風帆和利用太陽能發電，船長約21 m，可搭載100人。美國與澳大利亞于2006年合作設計了一款太陽能風翼大型三體游船，該船可搭載600名乘客。瑞士的全太陽能動力船“太陽21號”于2006-10-16從瑞士巴塞爾起航前往紐約，開始該船的首次跨越大西洋旅程，并于2007-05-08到達紐約港。該船是世界上第一艘純太陽能行駛并完成橫跨大西洋的船只，通過該船的實船航行證實了太陽能船進行遠洋航行的可能性。澳大利亞混合能源雙體渡船如圖1所示。

圖1 澳大利亞混合能源雙體渡船

2006年，在日本愛知世界博覽會上展出了挪威老牌航運企業威廉臣航提出的E/SOrcelle（環保海豚）模型。該船由軍艦設計師、環保專家、船舶工程師等合作設計，采用五體船船型，長250 m，寬50 m，排水量50 000 t，以風能、太陽能和波浪能作為艦船所有輸入能源，不向海洋或大氣排放任何污染物。E/SOrcelle是綜合利用風能、太陽能和波浪能以及燃料電池技術、吊艙推進技術的大型遠洋運輸五體船型概念，E/SOrcelle最終將實現無排放遠洋航行。

綜上所述，太陽能動力船舶的研發既是具有前瞻性，事關國家船舶科技可持續發展的遠景課題，也是需要逐步硏究實現的迫切課題，同時，E/SOrcelle概念正是大型多體船船型，已建造的太陽能小型船艇大都采用雙體船船型，這也提示了多體船型用作太陽能動力船平臺較單體船型有更大的優勢。

2 太陽能光伏電力系統在南湖觀光船上的應用

太陽能在船舶上利用的方式有3種：①太陽能作為主動力；②太陽能與風能混合利用作為主動力；③太陽能用作輔助動力。太陽能在船舶中的應用，需要研究、解決、改進和完善多項關鍵技術。本文擬對設計要求巡航速度不低于11 km/h、續航力不低于8 h的南湖雙體太陽能觀光船型開發的關鍵性問題進行研究。

2.1 太陽能光伏板布置設計

使用現有太陽能觀光船用太陽能支架時，常常存在如下問題：①將現有的太陽能觀光船用太陽能支架安裝在船體上時，需要借助螺栓，進而需要在船體上開孔，使得船體不能保持完整性；②由于現有一體式太陽能支架安裝部位之間的距離是固定的，從而使得其僅能安裝某一種大小的太陽能板，不便于使用不同大小的太陽能板。

根據以上情況，本文所述太陽能觀光船用太陽能支架設計，解決上述現有太陽能觀光船用太陽能支架不便于保證船體完整，且不便于安裝不同大小的太陽能板的問題。

本文所述太陽能觀光船用太陽能支架設計，包括支撐板、雙軸電機、主動軸、連接板、支撐板、卡桿等結構。支撐板上表面的一側預留有條形槽，且條形槽內安裝有雙軸電機。雙軸電機的電機上均連接有主動軸，且主動軸的另一端軸承連接于條形槽的端部，主動軸通過蝸輪蝸桿結構與從動軸相連接，且從動軸的一端軸承連接于連接板上。連接板設置于支撐板上表面的兩側，且支撐板的上表面預留有安裝槽，前后兩側均預留有通孔。通孔內設置有卡桿，卡桿通過撐頂裝置與外螺紋管相連接，且外螺紋管軸承連接于安裝槽內。外螺紋管的內側連接有驅動桿，且驅動桿的上端貫穿外螺紋管的上表面并伸出安裝槽的上表面，并且驅動桿的下端通過拉伸彈簧與安裝槽的內底面相連接。從動軸貫穿支撐塊、第一阻尼轉軸、第二阻尼轉軸和套管，且從動軸與連接桿同軸連接，并且連接桿的外端嵌套有連接管。第一阻尼轉軸和第二阻尼轉軸分別設置于支撐塊的兩側，且第一阻尼轉軸之間和第二阻尼轉軸之間分別連接有連接架和套管。第一阻尼轉軸和第二阻尼轉軸的內側均設置有棘齒，且棘齒與棘爪嚙合連接，并且棘爪設置于從動軸外側。套管的外側通過傘齒組與轉桿相連接，且轉桿貫穿連接架設置。太陽能光伏板支架設計如圖2所示。

圖2 太陽能光伏板支架設計圖

2.2 太陽能蓄電池結構設計

太陽能觀光船的船倉內需要安裝大量蓄電池組對轉化的電量進行存儲，傳統蓄電池組在實際使用當中會遇到降溫、減震、拆卸及固定等問題。

目前的蓄電池組降溫大多通過安裝銅制散熱翅片進行散熱，此種散熱方式會產生一定效果，但是散熱翅片在完成對熱量的轉移之后，轉移至翅片本身的熱量難以消除，影響翅片進一步的散熱效果，不能夠利用船體使用過程中與水分之間產生的相對運動特性對相關散熱結構進行冷卻處理，從而導致需要采用單獨的裝置對散熱結構進行冷卻工作，影響蓄電池組使用，同時提高了散熱冷卻成本。

本文所述了一種新型觀光船太陽能蓄電池散熱結構設計，包括船底、電池安裝盒、導熱硅膠墊和密封圈。船底的上方安裝有電池安裝盒，且電池安裝盒的內部開設有儲液槽。電池安裝盒上安裝有頂桿，且頂桿上連接有安裝筒，并且安裝筒位于電池安裝盒的內側。安裝筒的內側設置有安裝槽，散熱管的外側設置有第二散熱板，且第二散熱板和第一渦輪葉均位于船底的下方。太陽能蓄電池結構設計如圖3所示。

圖3 太陽能蓄電池結構設計圖

通過太陽能蓄電池結構設計，旋轉頂桿可帶動橫向桿體運動，而復位彈簧能夠推動橫向桿體通過導熱硅膠墊貼合在蓄電池組的外側對其熱量進行傳導，大大提高散熱效率。同時能夠對蓄電池組進行緩沖防護，避免在船體行駛中產生的搖晃對蓄電池組的安裝結構造成損壞。

2.3 太陽能觀光船其他優化設計

此外，針對本文所述太陽能觀光船特點，對包括船艙頂板結構、舭龍骨等結構進行優化設計。

在冬日時節，太陽能板上的積雪會影響太陽能板的光照利用率，而現有的頂板結構并不能對太陽能板上的積雪和積塵進行便捷清除，同時在氣溫較高時，太陽能板的背部安裝結構處會由于太陽板自身的運行而產生大量熱量，現有的頂板結構并不能對該區域熱量進行便捷散發。本文所述太陽能觀光船艙頂板結構，設計多組空腔、槽類結構，方便清理太陽能板的正面灰塵、積雪，同時能夠對太陽能板的背面進行高效散熱，設計合理。太陽能蓄電池船艙頂板設計如圖4所示。

圖4 太陽能蓄電池船艙頂板設計圖

現有的舭龍骨為單一的板狀結構，其安裝以及使用的穩定性較差，在長時間使用發生損壞之后不方便進行拆卸更換，影響船體行駛的穩定性，容易使乘坐人員受到人身傷害。本文所述太陽能觀光船設計了第一板體以及第二板體之間能夠通過連接軸、安裝環以及渦旋彈簧進行旋轉調節，從而方便第一板體以及第二板體分別卡入第一安裝片和第二安裝片內，有利于第一板體以及第二板體進行安裝或拆卸更換。太陽能蓄電池舭龍骨設計如圖5所示。

圖5 太陽能蓄電池舭龍骨設計圖

3 結束語

本文所述的太陽能光伏觀光船，基本完成了適用于嘉興南湖的內河觀光船設計。新能源船型的應用，將大大減少景區環境污染，具有重大環境效益。將改寫中國風景區旅游船舶大多采用柴油機驅動的歷史，相較于充電式純電動推進船舶也具有能源來源更加清潔的優勢。可將該船成功經驗推廣至具有游船的全國水上旅游景區，市場前景可期，并會帶來巨大的環境及經濟效益。