太阳能在船舶动力领域的应用及前景

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　　摘  要：在化石能源这种不可再生能源日趋减少的今天，寻找新的可再生能源来取代它的应用成为必然趋势，文章主要概括总结太阳能在取代传统化石能源在船舶动力领域的相关应用及前景。
　　关键词：太阳能;光伏发电;应用;限制因素;总结
　　中图分类号：U664.1        文献标志码：A         文章编号：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
　　太阳能指投射到地面上的太阳辐射能，广义的太阳能包括像水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源，可以说我们生活中的一切都离不开太阳能，太阳能无处不在，本文要讲的船舶动力领域利用的是狭义上的太阳能，即太阳辐射能。太阳每年投射到地球表面太阳辐射能巨大，约相当于13×1013吨标准煤的能量。太阳辐射能会投射到地球的每一处，开发和利用都极为方便。关键在于太阳能的使用不会造成环境的污染，且取之不竭、用之不尽，具备良好的持续性。
　　当前，船舶动力系统主要以燃油的燃烧为主，燃油燃烧产物中CO2、NOX、颗粒物等对人类居住环境会造成污染。随着人类环境保护意识的增强和对船舶航运市场的关注，国际海事组织等相关海事机构，对船舶污染物的节能减排方面性能均提出了严格的要求。太阳能无污染、使用的便捷性等，更有利于拓展其使用领域。不少研究者探讨了太阳能在船舶领域应用价值以及可行性等。
　　1 太阳能的利用原理
　　太阳能利用的方式有很多种，比如光能转化为热能、电能、氢能、生物质能等。当今船舶上利用太阳能的方式主要是将太阳能转化为电能加以利用，即光伏发电。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成（图1）。
　　当太能光照射到半导体表面时，半导体内部有一部分的价电子受到太阳光子的冲击，从而挣脱共价键的束缚，这样就形成了许多非平衡的电子-空穴对，在P-N结的作用下，这些电子会产生流动，这时如果在半导体两端加上负载，就会有电流通过负载。这样许多个小太阳能光伏电池串联或者并联在一起组成光伏组件就能将太阳能转化为足够大的电能。
　　2 太阳能在船舶动力领域应用
　　早在1985年，美国的德克萨斯州的Sum Smith就推出了太阳能充电装置，可供车辆和船舶蓄电池充电。之后的多个国家都研制出了小型太阳能电池充电的样船，这些可以看做是太阳能在船舶领域的首次应用。2000年澳大利亚造出了太阳能风能的混合动力的双体客船，这标志着可再生能源在船舶动力领域的一次大的飞跃。2007年5月8日，瑞士的“太阳21号”全太阳能动力船经过5个多月的航行，完成了横渡大西洋之旅。到了2008年日本的邮船公司与日本石油公司合作，尝试利用太阳能为汽车滚装船的推进系统提供部分电力。此前航运界还没有利用太阳能为大型船舶提供动力的先例，此次利用太阳能的汽滚船长200米，可装载 6000 辆汽车。该船安装328块太阳光板，太阳能总发电量达到40千瓦时，为全船总用量的0.2%。2012年世界上最大的太阳能船图拉诺号成功完成了为期18个月的环球航行，这艘造价2600万美元的双体太阳能船长30.7米，宽15米，最多可搭乘50名乘客。而驱动它航行的则是船身上覆盖的537平米的太阳能电池板。
　　图2 图拉诺号
　　目前，太阳能在船舶动力领域的应用主要有以下几个方面：
　　2.1 将太阳能转化为电力作为船舶的主动力源
　　即船舶主机的能量基本都来自于太阳能所产生的电能，如图拉诺号就是这样的一种应用。这样的太阳能船必须根据船舶的大小、航速、任务需求等，将主机动力配置调整到合适的大小，这对设计是个不小的挑战。
　　2.2 将太阳能作为船舶的辅助机械动力能源
　　大型船舶的辅助机械有很多，为了方便控制，往往都有独立的发电系统或者船舶电站进行控制，这时候，就可以用太阳能所产生的电能作为这些设备的动力能源，起到节能减排的作用，而且大型船舶的甲板有足够的地方放置太阳能电池板。
　　2.3 将太阳能作为船舶制冷空调设备和生活照明系统能源
　　远洋船舶一般航期相对较长，空调制冷系统和生活照明系统等生活中的能源需求如果全都依靠柴油機发电来提供电力的话，那么这里所产生的燃油费用是一笔不小的开支，而且对环境也有污染。然而太阳能在这些方面应用就能完美解决这些问题，比如太阳能热水器。
　　2.4 将太阳能作为大型油船卸货和加热系统的能源
　　大型油船一般航行时间长，防火要求高，冬季原油卸货困难，而这些刚好给了太阳能在船舶上的应用很好的发挥空间，可以在油船上装足够的太阳能电池板和蓄电池，可以积蓄很多的太阳能，可通过太阳能热水器对油料进行保温，卸货的时候又可以作为驳货设备的能源。 　　3 制约太阳能在船舶动力领域发展的因素
　　虽然太阳能在船舶动力领域已经有了很多应用，但很多方面仍有不足。例如在2000t以上的船舶中，98%还是以柴油机为主要的动力能源，太阳能在大型船舶上的应用有着很大的空白，那么制约太阳能在船舶动力领域应用的因素有哪些呢？
　　3.1 能量供应的不足
　　这一点其实归根结底还是太阳能本身的原因，太阳能具有分散性，虽然到达地球表面的太阳能的总量很大，但是能流密度却很低，最大的时候一平方米的太阳能功率也仅仅只有1kW左右，而大中型船舶又需要很大的能量，这就要求很大的面积来吸收太阳能，但是由于空间的限制以及抗风抗浪性能的影响，实际上并没有这么大的空间。
　　3.2 稳定性不够
　　影响太阳能功率的因素很多，比如季节、天气、地理位置、海拔高度等，甚至在一天中太阳能的辐射强度也是完全不同的，从图3中可以清楚看出变化的巨大，因此要想获得稳定持续的能源，就必须解决太阳能的蓄电方面的问题，但就目前看来，蓄能技术尚未完善。
　　图3 太阳能辐射强度随时间变化图
　　3.3 太阳能设备昂贵
　　目前太阳能电池板的材料是晶体硅，其成本远超于柴油机，想要把它作为主要的动力来源显然是不现实的，初期的投入太大，而且太阳能设备的修理维护需要相应的专业人才。要想让太阳能有一定的市场竞争力就必须想方设法去降低它的制造和维护成本。
　　4 结束语
　　太阳能在船舶动力领域的发展前景还是很可观的，特别是在化石能源日趋减少的今天，发展太阳能是必然趋势，但是要想让太阳能在船舶动力领域有普遍的应用，特别在大型船舶领域，还有诸多的难题需要我们解决，要走的路还很长。
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