太陽能在船舶動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用成為必然趨勢，文章主要概括總結(jié)太陽能在取代傳統(tǒng)化石能源在船舶動(dòng)力領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用及前景。

關(guān)鍵詞：太陽能;光伏發(fā)電;應(yīng)用;限制因素;總結(jié)

中圖分類號：U664.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)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(dòng)力領(lǐng)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(dāng)于13×1013噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。太陽輻射能會(huì)投射到地球的每一處，開發(fā)和利用都極為方便。關(guān)鍵在于太陽能的使用不會(huì)造成環(huán)境的污染，且取之不竭、用之不盡，具備良好的持續(xù)性。

當(dāng)前，船舶動(dòng)力系統(tǒng)主要以燃油的燃燒為主，燃油燃燒產(chǎn)物中CO2、NOX、顆粒物等對人類居住環(huán)境會(huì)造成污染。隨著人類環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)和對船舶航運(yùn)市場的關(guān)注，國際海事組織等相關(guān)海事機(jī)構(gòu)，對船舶污染物的節(jié)能減排方面性能均提出了嚴(yán)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(lǐng)域。不少研究者探討了太陽能在船舶領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)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(zhuǎn)化為熱能、電能、氫能、生物質(zhì)能等。當(dāng)今船舶上利用太陽能的方式主要是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能加以利用，即光伏發(fā)電。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)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(dāng)太能光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部有一部分的價(jià)電子受到太陽光子的沖擊，從而掙脫共價(jià)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(jié)的作用下，這些電子會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，這時(shí)如果在半導(dǎo)體兩端加上負(fù)載，就會(huì)有電流通過負(fù)載。這樣許多個(gè)小太陽能光伏電池串聯(lián)或者并聯(lián)在一起組成光伏組件就能將太陽能轉(zhuǎn)化為足夠大的電能。

2 太陽能在船舶動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)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(gè)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(lǐng)域的首次應(yīng)用。2000年澳大利亞造出了太陽能風(fēng)能的混合動(dòng)力的雙體客船，這標(biāo)志著可再生能源在船舶動(dòng)力領(lǐng)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(dòng)力船經(jīng)過5個(gè)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?yán)锰柲転槠嚌L裝船的推進(jìn)系統(tǒng)提供部分電力。此前航運(yùn)界還沒有利用太陽能為大型船舶提供動(dòng)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(fā)電量達(dá)到40千瓦時(shí)，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(gè)月的環(huán)球航行，這艘造價(jià)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(qū)動(dòng)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(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：

2.1 將太陽能轉(zhuǎn)化為電力作為船舶的主動(dòng)力源

即船舶主機(jī)的能量基本都來自于太陽能所產(chǎn)生的電能，如圖拉諾號就是這樣的一種應(yīng)用。這樣的太陽能船必須根據(jù)船舶的大小、航速、任務(wù)需求等，將主機(jī)動(dòng)力配置調(diào)整到合適的大小，這對設(shè)計(jì)是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

2.2 將太陽能作為船舶的輔助機(jī)械動(dòng)力能源

大型船舶的輔助機(jī)械有很多，為了方便控制，往往都有獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)或者船舶電站進(jìn)行控制，這時(shí)候，就可以用太陽能所產(chǎn)生的電能作為這些設(shè)備的動(dòng)力能源，起到節(jié)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(diào)設(shè)備和生活照明系統(tǒng)能源

遠(yuǎn)洋船舶一般航期相對較長，空調(diào)制冷系統(tǒng)和生活照明系統(tǒng)等生活中的能源需求如果全都依靠柴油機(jī)發(fā)電來提供電力的話，那么這里所產(chǎn)生的燃油費(fèi)用是一筆不小的開支，而且對環(huán)境也有污染。然而太陽能在這些方面應(yīng)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(tǒng)的能源

大型油船一般航行時(shí)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(yīng)用很好的發(fā)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(jìn)行保溫，卸貨的時(shí)候又可以作為駁貨設(shè)備的能源。

3 制約太陽能在船舶動(dòng)力領(lǐng)域發(fā)展的因素

雖然太陽能在船舶動(dòng)力領(lǐng)域已經(jīng)有了很多應(yīng)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(jī)為主要的動(dòng)力能源，太陽能在大型船舶上的應(yīng)用有著很大的空白，那么制約太陽能在船舶動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用的因素有哪些呢？

3.1 能量供應(yīng)的不足

這一點(diǎn)其實(shí)歸根結(jié)底還是太陽能本身的原因，太陽能具有分散性，雖然到達(dá)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(shí)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(fēng)抗浪性能的影響，實(shí)際上并沒有這么大的空間。

3.2 穩(wěn)定性不夠

影響太陽能功率的因素很多，比如季節(jié)、天氣、地理位置、海拔高度等，甚至在一天中太陽能的輻射強(qiáng)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(wěn)定持續(xù)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(shù)尚未完善。

圖3 太陽能輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖

3.3 太陽能設(shè)備昂貴

目前太陽能電池板的材料是晶體硅，其成本遠(yuǎn)超于柴油機(jī)，想要把它作為主要的動(dòng)力來源顯然是不現(xiàn)實(shí)的，初期的投入太大，而且太陽能設(shè)備的修理維護(hù)需要相應(yīng)的專業(yè)人才。要想讓太陽能有一定的市場競爭力就必須想方設(shè)法去降低它的制造和維護(hù)成本。

4 結(jié)束語

太陽能在船舶動(dòng)力領(lǐng)域的發(fā)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(fā)展太陽能是必然趨勢，但是要想讓太陽能在船舶動(dòng)力領(lǐng)域有普遍的應(yīng)用，特別在大型船舶領(lǐng)域，還有諸多的難題需要我們解決，要走的路還很長。

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