大型远洋运输船舶碟式斯特林太阳能热发电系统的构建

胡 义，朱顺敏，徐 兵

(1.武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430063;2.高性能船舶技术教育部重点实验室，湖北武汉 430063;3.武汉理工大学计算机学院，湖北武汉 430063)

近年来，在全球石化能源日趋枯竭，燃油占船舶运输成本越来越大及排放污染日益加剧的国际形势下，为使航运业能够可持续发展，世界造船业的主要研究方向开始集中在节能减排、探索新能源、大力发展船舶清洁可再生动力能源技术等方面［1］。

太阳能作为一种清洁可持续使用能源，具有能源储备足、环境污染少、市场潜力大等优势，使其成为现代船舶能源新的发展方向［2］。

与光伏发电相比，碟式斯特林太阳能热发电具有光电转换效率高、发电规模灵活、场地平坦性要求低、耗水量少等优点［3～6］。

因此在大型远洋运输船舶上构建碟式斯特林太阳能热发电系统 (以下简称碟式发电系统)可以在一定程度上缓解航运业面临的燃油价格上涨以及环保压力。

1 碟式发电系统组成和分类

1.1 碟式发电系统基本原理及组成

碟式发电系统是通过在船舶航行过程中实现对太阳自动跟踪的抛物面碟式聚光镜将太阳光聚焦于位于聚光镜焦点处的集热器，集热器加热高压氢气膨胀推动斯特林机活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出，作为辅助能源应用在船舶的照明系统、驾驶系统、空调系统、辅助机械等方面，从而实现节能减排、保护环境的良好效果。碟式发电系统主要由聚光系统、太阳跟踪系统、系统支撑骨架和斯特林机4个部分组成［7］，如图1。

1.2 碟式发电系统分类

图1 碟式发电系统组成图

根据聚光镜数目和能源利用模式的不同，碟式发电系统一般分为由单个聚光镜构成的独立供电的小型发电系统、多个聚光镜阵列并机运行的碟式发电系统、混合型碟式发电系统3种。

1)单个聚光镜构成的独立供电的小型发电系统如图2所示。太阳能斯特林机作为整个系统的核心部分，将太阳能直接转换为电能，作为普通家庭用电的补充，其水循环冷却系统还可用于家庭热水供应，适用于城市单体别墅以及边远山区日照充裕地区。由于受装机容量限制，在大型远洋运输船舶上的推广应用前景不大。

2)多个聚光镜阵列并机运行的碟式发电系统。系统由多个碟式斯特林太阳能热发电模块组合成碟群，整个系统的装机容量可以达到几十至几百千瓦，甚至到兆瓦级，系统既可以离网独立运行，也可以并网运行。图3为碟式发电装置聚光镜结构图。

图2 小型碟式发电系统图

3)混合型碟式发电系统如图4所示。由于太阳能与生物质能发电具有良好的互补性，生物质能可以很好的弥补太阳能间断性和不稳定性的缺点，因此碟式发电系统可以与生物质能气化发电系统结合起来，构成太阳能/生物质能混合发电系统［8］。此外，碟式发电系统还可以设计成光气互补型，实现在没有阳光的条件下通过燃烧可燃气体达到系统24 h连续发电的目的，这是光伏发电所不具备的。

图3 碟式发电装置聚光镜结构图

图4 混合型碟式发电系统图

2 系统构建

大型远洋运输船舶上太阳能热发电系统的构建，需要针对典型船舶和典型航线，在综合计算评估碟式发电系统投资成本、船舶营运航线上太阳能辐射强度和燃油价格增长率的基础上，从系统适用性、耐久性和经济性等方面做出科学合理的分析［9］。同时还要考虑船体结构、船舶安全营运等多个方面内容，对目前已投入运营的大型远洋运输船舶，在设计安装该系统时，还需根据船舶现有条件进行安装评定［10］。因此在大型远洋运输船舶上搭建碟式发电系统时需要根据船舶实际情况，分阶段进行。大型远洋运输船舶构建碟式发电系统的技术路线如图5所示。

图5 船舶构建碟式发电系统技术路线

2.1 目标船的选定

经计算，平均每输出功率l kW的电能，船用碟式聚光镜需要3～4 m2的甲板布置面积。因此，设计安装大功率的碟式发电系统，首先必须考虑的是大面积的碟式聚光镜阵列的布置问题。综合分析6种典型远洋运输船舶，如表1所示 (VLCC级油船对电气设备有更高的要求)，最后得出滚装客货船和散货船为适宜选择对象。

表1 常见6种船型分析

2.2 电力利用模式的选择

在大型远洋运输船舶上构建碟式斯特林太阳能热发电系统时，选择合理的电力利用模式对保证船舶电网不间断向船上负载供电具有重要意义。一方面，船用碟式斯特林太阳能热发电系统所能够提供的电能在任何一种船舶运营工况下相比于船舶电站的总负荷而言都是比较低的;另一方面，发电系统设计容量的提高受限于船舶甲板可利用面积。2种不同船舶电力利用模式如图6所示，通过综合考虑目标船舶电力负荷和可安装的最大碟式聚光镜阵列面积，选用离网模式在远洋运输船舶上具有较大的可行性［11］。

图6 2种不同船舶电力利用模式

2.3 聚光镜阵列布置方式与优化

碟式聚光镜阵列在船舶上安装布置时，除要满足船舶营运安全规范、聚光镜采光面积最大化、聚光镜阵列不会过多影响船舶稳性和操纵性以及美观实用原则以外，还应使得安装工艺满足船舶入级规范［10］。图7是碟式聚光镜在散货船上的一种布置方式，图中虚线圆所处位置即为碟式聚光镜的最优安装位置，其一方面保证了聚光镜采光面积的最大化，另一方面保证了聚光镜的安装不影响船舶装卸货物时舱盖的正常开启和关闭。

图7 碟式聚光镜阵列在散货船甲板上的布置方式 (俯视图)图

2.4 控制系统与监测系统

碟式发电控制与监测系统是整个船舶太阳能热发电系统安全可靠运行的保障。海洋环境条件恶劣，考虑到海上极端海况等因素，应特别注意海面风速达到一定值时碟式聚光镜的自我保护，以提高系统的安全可靠性。此外，当系统采集的实时环境光强小于设定的最小经济发电光强时，为降低跟踪控制系统的能耗，控制监测系统应做出相应处理，等待光强达到设定值时再次运行。

3 经济性分析

选取76 000 t的“文竹海”号巴拿马级远洋散货船为目标船舶，以澳大利亚到远东航线为典型航线作为分析对象，该航线途经海域年平均日照强度为7.77 kW·h/m2。

设定该船舶设计搭载的碟式发电系统功率为40 kW，相应需要安装输出功率为10 kW的碟式聚光镜4台，占地面积约为250 m2(同等装机容量下，光伏系统需要约400 m2的甲板面积铺设太阳能电池板)。其可以满足的电力需要为该船舶进出港口状态的4.29%(909 kW)、航行状态的8.03%(485.65 kW)［11］。构建同等装机容量的船舶发电系统，分别就太阳能光伏发电系统、碟式发电系统和柴油机发电系统进行比较 (按平均每天有效光照时间为6 h，同时考虑太阳能光伏发电逆变器的转换效率，柴油机每发1 kW·h电需要约0.000 4 t柴油，按发电柴油机与碟式发电系统输出同等电量计算)，3种发电方式对比结果如图8所示。

图8 3种发电方式对比图

可见，碟式发电系统的构建成本介于光伏系统和发电柴油机之间，而年发电成本远低于光伏系统和发电柴油机，根据重油的价格大约是600美元/t(对人民币汇率为1∶6.06)，按年发电量87 600 kW·h计算，太阳能热发电较柴油机发电每年所节省的发电成本为:87 600 kW·h×0.000 4 t/(kW·h) ×600美元/t×6.06元/美元=12.74万元。

因此，构建输出功率为40 kW的碟式斯特林太阳能热发电系统可以每年为该船舶节省35.04 t柴油，而这一数值还会随着国际油价的上涨以及发电系统装机容量的增加而增加，因而碟式斯特林太阳能热发电系统在大型远洋运输船舶的构建具有良好的经济效益和节能减排效果。

4 结束语

由于太阳能资源丰富，清洁无污染，斯特林发动机具有光电转换效率高的优点，对其进行船舶碟式发电开发利用顺应了航运业的可持续发展以及全面推进航运业节能减排的趋势。随着研究工作的不断深入，系统运行的经济性和稳定性将不断提高，发电成本也将不断降低。要成功实现碟式发电技术在船舶上的应用，未来更进一步的实验研究工作还应当在提高发电系统的运行稳定性和降低发电成本2个方面展开。

［1］魏乔.船用光伏发电系统最大功率跟踪及自动跟踪控制研究［D］.武汉理工大学，2012.

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［10］魏乔，孙玉伟，袁成清，等.大型远洋运输船舶太阳能光伏系统的构建 ［J］.船海工程，2010，39(6):138-140.

［11］孙玉伟.船用太阳能光伏发电系统设计及性能评估［D］.武汉理工大学，2010.