太阳光热能系统在船舶节能中的应用研究

黎 庶

（武汉理工大学 能源与动力工程学院 武汉430063）

引 言

当今关于太阳能在交通工具（含汽车、火车、轮船等）上的应用研究，都集中在太阳能光能转换为电能这一研究领域上，例如2001年7月，美国太空总署资助研制的的“太阳神”号太阳能电池板飞机，太阳能电池板可为飞机提供10 kW的电能。中国早在1982年举行的第14届世界博览会上就展出了“金龙号”太阳能游船［1］。

1 太阳光热能系统的技术背景

太阳能是一种低密度的能源，目前太阳能电池板的转换效率一般只有10%左右［1］，因此太阳能光伏发电技术难以在交通工具上推广使用。

而在太阳能转换为热能利用方面，应用居多的都在建筑物上，交通工具（含汽车、火车，轮船等）上未见有应用的报道。作为太阳能转化为热能的主要部件，太阳能集热器的日集热效率目前已接近 50%。［2］

复合抛物面聚光器（简称CPC）、真空集热和对太阳辐射的吸收率高而反射率低的光谱选择性涂层被认为是20世纪太阳能集热器发展中所取得的最重要成就。整体式复合抛物面型集热器（简称ICPC）是一种至今唯一不需要跟踪就可提供100～300℃范围的中温太阳能热利用装置；它也可提供较低温度（30～100℃）的热能［3］，且性能不受供热温度和外界环境温度的影响。把以上技术应用于光的热能转换，其最大瞬时效率在78.9%左右［4］，大大提高了太阳能的利用效率。

2 船舶使用太阳光热能系统的可行性分析

船舶由于在江海中航行，经常受到风浪以及雨、雪、冰雹和大风的袭击，采用光伏太阳能板，在遭受冰雹袭击时有可能导致光伏太阳能板的性能永久性下降和损坏［1］。

16 200 t“伟大十月”号油船的辅助锅炉装置，其蒸汽产量为28 t/h（包括废气锅炉）。日本油船使用的辅助锅炉装置，其蒸汽产量为120 t/h，其中船上所需2/3以上的蒸汽是用于加热石油产品和带动汽轮机。2 000～100 000 t干货船辅助锅炉蒸汽产量平均为0.46～3 t/h［5］，由此看来船用辅助锅炉是船舶上的一种耗能较大的设备。船用辅助锅炉一般在船舶停航时使用，航行中使用废气锅炉。按太阳能常数［6］及按太阳能集热器瞬时效率78%计算，1 000 m2的全玻璃真空管太阳能集热器提供的瞬时太阳能功率为1 055.34 kW,约可产生1.5 t/h的蒸汽量。

在吸收式制冷方面：Farber等人（1960年，1970年）研究了一系列利用太阳能工作的氨-水制冷机，采用平板型集热器，不带蓄热器。供发生器的水一般约60～93℃。Chung等人（1963年）报导了直接平板型集热器驱动LiBr-H2O吸收式制冷机的实验［6］。当今双效吸收式制冷机其COP值已达到1.2左右［2］，第一类溴化锂吸收式热泵制热，其COP值为1.7 以上［7］。整体式复合抛物面型集热器（简称ICPC）可提供100～300℃的循环介质，可作为吸收式制冷设备的热源，给船舶上的空调系统提供冷气和热风或用于伙食冷库制冷。

3 太阳光热能系统技术特点和优势

太阳能集热系统单位面积的吸收效率和造价比同样面积的太阳能电池要高得多且便宜许多，是光伏系统无可比拟的，特别是使用免费的太阳能具有零排放的效果。因此，研究太阳光热能转化为蒸汽能量、导热油能量、制冷设备的制冷量或制热量，将具有十分明显的节能效果和实用价值，从而推动LiBr-H2O吸收式制冷机在船舶上的应用，大大降低目前需要加热蒸汽或提供供热能量而燃烧化石燃料带来的废气排放量。其节约的能源和减少的排放量的价值不可估量，对节能减排和降低雾霾的浓度有着十分重要的意义。

4 太阳光热能系统组成及介绍

综上所述，笔者设计了在船舶上高效利用太阳能的船舶太阳光热能采集与利用系统［8］。该系统主要由以下几部分组成：（1）太阳能集热器；（2）集热器泵；（3）真空蓄热箱；（4）发动机排烟管热交换器；（5）供应泵；（6）重油加热器；（7）发动机膨胀水箱热交换器；（8）吸收式制冷（热）交换器（见图1）。

图1 船舶太阳光热能采集与利用系统

部件说明：

（1）太阳能集热器：采用复合抛物面聚光器（简称CPC），不需要跟踪太阳位置；在赤道附近也可采用槽式太阳能集热器。太阳能集热器的安装采用自适应船舶建筑物顶部或甲板顶部平面的水平安装方式，采用凹形安装方式［8］。该方法完全不增加航行过程中的空气阻力，也可采用凸形安装方式（见图2），其空气阻力增加很小，可忽略不计。该方法易于安装，集热器顶部盖板采用钢化高透过率玻璃，提高太阳光的透过率并减少反射，且能防止冰雹将太阳能集热器打坏。

图2 船舶顶部凸形安装示意图

（2）集热器泵：主要提供太阳能集热器内导热油的循环，集热器泵的动力源可采用安装在船舶表面的太阳能光伏电池提供，也可由发动机机械动力或发电机提供，或由船舶自带的蓄电池提供。传热介质为导热油［10］，集热器泵将导热油送到太阳能集热器内吸收太阳能热量，然后流回真空蓄热箱，提高导热油温度。

（3）真空蓄热箱：该蓄热箱为双层不锈钢结构，内为真空，不锈钢内壁涂有反射红外线辐射的涂层，具有14 h以上的保温效果［11］，并可进一步研究，延长保温时间，或接岸电加热，抵消雾霾天气的影响。

（4）船舶发动机排烟管热交换器：与太阳能加热过的导热油进行热交换，进一步提高导热油的温度；或在阴雨天对太阳能供热系统进行温度补偿。该部分相当于船舶上的废气导热油锅炉。

（5）供应泵：是将热的导热油供给重油加热器，或供给发动机的膨胀水箱加热冷却水，从而加热发动机的冷却水和润滑油，达到预热发动机的目的；或供给吸收式制冷与制热空调进行制冷或制热；或将热的导热油送到船舶上的厨房做饭；或将热能提供给氨吸收式制冷系统给厨房冷库制冷。该泵可和集热器泵集成于一个电动机的轴上，有利于系统的简化，提高电动机的效率，但也可分开设置。

（6）重油加热器：加热进入柴油机的重油以及油舱（柜）的保温。

（7）发动机膨胀水箱加热器：膨胀水箱是发动机冷却水的添加入口，是为了排除发动机冷却水中的气体而设置的。它直接和发动机冷却水相连，因此供应泵带来的热量，加热发动机膨胀水箱内的水，实际上同时加热了发动机内的冷却水，达到了暖机的效果，便于发动机启动，对减少发动机摩擦，控制有害气体排放和节约能源具有十分重要的意义。如果膨胀水箱内被加热了的水能被泵送到发动机的各个部分，则暖机时间会缩短且加热更均匀。在某些船舶上如果安装了船舶太阳光热能采集与利用系统，可去掉作为暖机用途的船用辅助锅炉系统，从而达到降低船舶造价及减轻自重的目的。

（8）吸收式制冷（热）热交换器：吸收供应泵提供的热能，夏天用于制冷，冬天采用第一类热泵循环方式制热或直接供应热水制热［7］。

船舶太阳光热能采集与利用系统工作原理：太阳能集热器吸收太阳的光辐射能量被集热器泵送来的矿物导热油吸收，矿物导热油被输送到真空蓄热箱内储存，热能也就被储存到真空蓄热箱内了；而流过复合抛物面聚光器（简称CPC）的导热油温度一般可达到100～300℃的温度。如果是阴雨天，温度不足，则关闭V-1阀，开启V-2阀，让导热油再次流过发动机排烟管热交换器，使导热油温度进一步升高，达到重油加热温度（吸收式制冷与制热空调可根据这个重油加热温度，通过吸收式制冷（热）热交换器的热交换，使温度下降到所需的最佳制冷温度［12］）。由供应泵送到重油加热器（V-3阀，V-4阀开）；由供应泵送到发动机膨胀水箱（V-3阀，V-5阀开）；由供应泵送到吸收式制冷（热）热交换器（V-3，V-6阀开）；分别完成重油加热；发动机预热及空调制冷或制热的工作。

关于发动机排烟管热交换器的说明：当利用发动机排气加热也可安排在真空蓄热箱之后，这时关闭V-3阀，导热油走图2虚线表示的路线，流过发动机排烟管热交换器，进一步提高导热油的温度。在晚上可关闭集热器泵，防止导热油循环的热损失。

当然，船舶安装太阳能集热器及其热循环系统的可靠性，如船舶摇摆震动对集热器及其热循环系统部件的影响、不同气象条件下（包括雾霾天气）真空蓄热器的保温时间及其热循环系统部件的运行适应性、集热器及其热循环系统部件安装位置及安装场地布置的合理性、集热器及其热循环系统部件是否会导致船舶火灾等诸多因素还需与合作厂家进一步探讨研究和运行观测。

5 结 论

显然，太阳光热能系统不仅适用于船舶等交通工具的节能，而且适用于普通建筑物的节能，如商场、医院、宿舍、别墅等的制冷和采暖，都可以参考采用交通工具太阳能集热与利用系统的系统构成方式和安装方式。因此，该设计方案将节约的能源不可估量，对CO2减排以及降低当前的雾霾浓度，具有十分重要的意义。然而该设计方案尚处于概念阶段，离实用尚有一段距离；但我们相信：在不久的将来，船舶太阳光热能采集与利用系统，在节能领域将会得到广泛应用，为缓解雾霾天气和节约能源作出贡献。

［1］ 杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2010：150，109-110.

［2］ 韩崇巍.太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统的性能研究［D］.合肥：中国科技大学博士论文，2009.4.

［3］ 郑宏飞，何开岩，陈子乾.太阳能海水淡化技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2005：47.

［4］ 周玲，马迎昌，马光柏.集热器效率与能量曲线统一的探讨［J］.可再生能源，2010（10）.

［5］ И.Γ.欧列霍夫.船用辅助锅炉和废气锅炉的故障［J］.机电设备，1983（12）：16-19.

［6］ Duffie JA，Beckman WA.SOLAR ENERGY THERMAL PROCESSES［M］.John Wiley &Sons，1974.

［7］ 糜华，张文虎，张红岩.第一类溴化锂吸收式热泵最佳工作域及其在工程中的应用［C］.2009年学术年会论文集。北京：中国制冷学会，2009：328-333.

［8］ 黎庶.交通工具太阳能集热与利用系统：中国，2014203200927［P］.公告日期（2014-11-05）.

［9］ 王鸣.论发动机低温预热技术［J］.科技信息，2007（33）：103.

［10］ 沈室寒.船用导热油锅炉常见故障的排除［J］.中国修船，2001（3）：17-19.

［11］ 王康，陆建峰，丁静，等.槽式太阳能系统导热油储罐的散热特性［J］.兰州理工大学学报，2013（4）：55-58.

［12］ 万忠民，杜建嵘，舒水明.太阳能吸收式空调性能优化分析［J］.制冷与空调，2006（6）：31-34.