太阳能动力船舶研究与发展综述

于全虎



太阳能动力船舶研究与发展综述

于全虎

（江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003）

通过对国内外太阳能船舶发展现状和趋势的综述，介绍了目前国内外小型太阳能游览船、大中型太阳能运输船及无人自动驾驶太阳能船的多个成功案例，简要阐述了各个案例中的船舶核心参数和主要特点，重点是太阳能在船舶能源系统中的具体作用，提出了国内外太阳能船舶技术发展趋势。同时对太阳能船舶的若干关键技术进行了梳理和分析，重点研究了船舶平台、光伏系统、储能系统、主推进系统等关键技术及可能方案，最后总结了太阳能船舶研发的迫切性和发展初步构想。

太阳能 可再生能源 船舶 关键技术

0 引言

船舶行业目前认同的绿色船舶技术主要包括：气体燃料、电力推进、太阳能、燃料电池、热泵技术、热油系统与废气—热油加热、船舶接岸电、尾轴承水润滑、清洁后处理、有害材料替代等。当前政策导向及航运业需求决定了绿色船舶技术的应用集中在清洁能源应用方面，具体研究方向主要是LNG动力和太阳能动力。LNG动力船舶经过多年的试点应用，已开始大面积推广应用。太阳能技术在生活中早已广泛应用，欧洲光伏工业协会（EPIA）预计，2030年世界太阳能发电在总电力供应中的比例将达到10%以上；本世纪末将占到60%以上[1]，但作为船舶动力能源的研究起步较晚。太阳能船舶技术涉及船舶设计、太阳能发电、储能以及推进等多种技术集成，关键技术跨多个专业领域，技术含量高，目前应用船舶数量较少，且基本局限于小型船艇，作为大中型船舶的动力能源研究非常薄弱，许多关键性技术有待进一步研究或改进。

1 国外太阳能船舶现状

发达国家非常重视船舶绿色能源技术研发，与船型优化、电力推进、核动力、燃料电池、氢燃料、生物燃料、营运效率管理等共同列为策略性船舶节能技术。

商船三井2005年以来陆续完工了三艘太阳能辅助动力滚装船“Euphony Ace”、“Swift Ace”和“Emerald Ace”号（图1，主要参数见表1），均在上层甲板上大范围安装了太阳能电池板和大容量充电电池，在船舶航行中将太阳能电池产生的电力存储到锂电池中，船舶停泊期间使用储存电能，从而无需使用停泊柴油发电机，实现在港停泊的零排放。

图1 “Euphony Ace”（上左）； “Swift Ace” （上右）；“Emerald Ace”（下）太阳能辅助动力船

表1 商船三井完工的太阳能辅助动力船主要参数

2007年5月8日．瑞士MW—Line公司制造的双体太阳能动力船“Sun 21”号（图2）成功横渡大西洋抵达美国，世界上第一次完全使用太阳能而无需燃料实现横穿大西洋航行。该船为双体结构，船长14 m，宽6 m，重12 t，顶部覆盖60 m2太阳能电池板，双电机推进，速度9～12 km/h。在完全没有阳光的情况下，船上蓄电池可以维持连续航行18 h。

2008年12月，NYK和Nippon石油公司联合开发的世界上第一艘太阳能混合动力大型货船“Auriga Leader”号完工（图3），该船为滚装运输船，船长200 m，总吨60213，可运载6400辆汽车，安装了328块太阳能电池板，所发电力可辅助驱动船只的推进器、液压设备和舵机等。

德国制造、瑞士注册的太阳能游艇“Planet Solar”号于2010年3月下水，该艇采用小水面线双体船型，完全依靠太阳能动力航行。船长31 m，宽15 m，排水量60t（图4），船体由碳纤维增强材料和C70.130高密度芯材构成。甲板上设有809块面积达536 m2的太阳能电池板，

图3 “Auriga Leader”号太阳能混合动力船

图4 “Planet Solar” 号太阳能动力双体船

储能装置由6个巨型锂电池组构成，可提供90 kW的推进功率，能在缺乏阳光的情况下维持3天航行，最高航速可达15 kn，乘员50人。该船结合了小水面线和深V船型的优点，双体船型增大了甲板面积，弧形支柱使得结构轻量化，具有阻力小、稳性好、快速性、穿浪性能强、适航性优良的特点[2]。

日本邮船公司推出了以CO2零排放为目标的“NYK超级生态船2030”概念船（图5），采用太阳能发电与风力共同作用，同时结合燃料电池、LNG、低摩擦塗料、空气润滑降阻、超高强度钢质轻量化船体等技术，预计CO2减排69%。

图5 “NYK超级生态船2030”概念船

2016年Isaac Penny和Christopher Sam Soon合作建造了“Solar Voyager”号无人驾驶太阳能船（图6），船长5.5 m，宽0.76 m，铝制船体重250 kg，最高时速5 km/h，配备280 W太阳能电池阵列，能通过铱星导航。

图6 “Solar Voyager”号无人驾驶太阳能船

2 国内太阳能船舶现状

国内的中船702所、708所以及上海大学等院所、高校也进行了太阳能船舶的研发，已研制出一些太阳能小艇。但是国内的相关研究与先进国家相比还较为滞后，需要进一步开展太阳能技术与船海工程、海事技术等学科交叉研究，学术研究与工程应用结合的理论和工程实践研发[3]。

2010年6月我国第一艘太阳能混合动力游船“尚德国盛”号（图7）在上海世博会期间投入服务，该船采用双体船型，船长31.85 m，宽9.8 m，高7 m，可容纳150余名游客，是国内第一艘太阳能混合动力船舶[2]。船上在“太阳帆”和前甲板两部分敷设太阳能电池，“太阳帆”高10 m，下宽5 m，面积为48 m2，2个面分别安装了35片曲面异型太阳能电池；甲板上安装了18片太阳能电池；单面“太阳帆”和甲板太阳能系统合计每日发电约18度。“太阳帆”具有综合选择风力、风向和自动旋转跟踪阳光的功能。太阳能既是游船推进能源之一，也是照明的主电源。

图7 “尚德国盛”号太阳能混合动力游船

2012年12月17日国家高技术船舶科研项目—太阳能在大型滚装船上的应用立项，具体实施改造船—“中远腾飞”轮（图8）于2016年3月完成安装调试并成功营运。该船运载量为5300车位，安装有540块太阳能电池板，构成总容量143.1 kW的太阳能光伏系统，采用国内最大、世界领先的120 kW光伏离并网技术。

图8 “中远腾飞”号太阳能辅助动力船

3 国内外太阳能船舶技术发展趋势

目前国内外已投入使用的太阳能船舶的技术方向主要是将太阳能转化为电力，然后为船舶提供推进动力源或日常用电源。其中对小型船舶而言，太阳能电池产生的电力已可基本满足全船所需能源，只是需要蓄电池在光照不良时提供备用电源，有的小型船舶由于所能布设的太阳能电池面积太小，还需设有内燃机动力。小型太阳能船舶的类型以游览船为主，主要是通过清洁能源的应用来降低航行水域的废气污染；大中型太阳能船舶的太阳能电池阵列仅可提供0.05~0.2%的船舶动力和1~4%左右的船上日常用电，因此太阳能电源一般不用做推进能源，而是作为替代停泊发电机组的清洁能源，实现对港区的排放降低乃至零排放，预计未来一段时间太阳能在船舶上应用的技术路线不会发生根本性改变。

4 太阳能船舶的关键技术

船舶上应用太阳能主要都是使用光伏技术产生电能，并与船舶上原有的内燃机为原动机的电站并网使用，然后供推进、控制及日常用电，并设有蓄电装置。因此。太阳能船舶的关键技术会涉及船舶设计、光伏、储能、主推进、电池管理（BMS）、电站管理（PMS）等多个子系统及其技术的集成。

4.1 船舶平台

在船舶上应用太阳能技术，首先需要将太阳能电池的布置要求融入船舶设计。电池板需要布置在易于接受阳光的开敞甲板空间，所需布置面积要尽可能大一些；而船舶设计时需要考虑水动力学性能、稳性以及装载空间要求。因此船舶的总体布置及涉水部分结构设计应优先考虑满足船舶技术要求，在此基础上采取技术手段增加电池板安装面积，如采用多体船型增加平面甲板面积，还可将电池板的安装面延伸出正常的甲板边，“Planet Solar”号就是使用了这两个方法，目前大部分太阳能游览船也是沿着这个思路设计。由于船型的限制，一般大型运输船舶都是单体船，甲板面大部分都设有装载处所或布设有机电设备，因此上层建筑采用连续设计，并延伸至两舷的滚装船等较为适宜安装大面积电池板，如上面所述的太阳能滚装船。当然，也可将电池板安装在一些伸出主船体部分的延伸结构上，如“尚德国盛号”的“太阳帆”同时结合了风帆助航技术。“NYK超级生态船2030”同样采用了包括风帆助航和太阳能在内的综合节能技术，进一步可以将其风帆升级为类似“尚德国盛号”的太阳能风帆，这其中涉及船舶性能及太阳能、控制工程等较为复杂的技术融合。

4.2 光伏系统

太阳能发电系统的核心元器件是太阳能电池，自1954年太阳能电池发明以来，已发展出多种类型，转换效率也不断提高。太阳能电池主要分为晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和新型太阳能电池。薄膜和新型太阳能电池多数还处于实验室阶段，EPIA预测至少到2020年，晶硅电池仍将占据50%的主流份额。规模化生产的晶硅电池效率为13～18%，且制作过程复杂，价格昂贵，从船舶应用太阳能对能量密度、海上环境寿命和成本控制考虑，一些新型太阳能电池更值得关注，如薄膜（化合物）电池、染料敏化电池、有机电池、钙钛矿电池、石墨烯电池、量子点电池等[4-10]。高效、耐候性好、长寿命、低成本的太阳能电池技术发展将带来发电效率的提升和设备成本的降低，使得太阳能成为真正的绿色船舶能源。

4.3 储能系统

要实现太阳能船舶全天候使用太阳能，还需要高效储能装置，利用储能装置将光照较强时段多余的光伏电能进行储存。目前储能装置主要有铅酸蓄电池、高性能储电装置（锂电池、超级电容）以及燃料电池等。常规铅酸蓄电池能量密度低，充放电循环寿命短，对安放空间限制较大的船舶来说并不适合。

4.3.1高性能储电装置

1）超级电容

超级电容是一种拥有高能量密度的电化学电容器，可以经受很高的电流迅速充放电，循环次数可达数十万次，但是能量密度仅为锂电池的1/10，价格却为其数十倍。超级电容最适用于站点密集、充电间隔短的情况，如公交车辆，并不适合规模化用于船舶。

2）锂电池

锂电池能量密度高，循环性能优良，输出功率大，主流种类有磷酸铁锂电池和三元材料电池。磷酸铁锂电池安全、热稳性好、价格较低，但能量密度较低，理论密度仅为160 Wh/kg，现阶段电池包的能量密度为90~120 Wh/kg，是目前动力锂电的主流。三元材料电池主要是镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂电池，具有稳定、容量高的优点，但安全性较差且成本高，目前能量密度普遍在150～180 Wh/kg，最高可达200 Wh/kg，大量单体电池组成电池包的连接、散热和管理系统（BMS）开发是其应用的难点，但仍是船用值得考虑的方向。

4.3.2燃料电池

燃料电池已有用作汽车、船舶等的动力能源，但将燃料电池与太阳能光伏技术结合用于太阳能船舶的研究还很少。其中主流的氢燃料电池用作船舶储能装置需解决制氢与储氢核心技术问题，其中采用太阳能发电分解水制氢技术较为适宜，能较好克服太阳能能量密度低及光照时间有限制的缺点[10]。中科院大连化学物理研究所李灿团队提出了聚合物太阳能电池和H2－O2燃料电池耦合的叠层电池概念，在光催化辅助燃料电池研究方面获得新进展[11]。

4.4 主推进系统

目前太阳能船舶的主推进方式主要有纯电推进和混合动力推进模式两大类。

纯电推进模式的太阳能船舶以推进电机作为主动力装置，完全由太阳能电池组及配套储能电池组供电，目前在小型船舶上应用较多，如“Sun 21”号和“Planet Solar” 号。混合动力推进模式的太阳能船舶通常由2种以上动力装置组成联合动力系统，较多采用传统内燃动力与电推构成“内燃机一电联合”方式，具体模式为“内燃机—电（内燃机发电+光伏）”、“纯电（内燃机发电+光伏）”、“纯内燃机”。

4.5 电站管理系统（PMS）

电站管理系统（PMS）是电力推进船舶的能源管理中枢，主要完成供电源控制和能量管理等功能，保障供电系统为推进系统及其它用电设备提供可靠、稳定的电力供应，太阳能船舶的PMS系统设计需要充分考虑太阳能电源的特性，并对蓄电装置BMS进行统一控制管理。

5 结语

国际海事组织（IMO）制定的基于EEDI指标的CO2排放标准自2015年起要求新造船舶强制执行，而且未来EEDI指数体系基线要求会不断提高[12]，给予了研发太阳能船舶的良好时机，通过开展太阳能船型的研发与试点应用，可以为相关技术的发展构建研究、实验平台，预计太阳能在船舶上的应用比例不断提高是大势所趋。

1）国内外现有太阳能船舶多为小型船舶，随着太阳能光伏及电推技术的发展，太阳能船舶技术可推广于各种船舶，这就需要集中开展太阳能船舶大型化方面的关键技术研究；

2）太阳能技术的应用需要适宜的船舶承载平台，目前船舶技术的研究方向主要基于功能性和水动力学性能等方面，这就需要在原有各类船型的基础上结合太阳能系统的特性，研发新的船型，从目前现有成果来看，多体船型是一个值得重点关注的方向；

3）船舶是一个单一或小批量化的工业产品，适于进行新技术的试验性应用，可以在技术尚未完全成熟时，通过同时设置传统动力和太阳能动力模块，进行分步试验应用；

4）太阳能动力特别适用于推进功率较小、长航时的场合，因此非常适用于无人水面航行器。

[1] 周涛, 陆晓东, 张明等. 晶硅太阳能电池发展状况及趋势[J]. 激光与光电子学进展, 2013（3）: 15-25.

[2] 林鹰. 聚焦太阳能船舶[J]. 交通与运输, 2011（03）: 28-30.

[3] 卢晓平, 魏光普, 张文毓. 太阳能动力船舶发展综述[J].海军工程大学学报, 2008, 20（4）: 45-50, 61.

[4] 田正浩, 司长峰, 屈文山等. 基于溶液加工氧化石墨烯的高性能有机太阳能电池[J].光学学报, 2017, 37（4）: 242-249.

[5] 张敬爽, 胡湛晗, 王美丽等. 太阳能电池研究进展[J]. 化工新型材料, 2016, 44（11）: 1-4.

[6] 张秀清, 李艳红, 张超.太阳能电池研究进展[J]. 中国材料进展, 2014, 33（7）: 436-441.

[7] 王晓琳, 冯祖勇, 吴楠等.新型钙钛矿太阳能电池的研究进展[J].中国材料进展, 2016, 35（12）: 960-965.

[8] 邹贵付. 新型太阳能电池的机遇与挑战[J]. 科学通报, 2017, 62（14）: 1446.

[9] 王聪, 代蓓蓓, 于佳玉等. 太阳光电、光热转换材料的研究现状与进展[J]. 硅酸盐学报, 2017, 45（11）: 1555-1568.

[10] 魏世源, 孙伟海, 陈志坚等. 太阳能电池效率分析[J].科学通报, 2016, 61（16）: 1748-1753.

[11] 新型.光催化辅助燃料电池研究获进展[J]. 化工新型材料, 2016（12）: 193.

[12] 王强. 基于降低船舶能效设计指数（EEDI）值的研究[J]. 造船技术, 2015（6）: 18-21, 54.

Summarization of Research and Development on Solar Powered Ships

Yu Quanhu

（Jiangsu Ship Design &Research Institute Co., Ltd , Jiangsu 212003, Zhenjiang, China）

U662.2

A

1003-4862（2018）02-0030-05

2017-11-20

江苏内河航运安全绿色关键技术研究重大专项（2013Y02）

于全虎（1974-），男，高级工程师。研究方向：船舶轮机。Email：js.zj.yh@126.com