太阳能光伏观光船应用研究＊

王 乐，徐 建，徐梦婷

（嘉兴南洋职业技术学院船建分院，浙江 嘉兴 314031）

1 研究背景

太阳能是一种巨大的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空辐射约3.8×1020J的能量，有1.73×1011J投射到地球上，其中的70%左右投射到地面，地面上一年可接收到的太阳能达1.8×1018kW·h。中国各地的太阳能年辐射量为930～2 330 kW·h/m2，全国陆地表面每年接收的太阳能相当于1.7亿t标准煤的能量，比中国当前的年能源消耗总量高3个量级。太阳能可以用来聚热取暖和光伏发电，为船上设施提供相对独立的能量来源，在降低船舶发电机或主机能耗的同时保证船舶的正常航行；在船舶上太阳能主要是通过布置在船舶上的太阳能电池板等装置进行能量收集，随后转换成光伏电能直接应用于电气设备或储存起来。

19世纪中叶，伴随着美国制成实用的单晶硅太阳能电池，将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术就此诞生。随着太阳能光伏技术的日趋成熟和完善，太阳能已成为应用较多的清洁能源之一，太阳能光伏交直流并网技术目前有了船用化的趋势。光伏发电系统配备光伏逆变器可将太阳能电池板产生的直流电能转化为与电网电压同频率、同相位的交流电并网供负载使用，如光伏发电系统带有储能电池，还可以起到不间断电源的作用。但截至目前，太阳能光伏能源船型开发研究还处于起步阶段，适用于中国内河的太阳能观光船型还有待开发。

日本、德国、澳大利亚和瑞士等国较早进行了太阳能船舶的研究，也有成功的应用经验。澳大利亚于2000年建成了利用太阳能、风能、燃料电池、油混合的能源双体渡船。此船设置了8片可调控的翼覆并盖着太阳能发电装置，可用作风帆和利用太阳能发电，船长约21 m，可搭载100人。美国与澳大利亚于2006年合作设计了一款太阳能风翼大型三体游船，该船可搭载600名乘客。瑞士的全太阳能动力船“太阳21号”于2006-10-16从瑞士巴塞尔起航前往纽约，开始该船的首次跨越大西洋旅程，并于2007-05-08到达纽约港。该船是世界上第一艘纯太阳能行驶并完成横跨大西洋的船只，通过该船的实船航行证实了太阳能船进行远洋航行的可能性。澳大利亚混合能源双体渡船如图1所示。

图1 澳大利亚混合能源双体渡船

2006年，在日本爱知世界博览会上展出了挪威老牌航运企业威廉臣航提出的E/SOrcelle（环保海豚）模型。该船由军舰设计师、环保专家、船舶工程师等合作设计，采用五体船船型，长250 m，宽50 m，排水量50 000 t，以风能、太阳能和波浪能作为舰船所有输入能源，不向海洋或大气排放任何污染物。E/SOrcelle是综合利用风能、太阳能和波浪能以及燃料电池技术、吊舱推进技术的大型远洋运输五体船型概念，E/SOrcelle最终将实现无排放远洋航行。

综上所述，太阳能动力船舶的研发既是具有前瞻性，事关国家船舶科技可持续发展的远景课题，也是需要逐步硏究实现的迫切课题，同时，E/SOrcelle概念正是大型多体船船型，已建造的太阳能小型船艇大都采用双体船船型，这也提示了多体船型用作太阳能动力船平台较单体船型有更大的优势。

2 太阳能光伏电力系统在南湖观光船上的应用

太阳能在船舶上利用的方式有3种：①太阳能作为主动力；②太阳能与风能混合利用作为主动力；③太阳能用作辅助动力。太阳能在船舶中的应用，需要研究、解决、改进和完善多项关键技术。本文拟对设计要求巡航速度不低于11 km/h、续航力不低于8 h的南湖双体太阳能观光船型开发的关键性问题进行研究。

2.1 太阳能光伏板布置设计

使用现有太阳能观光船用太阳能支架时，常常存在如下问题：①将现有的太阳能观光船用太阳能支架安装在船体上时，需要借助螺栓，进而需要在船体上开孔，使得船体不能保持完整性；②由于现有一体式太阳能支架安装部位之间的距离是固定的，从而使得其仅能安装某一种大小的太阳能板，不便于使用不同大小的太阳能板。

根据以上情况，本文所述太阳能观光船用太阳能支架设计，解决上述现有太阳能观光船用太阳能支架不便于保证船体完整，且不便于安装不同大小的太阳能板的问题。

本文所述太阳能观光船用太阳能支架设计，包括支撑板、双轴电机、主动轴、连接板、支撑板、卡杆等结构。支撑板上表面的一侧预留有条形槽，且条形槽内安装有双轴电机。双轴电机的电机上均连接有主动轴，且主动轴的另一端轴承连接于条形槽的端部，主动轴通过蜗轮蜗杆结构与从动轴相连接，且从动轴的一端轴承连接于连接板上。连接板设置于支撑板上表面的两侧，且支撑板的上表面预留有安装槽，前后两侧均预留有通孔。通孔内设置有卡杆，卡杆通过撑顶装置与外螺纹管相连接，且外螺纹管轴承连接于安装槽内。外螺纹管的内侧连接有驱动杆，且驱动杆的上端贯穿外螺纹管的上表面并伸出安装槽的上表面，并且驱动杆的下端通过拉伸弹簧与安装槽的内底面相连接。从动轴贯穿支撑块、第一阻尼转轴、第二阻尼转轴和套管，且从动轴与连接杆同轴连接，并且连接杆的外端嵌套有连接管。第一阻尼转轴和第二阻尼转轴分别设置于支撑块的两侧，且第一阻尼转轴之间和第二阻尼转轴之间分别连接有连接架和套管。第一阻尼转轴和第二阻尼转轴的内侧均设置有棘齿，且棘齿与棘爪啮合连接，并且棘爪设置于从动轴外侧。套管的外侧通过伞齿组与转杆相连接，且转杆贯穿连接架设置。太阳能光伏板支架设计如图2所示。

图2 太阳能光伏板支架设计图

2.2 太阳能蓄电池结构设计

太阳能观光船的船仓内需要安装大量蓄电池组对转化的电量进行存储，传统蓄电池组在实际使用当中会遇到降温、减震、拆卸及固定等问题。

目前的蓄电池组降温大多通过安装铜制散热翅片进行散热，此种散热方式会产生一定效果，但是散热翅片在完成对热量的转移之后，转移至翅片本身的热量难以消除，影响翅片进一步的散热效果，不能够利用船体使用过程中与水分之间产生的相对运动特性对相关散热结构进行冷却处理，从而导致需要采用单独的装置对散热结构进行冷却工作，影响蓄电池组使用，同时提高了散热冷却成本。

本文所述了一种新型观光船太阳能蓄电池散热结构设计，包括船底、电池安装盒、导热硅胶垫和密封圈。船底的上方安装有电池安装盒，且电池安装盒的内部开设有储液槽。电池安装盒上安装有顶杆，且顶杆上连接有安装筒，并且安装筒位于电池安装盒的内侧。安装筒的内侧设置有安装槽，散热管的外侧设置有第二散热板，且第二散热板和第一涡轮叶均位于船底的下方。太阳能蓄电池结构设计如图3所示。

图3 太阳能蓄电池结构设计图

通过太阳能蓄电池结构设计，旋转顶杆可带动横向杆体运动，而复位弹簧能够推动横向杆体通过导热硅胶垫贴合在蓄电池组的外侧对其热量进行传导，大大提高散热效率。同时能够对蓄电池组进行缓冲防护，避免在船体行驶中产生的摇晃对蓄电池组的安装结构造成损坏。

2.3 太阳能观光船其他优化设计

此外，针对本文所述太阳能观光船特点，对包括船舱顶板结构、舭龙骨等结构进行优化设计。

在冬日时节，太阳能板上的积雪会影响太阳能板的光照利用率，而现有的顶板结构并不能对太阳能板上的积雪和积尘进行便捷清除，同时在气温较高时，太阳能板的背部安装结构处会由于太阳板自身的运行而产生大量热量，现有的顶板结构并不能对该区域热量进行便捷散发。本文所述太阳能观光船舱顶板结构，设计多组空腔、槽类结构，方便清理太阳能板的正面灰尘、积雪，同时能够对太阳能板的背面进行高效散热，设计合理。太阳能蓄电池船舱顶板设计如图4所示。

图4 太阳能蓄电池船舱顶板设计图

现有的舭龙骨为单一的板状结构，其安装以及使用的稳定性较差，在长时间使用发生损坏之后不方便进行拆卸更换，影响船体行驶的稳定性，容易使乘坐人员受到人身伤害。本文所述太阳能观光船设计了第一板体以及第二板体之间能够通过连接轴、安装环以及涡旋弹簧进行旋转调节，从而方便第一板体以及第二板体分别卡入第一安装片和第二安装片内，有利于第一板体以及第二板体进行安装或拆卸更换。太阳能蓄电池舭龙骨设计如图5所示。

图5 太阳能蓄电池舭龙骨设计图

3 结束语

本文所述的太阳能光伏观光船，基本完成了适用于嘉兴南湖的内河观光船设计。新能源船型的应用，将大大减少景区环境污染，具有重大环境效益。将改写中国风景区旅游船舶大多采用柴油机驱动的历史，相较于充电式纯电动推进船舶也具有能源来源更加清洁的优势。可将该船成功经验推广至具有游船的全国水上旅游景区，市场前景可期，并会带来巨大的环境及经济效益。