船舶新能源动力系统的现状及其发展前景

船舶新能源动力系统的现状及其发展前景

彭美康能动ZY1301

摘要:本文先介绍船舶新能源动力系统的种类及其产业格局，然后结合船舶柴油机在能源类型，排放，震动和噪音等方面的不足，阐述推广船舶新能源动力系统的意义，最后重点分析船舶新能源动力系统的现状及其发展前景。

关键字：新能源；船舶；动力系统；现状；发展前景。

一．船舶动力系统的种类及其产业格局

由船舶主机（柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等）、传动系统（轴系、齿轮箱、联轴节、离合器等）和推进器（螺旋桨、全向推进器、侧向推进器等）组成的船舶动力系统，是船舶上最主要和最重要的设备。平均来说，其价值约占全船设备总成本的35%，约占总船价的20%。目前，世界上各类船舶的动力系统主要有以下四种推进方式：①蒸汽轮机推进系统—取代往复式蒸汽机，又被柴油机所取代，目前主要在LNG（液化天然气）船和核动力军船上应用，蒸汽轮机的技术发展趋势是：不断增强可靠性、机动性，提高操纵性，简化设备。②柴油机推进系统—全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机，成为最主要的船舶动力，目前在各型船舶上应用，作为柴油机推进系统的主要设备。③燃气轮机推进系统—上世纪50 年代开始在商船上作为主机，但从未得到大规模应用，目前主要在军船上使用，作为燃气轮机推进系统的主要设备。④电力推进系统—上世纪90年代开始在船舶领域应用，目前除在军船上应用外，还在小型商船上应用，目前采用电力推进的船舶比例还较小。

目前，船舶动力系统的研发、设计，仍然是欧洲、美国、日本等国家或地区居领先和垄断地位，并且，蒸汽轮机及锅炉、燃气轮机、电力推进装置的制造也分别由这些国家的企业掌控。而占船舶动力系统最大比例的柴油机推进系统的制造已基本转移至韩、日、中三国。

二．推广应用船舶新能源动力系统的意义

目前，在船舶动力装置中，95%是柴油动力装置。而船舶柴油机的主要缺陷有以下几个方面。（1）使用不可再生能源。动力来源为不可再生的化石能源。据科学家的预测，目前地球上的石油只能够人们再使用60年。也就是说，60年后地球上的化石能源就会枯竭。因此，我们必须使用别的能源，最好是可再生能源。（2）大气污染。虽然现在的科技发展使柴油发动机的污染气体排放一步一步得到控制，但考虑到超大型船舶每次航行都会消耗数以千吨的化石燃料，还有历史留存下来的老旧式柴油机，这些都将会排放出大量的污染气体，将对大气造成严重的污染。这与绿色环保的时代主题无疑是相违背的。（3）严重的噪音问题。据有关数据显示，在船舶中，由柴油机发出的噪音可达120分贝。这是一个非常可怕的数字，长期处于这样的环境中，工作人员的听力将受到极大的损伤。这个问题在一下小型船舶上尤其凸显。因此，有必要解决这一问题。而传统的柴油机由于其自身的结构和工作原理的影响，其噪音问题很难解决。从而只能在新能源动力系统上寻求突破。

推广新能源动力系统，用可持续的能源为其供能，同时进一步降低其有害气体的排放以及解决其噪音问题，这不仅将给船舶上的轮机人员提供良好的工作环境，同时降低污染气体的排放也是对国家的可持续发展路线相契合。因此，开发船舶新能源动力系统有着重要的发展意义。

三．船舶新能源动力系统的应用现状及发展趋势

所谓新能源，就是各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。相对于传统能源，新能源具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源枯竭问题具有重要意义。而船舶所消耗的燃油占燃油消耗的百分百正逐年上升，导致燃油占船舶运输成本越来越大的情况下，如何进一步做好船舶的节能工作，从而有效降低运输成本已迫在眉睫。随着科学技术的不断进步, 以风能、太阳能、核能、生物质能和潮汐能等为典型代表的新能源在节能减排方面所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著, 其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势。

1.风能。风能源于地球表面大量空气流动所产生的动能, 是一种无污染且无限可再生资源。人类对风能的利用历史可以追述到公元前, 随着科学技术水平的不断进步, 工业社会对于风能的利用有着丰富的经验, 配套产业和基础设施也较为成熟。但是, 风能利用存在着间歇性、噪音大、受地形影响和干扰雷达信号等难以彻底消除的缺点。当前, 风能利用主要以风能作动力( 风帆助航) 和风力发电两种形式为主, 在船舶上的应用形式偏重于作为航行的主动力或辅助动力, 只在少数船舶上应用风力发电技术。

其实早在20世纪80、90年代,日本在风帆助航的研究和利用方面有了新的突破。1980年日本建造了第一艘装有普通翼帆的新爱德丸油轮, 新爱德丸号装有两个高12.15 m、宽8m 的风帆。之后又建造了扇蓉丸、日产丸等机动风帆货船,1984年又设计和建造了2600t的臼杵先锋丸和另一艘31000t的现代风帆助航远洋货轮。而在2007 年12 月15日全球第一艘用风筝拉动的货轮白鲸天帆号由德国汉堡市起航。

2.太阳能。太阳能的利用主要有两个方面的技术, 即光热技术和光伏技术。光热技术是利用太阳光的热辐射, 其应用最为成功的领域是太阳能热水器。该项技术的进一步延伸是太阳能热发电, 即利用集热器把太阳辐射热能集中起来给水加热产生蒸汽, 再通过汽轮机、发电机来发电。考虑到船舶运行过程中对于热水的需求量不高, 进行热电转换在有限的船舶空间内难以实施, 故而光热利用的可行性不是很高。但是应用光热技术代替常用的蒸汽盘管和电加热盘管对船舶所使用的重油进行预加热, 是一个值得关注的方向。光伏技术是对太阳光中的短波辐射能照射于硅质半导体上所产生的电能进行调制后加以利用, 亦称为光生伏打效应。随着太阳能光伏技术的不断深入发展, 其效率、可靠性和稳定性均有了很大的提升, 因而从最初的单纯技术研究逐渐转向实际应用领域。太阳能光伏发电应用于船舶是目前绿色船舶发展的一个重要方向。从最开始1997年,瑞士在日内瓦湖上从洛桑到圣叙尔皮斯区投入使用了两艘太阳能驱动客运船可有效承载60名乘客。到2010年2月25日,世界最大的全太阳能动力船“星球太阳”号,在德国基尔下水。太阳能在船舶上的运用已经日臻完善。

3.生物质能。生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等 3 种途径。其分为生物燃料、生物柴油、生物质油三种。生物燃料是指利用大自然的动、植物资源而得到的高效、污染少的能源, 其典型代表就是生物柴油和生物质油。生物柴油是以动、植物油脂及餐饮废弃油脂为原料制成的液体燃料, 是优质的石化柴油代用品。生物质油是指生物质通过热解技术裂解而得到的液化产物。但是船舶属于一个相对独立且空间区域较为有限的结构体。机舱内电、气、热设备和系统高度集成, 考虑在船舶内附加安装生物质能转换装置有着不可避免的局限性, 故而可行性不高。就船舶现有设备条件出发,直接或间接使用由生物质能转换而成的替代燃料( 例如生物柴油等) 是主要的应用模式。面前，最成功的生物燃料船，为2008年6月27日完成环球航程,使用生物质能的新西兰地球竞赛号高速环保机动船。