太阳能在船舶中的应用

太阳能在船舶中应用的设想

因为大中型电动主机船舶排水量较大,航程较长,设有独立电站,主机和辅助机械等多为交流电动机,动力配置较大,不可能以太阳能为主要动力能源,

所以太阳能主要是旅游观光船、

游艇、短途渡船等小型船舶。一是作为主要动力能源之一,独立或与其他能源一起推动船舶前进;二是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。这类船舶排水量小、航速要求不高,航程较短,动力配置不大,主机为直流电动机,完全可以将太阳能作为主机动力能源或主动力能源之一;但由于太阳能发电受光照变化影响大,对完全依靠太阳能提供电能的动力装置,需配备足够数量和容量的蓄电池(必要时辅以燃料电池),确保航行和续航力需要。

太阳能的应用船型选择双体船, 有以下优点。1 甲板面积大。同样的排水量, 双体船的有效甲板面积一般要比单体船大50% ~ 60% ; 在相

同的甲板面积下, 双体船的长度一般可较单体船

短25% ~ 30% 。这符合太阳能船要求较大的甲

板面积的需求和客船要求宽敞舒适的需求[ 2] 。2) 稳性好。双体船复原力矩大, 初稳心高, 横摇周期短, 符合客船的高安全性的要求。

在太阳能船用系统中, 主要负载为直流或交流

电机, 太阳能电池阵列产生的光生电流, 转换传送到电机, 驱动电机带动螺旋桨旋

转, 推动船舶前进。剩余电量由蓄电池储存起来, 以

便太阳能电池板电量不足或阴雨天气时驱动电机。

现有两类推进方案。

1)采用传统的推进方式, 双电机+ 双螺旋桨

+ 双舵。这种方式容易实现, 操作和控制简单; 但

是构件多, 能量损耗较高, 推进效率较低。

2) 将电机、螺旋桨、舵等装置集成360∀全回

转吊舱桨。这种推进方案动力系统元件少, 结构

简单, 但造价高。

无论何种推进方案, 电机的选择都很关键。

为了提供效率, 应采用先进的高密度、高效率、宽

调速牵引电机, 这里选用永磁电机系列中的永磁

无刷直流电机。无刷直流电机结构简单, 控制方

便, 成本较低, 效率、功率密度都很高, 并且具有与

直流电机类似的调速性能, 是牵引领域最有前途

的电机[ 4] 。

在确定船舶主尺度的情况下, 航速是影响太

阳能船舶的重要因素, 在满足需求的情况下应该

尽量降低航速。

目前占市场主流的晶体硅太阳能电池,理论光电效率值约29%,,商业化产品的光电效率在15%~18%,每平方米电池在光照量较好地区夏季晴天最大产电能1kW左右,冬季和阴天产电能不到夏天的25%,再考虑雨天的电能储备以及直流经过逆变器转换成交流损失等因素,需要

较大面积电池板阵列才能产生足够的电能。但太阳能电池板阵列面积、安装高度等受限。现有的市场太阳能产品,难以提供主机所需的大功率能量,特别是对航速要求高的船舶,因推动力与航速呈三次方关系,仅依靠太阳能难以保证。

太阳能装置价格。现阶段市场太阳能电源装置的总投资价格较高,约在5万元/kW,电能的成本约5元/(kW#h)左右,与船舶柴油发电机组相比,投资价格差距较大,缺乏相应的市场竞争能力,是制约太阳能在大中型船舶动力装置中应用的关键因素。

电能贮存比较困难。目前与太阳能动力系统配套的贮能装置大部分为普通铅酸蓄电池,利用化学能和电能的可逆转换实现充电和放电,价格较低,但贮能密度不高,容量不大,使用寿命较短,重量大,需要经常维护。难满足大容量、长时间贮存电能的要求,这是制约太阳能在船舶动力装置中应用的重要因素。