核能在民用船舶上的应用

核能在民用船舶上的应用

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1.船舶行业发展新能源的意义

我国是一个人口众多、资源相对不足、生态先天脆弱的发展中国家。随着经济的快速增长和人口的不断增加，缓解资源不足的矛盾，改善生态环境，实现可持续发展，成为我们十分紧迫的任务。长期以来，我国政府高度重视资源环境问题，把节约资源、保护环境作为基本国策，努力建设资源节约型、环境友好型社会。

自上世纪七十年代的石油危机以来，燃油价格一直攀升，燃料费用占船舶营运开支的比重，从原来的百分之十几增加至百分之三十到四十。因此，节能减排成为了世界上各大航运企业关注和投入的焦点，常规能源的日益枯竭迫使人们考虑如何节约现有能源和开发利用新的能源。在船舶行业中，船舶推进装置主要是由船用柴油机作为船舶推进动力带动螺旋桨组成，船用柴油机也逐渐成为船舶推进动力的主流。最近60年，船用柴油机取得了巨大的发展；在全球经济持续发展的今天，世界物资运输所需要的船舶数量也愈来愈多，随之而来的船舶排放废弃物对环境的污染也日趋严重。众所周知，全球石油资源在日益耗尽，人们必须在石油没有用完的大约60年的时问内，找到新的能源以及相匹配的动力装置，为此新能源与可再生能源动力船舶和环保型船舶成为了研究热点。

新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50％以上成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。在2l世纪，能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明发展程度和人民生活水平的重要指标。

随着石油资源的枯竭和环保要求的不断提高，绿色船舶已成为未来船舶发展的方向其中研究利用清洁能源船舶辅助系统最具有革新性和代表性。其将充分利用风能、太阳能以及波浪能等零污染或可再生能源，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。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将被直接应用于电气设备或储存起来。太阳能在船舶中应用主要以太阳能光伏发电系统为主，是最具有前景的船用新能源之一。风能也是比较容易开发的新能源，全球范围内都分布着比较丰富的风力资源，将风能应用在船舶上便成为人们研究的热点。首先，风能的利用有着悠久的历史和丰富的经验；其次，风能是取之不尽用之不竭的自然能源。风能主要是通过布置在船上的风帆借助风的能量，在保证船舶各项性能稳定的条件下，从而推动船舶前进。

因此，对于我国这样一个能源短缺的发展中国家来说，将太阳能和风能、核能等新能源应用在船舶上有着重要的意义和深远的影响。

2新能源发电方式

能源都来自于自然界,基本上可以分为可再生能源和不可再生能源两大类,可再生能源的

利用是当前研究和开发新能源供电方式的重要课题。其研究热点主要集中在风力发电、太阳能电池和燃料电池方面。

1. 1风力发电

人类利用风能的历史可以追溯到公元前,我国是风能开发和利用较早的国家之一,早在3000多年前就开始以风能作为动力进行磨面、提水和航海。但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。自1973年世界石油危机以来,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。目前,风力发电已成为风能利用的主要形式,受到世界各国的高度重视,而且发展速度最快。风力发电通常有3种运行方式:一是独立运行方式,通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电;二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合的联合供电方式,向交通不便的边远山村、沿海岛屿或地广人稀的草原牧场提供电力;三是并网型风力发电运行方式,安装在有电网且风力资源丰富的地区,常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。

1. 2太阳能电池

自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功,太阳能光电技术已历经了半个世纪的发展。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池,它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。目前,单晶硅太阳电池组件的平均效率已达到3%～15%,多晶硅太阳电池组件的平均效率已有12%～14%。未来的研究趋势表现为两方面:一方面,研究新的光电技术,比如有机纳米晶太阳电池;另一方面研究晶体硅薄膜太阳电池,开发大功率太阳能模块,这些模块由单晶硅制成,再罐装到经过特别处理的双层玻璃之间。这些大功率太阳能模块产生的能量比其他太阳能电池要大10%左右。与此同时,太阳能光电技术应用系统方面,在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后,现在正在迈向较大规模的商业应用。一方面,兆瓦级阳光电站不断出现,在已建成的兆瓦级电站中,最大的已达到 6.5MW;另一方面,近年来许多国家的政府都非常重视屋顶阳光发电系统的发展。这些系统以家庭为单位进行安装供电,同时为了降低造价省去储能部件(蓄电池) ,与大电网相联,互相补充电能。

1. 3燃料电池

早在1839年,英国人W. Grove就提出了氢和

氧反应可以发电的原理,这就是最早的氢2氧燃料电池(FC) 。近年来,由于一次性能源的匮乏和环境保护的需要,要求开发利用新的清洁可再生能源。由于燃料电池具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC) 、磷酸型燃料电池(PAFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池(SOFC) 及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等[3]。燃料电池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,且具有洁净、无污染、低噪声、模块结构、高功率比、可积木化及连续工作等特性。由于燃料电池是目前惟一同时兼备上述优良性能的能量转换装置,因此,被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置,将在国防和民用的电力、汽车、通信等领域发挥重要作用。

3.核能及其在船舶利用现状

我们知道核电站运行带来的经济、环境上的巨大好处，也听说过核动力航母、潜艇的巨大威力，但几乎没听过核动力在民用船舶上的应用。随着石油价格的飙升（106.53美元/桶），世界对环境保护的要求加强，以及发达国家利用能耗问题对我国船舶工业的打击日益严重，我们不得不考虑利用非常规动力的新能源船舶，来满足日益增长的交通需求。俄罗斯“列宁