新能源在船舶上的应用研究现状及展望

新能源在船舶上的应用研究现状及展望

李世强1 ,鲁啸2

1身份证号码：412824199604086815

2身份证号码： 421087198610167011

摘要：目前世界各国都在面对能源危机问题，完成新能源开发与利用已成为了世界性课题，是解决当前能源不足的主要手段。在船舶中使用新能源代替传统能源是当今社会传播发展的主要研究方向。文章以新能源特点与优势为切入点，针对国内外船舶新能源研究现状进行了讨论，并分析了新能源在船舶中的应用，供相关人员参考使用。

关键词

引言

目前，人们已经发现并创造了如风能、太阳能、地热能等多种形式的新能源，但是并未将其应用在现实社会，仅用于研究阶段，因此使得该项问题成为了船舶行业重点研究内容，对推动船舶行业发展有着非常大的帮助。

1、新能源的特点和优势

在船舶上使用新能源及其综合利用具有很多传统能源所不具备的特性和优点。首先采用新源或综合能源，可以大幅度地减少船舶的建造费用；其次是采用新源或综合能源完成电力转化，它的特点是没有噪声、没有污染、干净；再次利用新能源或综合能源不用为船舶运转而担忧。最后就是在舰船中采用新能源或者综合能源，不用担心周围环境的影响，可以一直保持电力供应[1]。

2、国内外船舶新能源的研究发展现状

2.1风能

日本于1980年代建成了全球首个现代帆船“新爱德丸号”（见图1）。这艘帆船采用了钢铁框架和涤纶纤维制作的坚固的船帆，并且采用了“帆机一体化”技术，使得它能够在不需要人工操作的情况下，按照风力和风向进行调整。

图1新爱德丸号

法国于一九八五年开发了一艘能调整风力的透平船，安装在「翠鸟」上，其升力因子为6.0。不但使船舶的速度得到了很大的提高，而且节约能源。抽吸型透平帆的构造示意图（图2）.

图2抽气式涡轮帆结构图

瑞士维京游轮于2018年四月宣布，其“威金格雷斯”级客车将会是世界上首个应用该技术的船舶（见图3）。八月，丹麦的马士基公司公布了两个30米高，5米直径的圆柱体，这是目前世界上最大的圆柱体（如下图4所示）。

图3：Viking Grace号

图4：马士基LR2型油轮

中国在20世纪80年代开始了对船帆推进技术的研究。1985年，由武汉海运工程学院（现在的武汉理工大学）与南京轮船公司合作，成功研制出一艘可节省50%能量的小型轮式轮式船舶。

上海海事大学在2008年度在海上船舶的推进技术方面获得了重要的突破，获得了包括百叶帆在内的一种新的帆的发明专利，并在此基础上开发出了一套以百叶帆为基础的现代化大型海上船舶的推进系统。

大连船务集团为招商海运制造的308,000吨特大型原油货轮（VLCC）凯力（VLCC）于2018年11月13日正式交货。这一项目的顺利实施，意味着我国自主研发队伍已具备自主研发、设计、制造和应用的核心技术，并顺利实现 VLCC风帆的工程应用[2]。

2.2太阳能

在海外，日本的松下电子公司于一九八五年在太平洋海域进行了一次太阳能充气船的试验。在澳大利亚，于2000年，研制出了全球首条「阳光+风力」复合驱动的「阳光+风力」轮船，这条轮船拥有单一的「阳光+风力」两种能源，以及两种能源并存的双重能源，并装备了罗盘、全球定位系统、水力自动操纵杆等先进的导航装置和工具，其速度可达到11 kn。

在上海世博公司和上海国盛船舶有限公司发布公告，宣布中国首条太阳能动力轮船“尚德·国盛”将在世博会开幕之前启程，并作为展会船只使用。

武汉科技大学于2013年成功研制出一种新型的舰载太阳能电池发电装置，并于2014年在“中远腾航”号上实现了实船的装配。

近几年，国内在该领域取得了较大的进展，并在该领域取得了较大的进展。《世界前沿技术发展报告2020》指出，太阳能电池技术将在2021年迎来最好的发展时期。所以，我们应该抓住这一机遇，大力发展太阳能发电船。

2.3新型动力电池

在国际上，日本、欧洲等国家的船用电池发电技术居全球前列，并已经通过了实船实验，进入了大规模普及的阶段。根据动力电池的种类，舰船的电力推进系统可以分成两种，一种是锂电池，另一种是燃料电池。在表格1中列出了国外的电动推进器的示范工程。

表1：国外电力推进船舶示范项目

就我国而言，全电力船只所占的比重在不断增加，而混合动力船只仍然是主要的船只。“浙湖州货1625”于2017年1月交货，其动力系统采用了“锂电+超级电容器”模块，取代了原有的柴油发动机模块[3]。

浙渔业科学考察船于2017年五月正式交工，该船为具有三种不同的驱动方式，能够按照航行距离进行三种不同的驱动方式，最高航行速度为13.6 kn。

“河豚号”是一艘以锂电池+超级电容器驱动，装载2000吨、160 kW的全电动倾倒式浮式油轮，其排放符合中国船级社《内河绿色船舶规范》（CCS）要求。

就短期而言，相比于燃料电池型船，混合动力型船和锂电型船具有较低的技术难度和相对成熟的产业链，在我国更有可能得到普及；从中期到中期，我国在能源领域的应用前景将更为广阔。中国上海硅酸钙所研发的高效率、高功率密度和高稳定性的 Silicon型燃料电池具有广阔的应用前景。

2.4核能

在1955年，“鹦鹉螺”作为全球首个核动力潜水艇，在美国海军中正式投入使用；苏联于1957建造了其首个核电的“列宁”号；此后，无论是英国还是中国，都先后获得了建造核潜艇的技术，并取得了成功。

如今，俄罗斯的“阿卡蒂卡号”是全球最大的一种，美国的“阿卡”是10艘，法国虽然也有，但都是以“潜水艇”为主，并非舰艇使用，而且都是一些不完善的地方。

最近几年，我们国家对于核电船只的研发已经日趋完善。在2018年度，国家成功突破了舰用核能发电装置的核心技术，完成了第一个核能发电装置的研制工作。这艘飞船可装载三十万吨以上的物质，它的首要使命是为科学研究而在北极。然而，核电船舶的商业开发却因其经济性差、经营费用高而进展迟缓。到现在为止，仅有少数几个国家拥有研制核动力商用船舶的实力，并且主要用于试验和科研等特殊场合[4]。

3、新能源船舶的应用探析

3.1新能源船舶的比较分析

当前，海上新能源的使用方式多种多样。在我国，锂电池船、燃料电池船、太阳能推进船和柴油（天然气）混动船等都有大量的使用。多能源联合利用是电力行业发展的趋势，也是船舶行业发展的趋势。表格2中列出了一些新能源船舶的优势和劣势。

表2：几种新能源船的优缺点比较

3.2新能源船舶发展方向

(1)海洋智能化技术的发展：海洋智能化技术和新能源技术相结合是海洋智能化技术发展的方向。利用“5 G+”、大数据、云计算等技术，对舰船在行驶过程中的各种参数进行采集、分析与预测，为舰船的数字化降耗、航速优化、动力控制等工作提供数据依据，从而提升舰船的综合性能。通过实际应用证明，采用智能化技术的新能源汽车具有更高的可靠性，是今后智能汽车汽车发展的主要方向[5]。

(2)能源管理（PMS)：能源管理（PMS）是一种新的能源管理（PowerManagementSystem)，它是一种通过对航道通航环境，水文状况，气象状况，以及装置功率进行全面的分析，来统一调度，管理，控制整个舰船能源的一种新的能源管理（28）。新能源船舶是一种多能并驾齐驱的发展方式，对船舶进行精确的航行控制是保证船舶航行安全的关键。为此，本项目提出在先进的舰船能源管理系统、智能算法决策系统、电池管理系统和航行模拟仿真系统等方面开展深入的理论和技术创新，以达到舰船能源精确调控的目的[6]。

(3)船上空间的分配：常规的电力运输船都需要配置主机和辅助设备来供应整个船上的电力，这样会占用大量的空间，机械笨重，而且维护困难。新能源舰船以电能转化、储存等方式取代了常规的发电装置，采用蓄电池作为动力装置，可以降低运行过程中的能耗。针对新能源舰船对空间的需求，提出了对舰船整体舱室结构进行优化，以提升舰船的空间利用率，并为舰船的升级预留更多的空间。4、结束语

目前，国际上正在加大对新能源及综合利用新能源的力度，并有许多成果。尽管现在仍存在很多缺陷和问题，但经过人们不断的努力，新的或复合的新的能量将会在将来的舰船上被大量使用。而且，随着新能源技术在船舶上的广泛使用，美国、法国、英国、中国等国家的船舶，都会对船舶进行改造，所以船舶的技术要求也会随之提高，尤其是发动机、电子等领域，都会有新的技术要求、技术要求和技术要求。为适应新的或混合的新的能量用于舰船。

参考文献

[1]周荔丹,许健,姚钢,赵敏.船舶综合能源管理系统研究综述[J].电力系统保护与控制,2022,50(13):171-186.

[2]颉翔宇,周利坤,童俊骞,王艳.新能源在船舶上的应用研究现状及展望[J].船舶,2021,32(05):1-9.

[3]杨军,陈书燕.新能源电动船舶在嘉陵江航运中推广应用研究[J].中国水运,2021(06):103-104.

[4]范爱龙,贺亚鹏,严新平,王骏腾.智能新能源船舶的概念及关键技术[J].船舶工程,2020,42(03):9-14.

[5]李晔,王本龙,詹世革.“2018流固耦合力学在船舶与海洋新能源中的应用研究领域科学家论坛”学术综述[J].力学学报,2019,51(01):292-297.

[6]秦琦,王宥臻.全球新能源(清洁)船舶及相关智能技术发展[J].船舶,2018,29(S1):29-41.