太阳能船舶电力推进装置应用以及前景.docx

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1、太阳能船舶电力推进装置应用以及前景王XXXX大学轮机XX学院XXXX,学号2019210240XX,福建厦门，361021摘要太阳能取之不尽、用之不绝,是重要的可再生能源,在后化石燃料时代太阳能将成为最主要的自然能源之一。而且，除核能以外,可以说地球上一切能源都直接或间接地来自太阳能。太阳能技术在日常生活中已得到广泛应用，无论在国内或者国外，太阳能发电应用到了方方面面，太阳能作为电力推进装置早就从理论跨越到了实践，甚至是生产应用当中，此文将探讨一下太阳能船舶电力推进装置应用以及前景。关键词太阳能；电力推进；船舶；光伏技术App1icationandProspectofSo1arShipE1ec

2、tricPropu1sionDeviceWangJiapeng(Co11egeofMarineEngineering,JimeiUniversity,XiameiuFiyiant36102!,China)AbstractSo1arenergyisinexhaustib1eandisanimportantrenewab1eenergy.InthepostfossiIfueIera,so1arenergywiIIbecomeoneofthemostimportantnatura1energysources.Moreover,exceptfornuc1earenergy,itcanbesaidtha

3、taIIenergyontheearthcomesdirectIyorindirect1yfromsoIarenergy.So1arenergytechno1ogyhasbeenwide1yusedindai1yIife.Whetherathomeorabroad,so1arpowergenerationhasbeenappIiedtoa1Iaspects.AsaneIectricpropu1siondevice,so1arenergyhas1onggonefromtheorytopractice,eveninproductionappIications.Thisartic1ewiIIdisc

4、usstheappIicationandprospectsofeIectricpropu1siondevicesforso1arenergyships.KeywordSo1ar,e1ectricpropu1sion,ship,photovo1taictechno1ogy0引言1973年石油危机以后，世界各国都纷纷投入相当的人力与物力，从事太阳能的开发和利用，并已取得一定的试验规模和实际应用的成效。根据世界能源会议统计，人类目前以探明的可开采石油总量在1211亿吨，大约可供人类开采30-40年左右。煤炭在150年后将耗尽；天然气只能维持52年，2017年石油储量为1696亿桶,就算现在全球使用量

5、保持不变的情况下,预计也将在50年后消耗尽。全球有9万艘海运船舶，每年消耗将近4亿公吨的燃料。由国际船舶海工网可知，仅仅是15艘最大的船只排放的二氧化氮和二氧化硫就超过了世界上所有汽车的总和，而100万辆汽车的颗粒物排放量与一艘邮轮相同。并且据彭博社报道,大约67%的航运公司不符合IMo的要求。而反观太阳能这一边，虽然人类现在的技术水平不够，无法100%利用太阳能，但如果忽略太阳的寿命来看，太阳能根本就是无穷无尽、用之不竭的。太阳能在船舶上的利用有着无污染、无噪声、产品使用与维护成本低等优点;尽管同时存在着初期投资成本高，光伏电池的转化效率低、储能装置容量不足以及受地理环境与气候等因素影响大等

6、缺点，太阳能船舶动力推进装置的研究发展仍然是未来船舶发展的趋势，如何克服这些难题是未来研究的重点所在本文从太阳能光伏系统和船舶电力推进系统两大方面进行分析，阐述了太阳能在船舶推进装置中的应用现状并展望了未来的发展趋势。1太阳能光伏发电系统太阳能助力船舶的三类方式：（1）船舶主动力借助于太阳能；（2）船舶主动力采用风能、太阳能混合动力；（3）船舶辅助系统的电力补充。在船舶中太阳能的助力，特别是对于大型远洋船舶，还有很多技术关键待解决和完善。1.1光伏发电原理太阳能光伏发电的基本原理是：利用太阳能电池，实际上太阳能电池就是一种类似于晶体二极管的半导体器件的光生伏特效应直接把太阳能转变为电能。太阳能

7、发电最简单的原理就是我们所说的化学反应，即太阳能转化为电能。这个转化过程就是太阳能辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏特效应”，太阳电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时，有一部分光子被表面反射掉，其余部分或被半导体吸收或就被半导体透过，其中被吸收的光子，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子一空穴对。这样，太阳光能就以产生电子一空穴对的形式转变为电能，再经过半导体内部的电场反应，产生一定的电流，如果把一块一块的电池半导体以各种方式连接起来则形成多股电流电压，从而输出功率。1.2光伏系统结构光伏发电系统一般由太阳能光伏阵列、

8、太阳能控制器、交流逆变器、蓄电池和负载构成。再依据用途的不同，可以吧诸多的光伏系统分为离网光伏系统，并网光伏系统两大类。（1）并网光伏系统如图1所示，直接与电网连接，DC/AC逆变器将直流电转化为交流电并入电网，控制器控制并网电流波形和功率.常用的有带蓄电池的可调度式与不带蓄电池的不可调度式并网发电系统两种，既把光伏发电系统并入船舶电网再给船舶电气设备供电。图1并网太阳能光伏系统结构图（2）离网太阳能光伏系统.离网运行的太阳能光伏结构如图2所示。光伏阵列将太阳能转化为直流电能直接供给直流负载或经逆变器转化为交流电供给交流负载，在光照充足时，对蓄电池充电，光照不足时，蓄电池对外放电，并且可以由光

9、伏系统和船舶电网共同给船舶电气设备供电。图2离网光伏系统2船舶电力推进系统2.1 电力推进系统的构成船舶电力推进系统一般由螺旋桨、电动机、发电机、原动机以及控制设备组成。如图3所示。其中，原动机Y的机械能经发电机G变为电能，传输给推进电动机M,由电动机将电能变为机械能，传递给螺旋桨J,推动船舶运动。由于螺旋桨所需功率较大，推进电动机不能由一般的日用电网供电，必须设置单独发电机（组）或更大功率的电源，因此电力推进船可设立两个独立的电站，也可设立一个综合性电站。电力推进用的原动机可以采用柴油机、汽轮机或燃气轮机。目前一般采用高速或中高速柴油机，大功率时采用汽轮机或燃气轮机。发电机可以采用直流他励发

10、电机、交流同步发电机或交流整流发电机等。电动机可以采用直流他励电动机、交流同步电动机、异步电动机或永磁电动机等。船舶推进器一般采用定距螺旋桨，因为其效率高、尺寸较小。Y-原动机G发电机M-推进电动机K-控制设多J一螺庭架2.2 图3电力推进系统构成简图2.3 太阳能船舶的电力系统结构太阳能船舶的电力推进系统如图4所示，通过光电效应，在强光照条件下太阳能电池板是可以发出直流电，通过电机给船舶蓄电池组充电，蓄电池组储存的电能就是船舶的电源,通过对蓄电池组能量的精准分配，以求最佳的充放电控制，蓄电池组供电能够满足无刷直流电机用电要求蓄电池组发出的直流电正好满足了无刷直流电机的要求，所以蓄电池组直接通

11、过左右电机控制器给左右电机供电而无需转换装置。蓄电池组另一部分能量供给负载部分，包括照明系统以及其他一些用电设备，推进部分通过左右推进手柄控制，P1C采集到左右推进手柄改变的电阻信号，进而由控制器控制电机的正反转、调速的性能，带动螺旋桨运动。图4太阳能电力推进系统结构图3船舶应用太阳能的存在的技术问题3.1 太阳能作为动力的几类问题太阳能助力船舶的三类方式：（1）船舶主动力借助于太阳能；（2）船舶主动力采用风能、太阳能混合动力；（3）船舶辅助系统的电力补充。在船舶中太阳能的助力，特别是对于大型远洋船舶，还有很多技术关键还待解决和完善。3 .2船体平台如何布置太阳能面板船体平台上，为获得较好的节

12、能效果，在何种船上布置？这成为太阳能船上应用所面临的首个难题，这需在船体总体布局中加以考虑，首先需要解决的问题是：（1）适用船型的论证；（2）船舶水动力性能研究。当前，太阳能驱动的汽车和太阳能助力的飞机试验已经开展，与汽车、飞机不同，船舶的受光面积更大，另外，由于船舶较低地行进速度，在船舶上安装太阳能装置具有很明显的优势，而且，太阳能装置重量不大，船舶自重、稳性等不会受到太大的影响，安装在甲板上的太阳能采光板和集热器还会起到对船舱隔热、降温的作用。4 .3如何提高太阳能的利用率如何最大可能地获得太阳能的高利用率，仍是该技术推广的矛盾焦点。有两个方面的问题需解决：（1）提高能量转换效率；（2）提

13、高能量接收效率。船舶航行条件非常恶劣，经常会遇到极端天气，光伏系统元件受到风雨、海水腐蚀等因素的困扰，需特别设计抗风雨、防盐雾的保护设施。大量的透光率较高的钢化玻璃被使用，但船舶航行中，盐分大、温差大、湿度高仍是太阳能电池板所处的恶劣环境，船体被海浪、油污等腐蚀，着色、磨损和污染经常发生，从而降低了光伏的能量转换率，为此，要根据光伏装置的运行工况，进行光伏系统的保护性、可靠性设计。3 .5电能的转换和存储全天候船舶航行动力以太阳能为主的实现，仅仅提高太阳能能量转换效率是不够的，还需发挥储能器的作用。目前，在用储能器主要有：铅酸型蓄电池、锂离子型蓄电池、氢燃料型电池。因其功率范围宽、比能高、容量

14、大、噪音小，氢燃料电池被广泛使用。储能器的特点是：能量空间和密度通过时间积累获得。4太阳能船舶的关键技术4.1光伏系统太阳能电池主要分为晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和新型太阳能电池。薄膜和新型太阳能电池多数还处于实验室阶段，EPIA预测至少到2023年，晶硅电池仍将占据50%的主流份额。规模化生产的晶硅电池效率为1318%,且制作过程复杂，价格昂贵，从船舶应用太阳能对能量密度、海上环境寿命和成本控制考虑，一些新型太阳能电池更值得关注，如薄膜（化合物）电池、染料敏化电池、有机电池、钙钛矿电池、石墨烯电池、量子点电池等。高效、耐候性好、长寿命、低成本的太阳能电池技术发展将带来发电效率的提升和设备

15、成本的降低，使得太阳能成为真正的绿色船舶能源。4. 2储能系统（1）超级电容超级电容是一种拥有高能量密度的电化学电容器，可以经受很高的电流迅速充放电，循环次数可达数十万次，但是能量密度仅为锂电池的1/10,价格却为其数十倍。超级电容最适用于站点密集、充电间隔短的情况，这一类可适用于小规模的内河船舶，游览船舶，但并不适合远航航行的船舶。(2)锂电池锂电池能量密度高，循环性能优良，输出功率大，主流种类有磷酸铁锂电池和三元材料电池。磷酸铁锂电池安全、热稳性好、价格较低，但能量密度较低，理论密度仅160Whkg,现阶段电池包的能量密度为90T20Whkg,是目前动力锂电的主流。三元材料电池主要是银钻铝

16、酸锂和银钻锦酸锂电池，具有稳定、容量高的优点，但安全性较差且成本高，目前能量密度普遍在150-180Whkg,最高可达200Whkg,大量单体电池组成电池包的连接、散热和管理系统(BMS)开发是其应用的难点，但仍是船用值得考虑的方向。(3)燃料电池燃料电池已有用作船舶的动力能源，但将燃料电池与太阳能光伏技术结合用于太阳能船舶的研究还很少。其中主流的氢燃料电池用作船舶储能装置需解决制氢与储氢核心技术问题，其中采用太阳能发电分解水制氢技术较为适宜，能较好克服太阳能能量密度低及光照时间有限制的缺点中科院大连化学物理研究所李灿团队提出了聚合物太阳能电池和上一。2燃料电池耦合的叠层电池概念，在光催化辅助燃料电池研究方面获得新进展。4. 3船舶平台在船舶上应用太阳能技术，首先需要将太阳能电池的布置要求融入船舶设计。电池板需要布置在易于接受阳光的