绿色动力的概念

时间：2022-11-05 百科知识版权反馈

【摘要】：可以断定，未来的绿色船艇的发展方向将是综合了所有绿色因素的新概念船艇。其中的主体是绿色动力，包括尽量减少有害物排放、可再生能源的利用、零污染、低噪声目标的实现。由此可以预测，LNG燃料船已成为绿色船艇动力发展的一个方向。氢能在船舶上的应用，目前主要是以氢燃料电池的形式应用于一些小型的船艇、观光艇，尤其是豪华游艇上。

第六节　绿色动力的概念

当前，人们正在通过利用世界最前沿、最先进的科学技术，从各个方面打造新型绿色船舶。可以断定，未来的绿色船艇的发展方向将是综合了所有绿色因素的新概念船艇。其中的主体是绿色动力，包括尽量减少有害物排放（低碳排放）、可再生能源的利用、零污染、低噪声目标的实现。

符合环保概念的新能源正在不断地开发出来，它们正在引起动力装置的一场革命。今天的创新，将在不久的未来被普遍应用！

一、新型能源推进船艇

随着全球温室效应的加剧，国际海事组织（IMO）也越来越关注船艇温室气体排放对全球温室效应的影响。在2008年3月31日至4月4日召开的IMO第57次海环会议（MEPC57）上正式通过了MARPOL附则Ⅵ关于减少船舶有害气体排放规则的修正案。最大的变化在于船舶SOx排放量的逐步减少，全球硫排量的最高值第一阶段将降至3.50%（现在为4.50%，自2012年1月1日生效；然后再逐渐降低到0.50%，自2020年1月1日起生效，具体情况根据2018年前完成的可行性调查决定）。船舶温室气体减排已成为全球造船界热议的话题之一。随之而来的是各式各样新型船艇推进系统应运而生。

1）LNG燃料动力装置

使用液化天然气（LNG）作为燃料的汽车在城市中已到处可见，游艇上的应用始见于1999年的上海国际船艇展，日本HONDA公司推出了使用LNG的舷外挂机。

目前一些使用LNG燃料的渡船已出现在北海地区。据使用这些船艇的船东介绍，这些船艇的氮氧化物的排放量减少了89%，CO₂的排放物减少了20%，SO排放量则减少了100%。据悉，使用LNG能源可以使船艇燃料的燃烧效率增加30%。由此可以预测，LNG燃料船已成为绿色船艇动力发展的一个方向。

2000年，世界首艘以LNG为燃料的渡轮完工并投入运营。如今，全球在运营的以LNG为燃料的船舶已增长至22艘。包括渡轮、海洋供应船和海岸巡逻艇。图6-23是一艘采用LNG作为燃料的平台供应船。

图6-23　采用LNG燃料的平台供应船

2）燃料电池推进船艇

燃料电池技术目前发展迅速，尤其在汽车工业中的应用已较为广泛，这为在船艇上的应用奠定了基础。

燃料电池是将燃料（如氢、天然气、丙烷和甲醇等）中的化学能直接转化为电能的机电装置。

氢能被誉为21世纪的绿色能源。首先，氢能资源丰富。水是地球的主要资源，而水分子由氢原子和氧原子组成。18kg水就有2kg氢。水可谓是地球上无处不在的“氢矿”。其次，氢获取途径多样。它既可以通过各种化石燃料如天然气、煤、煤层气来制取，也可以用可再生能源如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热或者二次能源如电力来开采。再者，氢能清洁环保。无论是利用低温燃料电池还是氢燃料内燃机，其排放物主要是水、氮氢化物等，不排放二氧化碳和氮氧化物，对空气几乎没有任何污染。

氢能在船舶上的应用，目前主要是以氢燃料电池的形式应用于一些小型的船艇、观光艇，尤其是豪华游艇上。氢燃料电池之所以适用于这些船舶源于以下原因：首先，使用氢燃料电池，唯一的排出物是水，燃料电池工作温度仅为60℃，安全、可靠、无污染，完全适合在环保要求非常严格的自然保护区的敏感水域中航行。其次，燃料获取方便，使用普通工业氢气瓶通过专门的加氢设备就可以对船上储存罐加注氢。目前一些高科技的金属材料使得氢气储存的安全性甚至高于天然气的储存。再者，燃料电池不产生任何异味，而且没有机械噪声。由此可见，随着世界船艇业的蓬勃发展，氢燃料电池船艇凭借其自身无与伦比的优越性，市场前景非常乐观。

上海海事大学研发出了国内第一艘以氢为能源的燃料电池船，该船完全达到了“零污染、低噪声”的目标，经过测试，利用14m³氢气，可以使艇以14km/h的速度连续航行5小时，这一研究成果吸引了国内众多旅游景区的关注。

目前挪威船级社正在开展有关船用燃料电池的全面研究工作。研究中，燃料电池动力单元的研制结合了新型电子技术、电子动力以及控制系统技术。已有的研究证实，燃料电池应用到船艇之上具有柴油机无可比拟的优点：①应用燃料电池的船艇将比现有的柴油机推进船艇的效率提高约50%，且几乎零污染排放；②使用燃料电池不会产生噪音和振动，将提高乘员的舒适感，并大大改善船员的工作环境；③燃料电池的设计简单，可移动部件较少，因此维护方面的投入将大大减少；④燃料电池是标准化模块设计，可以更加方便合理地利用船上空间。

不过，燃料电池的广泛应用目前还存在着初始投入成本较高的缺点，但由于燃料电池较低的燃料消耗以及石油价格居高不下，再加上燃料电池运行成本较低，这些都大大弥补了这一不足。

二、可再生能源的充分利用

绿色船艇将充分利用太阳能、风能以及波浪能等零污染可再生能源，为船上设施提供能量。

1）太阳能游艇

美国岛屿导航者公司（Island Pilot LLC）与中国铎洋游艇（珠海）公司（UNI SHINE MA-RINE LTD）合作建造了新一代混合动力观光游艇——DSe-12m（图6-24）。该艇于2008年1月投入使用，仅使用少量生物燃料，即可打造一种可持续的游艇生活方式。

图6-24　DSe-12m柴油机太阳能电力推进游艇^［2］

这是一艘双体游艇。该艇上层建筑设计独特，空间宽敞舒适，驾驶室和甲板舱顶棚上全部被光电板所遮盖（图6-25），这种光电板由一块块矩形的Sun Power太阳能板组成。Sun Pow-er太阳能板效率高，每平方英尺的额定发电量达16W。将太阳能板分两组串联，每组额定发电量3kW，总发电量则达6kW。这些太阳能板产生的电力用来为蓄电池充电。

图6-25　太阳能光电板

电池采用奥德赛纯铅系列AGM型蓄电池，组成两块独立的48V直流电电池组，每块额定容量200A·h（约相当于10kW·h；两块电池总额定容量20kW·h）。这种电池具有寿命长（充放电次数达400次以上）和充放电电流量大的特点。每块电池组配有一个充电器，每个充电器额定容量60A·h（约3 000W·h）。因此只要有阳光，太阳能板就开始给蓄电池充电。这些蓄电池提供动力和生活用电，营造舒适的船上生活。

当游艇停泊在码头时，为了充分利用岸电对电池充电，该游艇装备了逆变器/充电器。这种设备可在30A的电流下对48V电池充电，然后将直流电转换成120V交流电，向交流用电设备供电，功率达3.6kW，转换效率达92%。

混合动力装置把斯泰尔柴油发动机、发电机、电动机组合成混合动力驱动系统。它有3种工作模式：

（1）柴油机工作模式。

游艇采用柴油机工作模式时，艇上配备的2台斯泰尔柴油机投入工作，它使用生物燃料，燃烧率达100%，产生的动力通过传动装置驱动无刷永磁发电机组发出电力，然后再将电力传输至2台电动机，驱动舷外推进装置。多余的电力向蓄电池充电。最大充电量为10kW，采用这种模式充电更快、更有效。

（2）电力驱动模式。

当斯泰尔柴油机不工作时，艇上所有电器依靠电池组供电，由电动机带动舷外推进装置运转，构成全电力驱动模式。

电力驱动模式下，DSe-12m游艇可维持中速航行。天气晴朗时，游艇航行速度为4kn，太阳能板产生的电量足够两台电动机使用，也就是说，这种电动模式可航行无限里程，而且保持温室气体零排放。

（3）混合模式。

所谓混合模式，将两块48V电池连接，向一个电动机供电，另一个电动机则由柴油发电机组驱动，产生的多余电力则向电池充电。

游艇处于停泊状态时，不必使用内燃机，仅使用电池就可以维持艇上生活用电。太阳能板的电能储存在电池组中，这些电能足够连续使用几天几夜不成问题。另外，电动机的噪音很低，因此听不到动力游艇上那种惯常的噪声或振动声。

DSe-12m游艇展示了一种关注生态环境的、独特的可持续生活方式。

具有南部气候特征、阳光充足的国家和地区如美国佛罗里达州的珊瑚群岛、巴哈马和加勒比海、中国的三亚湾等都是DSe-12m游艇理想的航行地。即使完全不用斯泰尔柴油机，也可在最喜爱的海湾停留数天。所有用电如做饭、供暖、制冷、洗衣、休闲娱乐、驾驶橡皮舟出海等，只需要舱顶6kW的太阳能板即可满足电力供应。

如有需要，利用太阳能就可不断补充淡水。只要有太阳能，在艇上生活就不用发愁，洗衣、做饭、冰镇红酒、热水沐浴、看DVD、听音乐等无所不包、无所不能。

DSe-12m游艇是一件高科技产品，因此随着新技术的开发和成熟，它也将不断升级，如锂电池的应用以及更有效地利用风能、太阳能。每前进一步就深化DSe-12m游艇的生活体验，让乘客享受前所未有的优质游艇生活。

2010年2月25日，德国基尔的HDW船厂推出当今世界上最大的太阳能游艇PlanetSo-lar（星球阳光）号（图6-26）。这艘游艇是一艘双体船，看上去就像一艘有着蓝色和白色外壳的宇宙飞船。该艇长31m、宽15m、高7.5m，排水量60t，最高时速可达15kn。总共可以容纳50人航行。光电板面积达到500m²，发电功率达120kW。充电一次后，即使在没有阳光的情况下也能照样行驶3天。制造商为瑞士拉斐尔公司。它将向世界证明，除化石能源之外，太阳能将是游艇动力的新来源。2010年5月至10月，PlanetSolar号进行了欧洲巡航之旅。

图6-26　当今世界上最大的太阳能游艇“星球阳光”号^［3］

在2010年上海世博会上投入使用的“尚德·国盛”号游览船（图6-27），也是一艘充分利用太阳能的绿色概念船。该船是国内设计建造的第一艘采用多种能源的混合动力游船，首次将太阳能电力导入游船动力，将混合动力模式引入船舶建造，其最具特色的“太阳翼”高10m，宽5m，矗立在棚顶上方，像一块竖起的液晶屏幕。上面装有高效晶硅异型太阳能电池70余片，可跟踪阳光照射方向自动旋转，综合选择风力、风向，最大化地利用太阳能。“尚德·国盛”号总长31.85m，总宽9.8m，高7m，可容纳150余名游客。2010年6月5日是第39个世界环境日，我国第一艘太阳能混合动力游船“尚德·国盛”号也在这一天正式起航。

图6-27　2010上海世博会上的太阳能利用概念艇

2）风能利用

帆船是直接利用风能做推进动力的，通常称为无动力艇，其实现代出洋的帆船上也配备小功率动力推进装置，以备不时之需。

现代装有动力机的游艇上为了节能减排，也开始设置风能利用装置。主要有两种形式。

其一，风能将通过由轻质合成材料制成的船帆直接获得。船帆将可以向上、向外折叠，能够通过旋转桅杆来寻找最佳的受风位置，吸收气流穿越风帆产生的拖曳力、升力或是两者的合力来推动船舶。在2010年中船集团主办的未来船型设计大赛上，中国船舶与海洋工程设计研究院的一项设计——“孔雀公主”号超级豪华邮轮（图6-28）荣获一等奖，其尾部形如孔雀开屏的十块太阳能风帆利用装置是一个亮点。作为设计亮点，这种具有4自由度的太阳能风帆装置利用机械传动和钢索牵引来展开或合拢，十块风帆可不同步地任意调节左右面积来减小或抵消船体的横倾、垂直面也可根据风力自动调节角度，在风大时向后稍微放下或收拢帆板，减小受风面积和角度；当风小时则保持垂直或展开更多帆板来增大受风面积，以取得连续稳定和均匀的驱动风能。此外，风帆正面有太阳能电池板，可吸收太阳能转化为电力，是一种一举两得的节能装置。