船舶新能源动力系统现状和发展趋势
程钧
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程钧,. 船舶新能源动力系统现状和发展趋势[J]. 动力技术研究,20227. DOI:10.12721/ccn.2022.159181.
摘要: 随着船舶工业的发展,现代化船舶正呈现出快速化、大型化、以及自动化等发展趋势,船舶动力系统作为整船的核心部位,其运行质量不仅关系着船舶航行的动力性,同时还与航行的稳定性、可靠性、经济性水平存在密切的关联。因此,对船舶动力系统研究现状以及发展趋势进行深入分析,有着非常积极的现实意义与价值。
关键词: 船舶;新能源动力系统;现状;发展趋势
DOI:10.12721/ccn.2022.159181
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1传统船舶动力系统

1.1 柴油发动机

柴油发动机出现时间较早,发展时间较长,且因为柴油发动机运转稳定性和安全性有所保障,燃油经济性较好,低扭矩工况下推动力较大,现阶段大部分船舶都采用柴油发动机作为主动力系统。而根据柴油发动机的活塞冲程设计不同,也可分为二冲程和四冲程柴油发动机。二冲程柴油机转速较低,低扭能力较强,压缩比和效率都比四冲程柴油发动机要高,有利于柴油发动机发挥动力性能与经济效益,延长柴油发动机的使用寿命,整体提高船用二冲程柴油发动机的实用性与稳定性,二冲程柴油机大多用于大型较低速船舶动力系统。四冲程柴油发动机转速较高,行程较长,大多运用于中小型船舶、快艇上,与船舶自身配备的变速箱和传动系统配合,加强传动效率。目前我国行业内的柴油发动机发展经过国内外先进柴油发动机技术的引进和学习,已得到长足的发展,逐步形成国产柴油发动机自身的行业竞争力。

1.2 燃汽轮机动力系统

燃汽轮机动力系统应用在船舶动力系统中,也具有非常大的优势。与柴油机动力系统相比,优势主要体现在燃汽轮机的整体质量和尺寸上。另外,燃汽轮机还具备非常好的加速性能,也给很多的高速客船带来了福利,使其在高速客船中的应用更加广泛。但是燃汽轮机也有着非常明显的缺点,其中最主要的缺点就是燃汽轮机不能实现燃油的充分燃烧。一般的燃汽轮机都需要使用更加清洁的蒸馏油,而且蒸馏油的价格昂贵。如果燃汽轮机不能做到燃油的充分燃烧,那么船舶的耗油量就会提升,船舶的运行成本也会增加。基于这一原因,燃汽轮机也不能被大多数的船舶公司所应用。但是,燃汽轮机的整体质量比较小,重量轻,如果在船舶中装备柴油机组合装置,那么就可以充分发挥燃汽轮机的真正价值,也可以扩大燃汽轮机的适用范围。

2 船舶新能源动力系统的现状

风帆助航和风力发电是风能利用的两种主要形式,航行的主动力或辅助动力是它在船舶上的部分应用形式,风力发电技术也仅仅被用在少数的船舶上。利用风能,主要考虑的是悬在货轮上方,在风力作用的强度高、风化抵抗强、合成纤维的超轻薄性能等制成的巨型风筝,是船舶的重要辅助动力。双层结构的风帆,在风帆内部设一整个气室,牵引绳索把风帆和船体连接,垂直挂一个控制箱在风帆下面,可以起到控制风帆飞行轨迹的作用,在上面同时也安装了电子控制器件和机械驱动器。但是由于受到大多数航道有限风力的影响,所以大规模的应用还是存在一定的困难。

近年来 LNG 燃料船舶的应用比较广泛,不同于压缩天然气,液化天然气用在车/船的主要优势有很多方面。密度较大的储能,是压缩天然气的几倍;较高的充气效率,让发动机速度更快;低温性能的特征,也是重要的优势;随着科学技术的不断进步,LNG 燃料船舶好处更加明显,纯净高含量,排放污染气体少,可靠性较高的发动机,较小的噪声振动,优势颇多。LNG 燃料船舶液态储藏和运输都不需通过专用管道,投资成本比较低,在管理和维护方面相对比较简单;比较少的加气站投入成本,较低的耗能和噪音,就连运行费用也只是压缩天然气的一半左右。这些优势都为液氢燃料未来的广泛应用奠定了相应的基础。

3船舶新能源动力系统的发展趋势

开发替代能源船型,包括风能、太阳能、核能、氢能、生物质能以及混合能源等为典型代表的新能源在节能减排方面所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著,其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势。

3.1风能在船舶上的应用现状及发展趋势

风能利用主要以风能作动力(风帆助航)和风力发电两种形式为主,在船舶上的应用形式偏重于作为航行的主动力或辅助动力,只在少数船舶上应用风力发电技术。全球第一艘用风筝拉动的货轮白鲸天帆号(Beluga Sky Sails)2007年 12 月 15 日由德国汉堡市起航,横渡大西洋驶往美国休斯敦,2008 年 3 月 14 日成功完成了其处女航。悬在货轮上方由高强度、抗风化、超轻合成纤维制成的巨型风筝在风力的作用下,为船舶提供辅助动力。该风帆为双层结构,整个风帆内设气室;风帆由牵引绳索与船体相连;风帆下面垂挂一个控制箱,该装置用于控制风帆的飞行轨迹,风帆的电子控制器件和机械驱动器均安装该装置上。受大多数航道风力有限的影响,不可能大规模推广应用。

3.2 太阳能在船舶上的应用现状及发展趋势

太阳能具有清洁环保的优点,它的发展技术已经被广泛运用到了各个领域。但是在船舶领域中,太阳能技术的运用仍处于初级阶段,还需进行更深的探究。太阳能动力系统是利用太阳能的发电技术,把太阳能的电池作为船舶主动力统。在未来太阳能动力系统的发展中,可以尽可能的发展新型的材料。例如光转化材料就可以提高光电技术的转化率。还可以在太阳能电池上设计加大太阳能电池板的表面积,在保证船舶正常航行的基础上,延长船舶的航行时间。如今太阳能动力系统主要运用到中型及大型的运输船舶中,太阳能船舶动力系统也逐渐发展到了使用性阶段。在实践过程中往往容易受到外界环境因素、行为因素的影响,而无法为船舶的航行提供持续的动力能源。利用燃料电池作为船舶的动力系统,将化学物质转换为电能的新能源动力系统,其中燃料电池是也是一种很好的方式。燃料电池不仅有着很高的能量转换率,具有节能环保的特点,并逐渐被应用于船舶动力系统中。

3.3无压载水船与超低压载水船

无压载水舱船的基本设计理念是去除压载水舱,使用两条大型管道和水流舱,使海水能够在船舱内流动。在空船出发时,把大型管道的前后盖子打开,使海水自然流进船舱;航行过程中,海水能够在管道中从前到后流动,使船体能够保持平衡;在货物卸载时,把大管道内的海水排出,再将盖子关闭。这类船舶已经在大型水池进行了相关试验,证明水流可以起到帮助螺旋桨推进器加快旋转速度的作用,能够有效地减少燃料的消耗及减少排放。与常规船型相比,无压载水船在满载状态下的推进效率虽然略有恶化,但是空载状态下有大幅改善,从总体来看,无压载水舱船可提升6%左右的推进效率。目前,无压载水船舶的研究开发已取得了一定的成果,但距离投入实际应用还有一定的距离,研究试验工作仍在不断进行。另外,不论是美国、日本,还是荷兰,由于还不能完全控制无压载水船舶的倾斜运动,因此还不能做到完全无压载水这一理想状态。但是,随着技术的不断发展和进步,既环保又经济的无压载水船舶将日益趋于完美。因此,可以预见,在国际社会越来越重视环保这一大背景下,无压载水船舶无疑将成为未来绿色船舶的重点研究对象之一。

4结语

综上所述,近年来船舶动力系统在柴油机、电力推进、混合推进和推进装置方面出现了新的技术和新的发展趋势,特别是在特种船舶和海洋作业船舶快速发展的今天,性能可靠、节能环保的动力系统越来越受到人们的关注。国内的造船企业也意识到了新型动力系统的巨大潜力,新型动力系统的研究越来越受到人们的重视。

参考文献

[1]姜卫.内河小型船舶清洁能源动力应用研究[J].中国水运(下半月),2020,20(07):53-54.

[2]张文芬,严新平.大力发展长江绿色航运 助推长江经济带建设[J].长江技术经济,2017,1(01):56-60.