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清洁能源在船舶市场的应用

 论文栏目:能源工程论文     更新时间:2021/4/8 10:43:57   

摘要:随着IMO2020排放要求的出台执行,以及人们对环境问题的关注度越来越高,对环境的保护意识增强,船舶污染改善也成为热门话题。而使船舶产生环境污染的动力能源首当其冲成为需要改善的问题之一。文章介绍了几种目前应用比较多的清洁能源及其主要特点优势。

关键词:清洁能源;风帆动力;锂电池;液化天然气;氢能源

1液化天然气

液化天然气作为船舶动力源,主要有单一使用液化天然气燃料和使用双燃料发动机2种形式。液化天然气运输船普遍采用单一的液化天然气作为能源,而其他船舶大多采用双燃料发动机。液化天然气的储存罐是独立于船体的特殊构造,选用的材质需要能适应低温介质。液化天然气能源船舶还受到港口码头加注配套设施的影响,需要考虑经济性、续航力及相关设备布置等问题。目前液化天然气在船舶领域的应用已经非常普遍,所以就不做具体的描述了。

2太阳能光伏系统

近年来,太阳能光伏也在很多的船舶上有所应用,但是由于太阳能光伏受制于外在阳光因素,所以能量具有不稳定性,同时产生的电能如不能用掉还存在存储问题,目前现有项目也只是将太阳能光伏系统作为船用动力中的一小部分或某个系统的能源来使用[1]。国内外不乏太阳能光伏系统应用案例,早在2014年,中远“腾飞”船利用年度检验修船的机会,安装了总容量为143.1kW的太阳能光伏系统。该系统的典型技术特征在于采用锂离子蓄电池作为储能单元,采用船用太阳能离并网混合光伏发电系统,可根据航线上太阳能辐照强度、负载功率需求、经济性、安全性等因素进行4种运行模式切换,即光伏离网运行模式、光伏并网运行模式,光伏出力不足条件下的船舶电网功能模式、光伏系统故障时的船舶电网功能模式。

3风帆动力

风帆动力源与太阳能光伏系统同样有外部限制因素,所以应用的范围还是受限的,但基于科技的发展与海上风电技术的成熟,风帆动力也了有进一步的发展。风翼柴油机混合动力船舶设计涉及到空气动力学、船舶流体力学、结构力学、材料工艺学、控制工程等多学科领域,是一项复杂的系统。基于风翼的风翼柴油机混合动力系统是一项原始创新,也是在现有技术条件下,利用风能通过风场测量系统获得风速、风向等参数,然后根据风翼-推进-操纵系统联合控制系统,调整风翼的迎风角,最大限度地获取风能,并根据设定的工作模式,协调主机转速、舵机转角等,使船舶在保持原预定航向的前提下,减少主机所发出的功率而保持定速航行,或在主机功率不变的情况下提高航速,成为大型远洋船舶提供辅助动力的最优选择[2]。由南通中远海运船务工程有限公司牵头,各参研单位通力合作完成的“鹏龙”船,就是这种运用风帆辅助推进的船舶。该项目开发的风帆样机是一种作业于海上的船用辅助推进装置。该装置通过电控方式实现机械操帆、收帆运动,将海上广泛分布的不稳定随机风能转化为船舶运输的动能,达到船舶海上营运节能的目标。这一节能目标的实现是通过项目组在前期形成的风帆控制策略,借助操帆系统控制最佳帆向角,实现气动升帆,辅助推进船舶前进[3]。因此,风帆样机的开发本质是借助编程优化帆向角度,从而使风帆在有利风场环境下获得较高的推力系数,实现船舶营运节能。通过对不同形式帆的研究,结合本项目样机研制要求,最终认为采用拉伸收缩方式的天线式高帆具有更高的工程开发意义和良好的市场前景[4]。图1为天线式高帆形式示意图。图1天线式高帆形式示意图采用风翼助航系统后,改变了船舶的受力特性。风翼在获得推进力的同时,也产生了干扰航向保持的侧向力,同时由于风翼的存在,改变了船舶的惯量、横摇阻尼等参数,不仅对船舶的快速性产生影响,对船舶的操纵性也产生影响。通过对风翼柴油机混合动力船舶动力系统耦合特性的分析研究,确定目标船加装风翼后的操纵性数学模型,为风翼柴油机混合动力船舶系统控制参数的选取提供依据。利用风翼柴油机混合动力船舶航行性能建立的风翼受力和船舶运动之间的关系,以及采用风翼助航后的船舶操纵性运动方程开展船舶运动仿真试验,综合考虑船舶在航行过程中的运动限制、风翼使用环境条件限制、风翼执行机构的延迟等约束条件,建立不同装载状态、不同航速、不同风向时最优控制参数的选取方法[5]。风翼助航船舶,在船舶甲板安装辅助风翼,在保证船舶航速的条件下,降低主机转速,从而降低燃油消耗。通过实船试航收集的各项参数报告分析,50%~75%负荷范围内,该试航段主机轴功率在5102.07~7902.22kW范围内。设定柴油机热效率和推进系数基本不变,可以确定节省燃油6.19%~9.59%。表1为某船试航阶段的相关参数(部分)。该项目实现了船舶应用新能源的突破,在满足船舶的航行性能要求的条件下,达到节能5%~10%、碳排放量降低10%的目标,单每年节省燃油费用数万元。同时实现了风翼助航关键技术的突破,为远洋船舶清洁能源利用提供了技术支撑,填补了国内空白。

4大容量蓄电池

电池作为船舶动力由来已久,从作为备用电源应用于船舶特定的系统到逐渐成为船舶的主要动力源,电池在其自身形式结构以及材料上面都有了很大的技术进步。传统的铅酸电池、镍铬电池等由于自身容量密度问题及存在一定危险性,很难大范围的应用。近年来,电池技术取得很大的发展,锂电池越来越多地被应用于船舶领域。锂电池的种类也很多,应用最多的是三元锂电池及磷酸铁锂电池,三元锂电池在国外的应用比较多,而国内更多的是采用磷酸铁锂电池。相比于三元锂电池,磷酸铁锂电池对温度的敏感度较低,稳定性更好一些。工作温度范围广泛,温度的变化会影响电池的充放电容量及使用寿命。磷酸铁锂电池的能量密度相对三元锂电池较低,也就是同等电能磷酸铁锂电池需要更大的体积。这也是在船舶应用中面临的一个困难,需要综合考虑大容量的电池在体积、质量及布置方面的问题。磷酸铁锂电池的循环次数一般从3000~6000次不等,充放电次数还与温度、容量、时间等有关系。近年来由于国家对相关区域出台了一系列限排要求,促使了电池行业的迅速发展,也进一步拉近了我国与国外在能源制造上的距离。目前国内使用锂电池的项目一般为短途运输船、景区游船、渡船及沿海观光游览船,这些项目的特点是续航时间短,所需的电池容量不大。在2019年之前,国内相关机构对于电池在船舶上的应用并没有出台完整的规范要求,很多都是特殊案例,能参考的相关文件也只有CCS发布的《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》。由于电池技术的高速发展,以及在船舶领域的应用需求,2019年国内积极推动关于锂电池检验规范的进程,发布了一系列指南文件,如《混合动力船舶检验指南》《纯电池动力船舶检验指南》《直流配电系统检验指南》等。以上文件对电池的本体、布置、相关通风消防措施以及失控后的处理措施等都作了说明及要求,特别针对电池的监控系统功能做了详尽的说明要求。电池监控系统对整个电池系统的运行及监测起到至关重要的作用,需要在第一时间监测到异常状况并做出正确的处理方式。在初级阶段识别危险的存在,并阻止危险的进一步发展扩散,可以说电池监控系统系统对于整个系统乃至全船都起着至关重要的作用,所以对电池监控系统的要求也更为严格,目前国内取得相关证书的厂家屈指可数。由于三元锂电池对于环境温度的敏感性,目前现有投入使用的大部分三元锂电池都采用水冷形式,对于水冷的水质及管路也会有相关要求,而在热失控条件下的处理方式也相对要复杂很多。大量电池的应用势必需要大容量的舱室储存,而对于电池所产生的潜在危险又必须加以控制和处理,如此便增加了对于整个电池系统监控技术的要求。根据目前已经得到认可的三元锂电池试验,在热失控条件下,不会产生明火,但会有烟排出,如何处理烟道是产品与船上安装需要协调解决的重点问题。基于有认证产品证明的三元锂电池不会产生明火的特性,对应的存储舱室也被视为安全区域,这是不同于铅酸电池等容易释放易燃有毒气体的又一改进。磷酸铁锂电池对环境温度要求相对来说没有那么严苛,所以目前国内大部分磷酸铁锂电池是采用风冷的调温措施。但对电池舱的要求还是做了详细的说明,如《混合动力船舶检验指南》中对电池舱的布置、电池舱通风系统的设计、舱室温度以及应急状态的处理做了相应的规定说明。近期国内下水运营的豪华观光游览船“大湾区一号”就是采用的磷酸铁锂电池+柴油机发电的电力推进系统,该船建成后可具备零排放(达到氮氧化物II级和硫氧化物I级排放控制的要求)、超静音等特点,充分体现了绿色、节能、环保理念。《纯电池动力船舶检验指南》针对电池不同安全等级要求也有不同。大容量电池的使用以及港口排放的管控,船舶靠港时连接岸电对岸基充电设备也提出了更高的要求和挑战。岸电的容量、充电装置、安全防护、操作方法等都有相关的要求。

5氢能源

伴随着科学技术的发展,氢能源的应用也越来越广泛,氢能汽车也到了试用阶段,而氢能源船舶的概念设计早在十年前就在国外有相关报道,目前也有实验项目验证。氢是通过一定的方法用其它能源制取的、一种不依赖化石燃料的、储量丰富的可再生能源,优点主要有:燃烧热值高、不会有其他有害物质。氢燃料电池技术,一直被认为是利用氢能解决未来人类能源危机的终极方案。虽然燃料电池发动机的关键技术基本已经被突破,但是还需要更近一步对燃料电池产业化技术进行改进、提升,使产业化技术成熟。燃料电池寿命很长,且维护保养需求低。挪威船级社于2018年1月公布了船载氢气的首批规则,这些规则借鉴了其他一些使用氢气历史较长的行业规范标准。氢气在陆上已经实现了非常广泛的应用,如何建立具有失效保护的燃料电池电站并应用在船舶上,将是氢燃料在船舶领域应用的最终目标。氢气的存储是氢能源在船上应用的难题,氢气的液化温度为-253℃,如何将氢气液化和储存不仅存在技术难点,而且对液化罐也提出了更高的要求。氢气除了作为燃料,作为碳排放的中性替代方案也极具意义,它基本规避了船舶业亟待解决的碳排放问题。

6钒液流电池

近期,相关船舶领域公司积极探讨“钒液流电池”。据了解,“钒液流电池”是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效充电燃料电池,全钒液流电池的主要原理是利用钒离子价态变化,实现电能储存和释放。具有功率大、能量大、效率高、成本低、寿命长、无污染等优点,在光伏发电、风力发电、分布电站、交通市政等领域具有良好的应用前景。2019年12月31日工信部发布了关于《首台(套)重大技术装备推广应用知道目录(2019年版)》的通告,钒液流电池列入其中。参会代表就“钒液流电池”船用条件、安全性、功率密度、布置形式等方面进行了讨论。参会代表一致认为,经过2~3年的努力,钒液流电池在船用电池市场应具备实现的可能性。小容量钒液流电池将与锂电池共存,大容量钒液流电池因其高可靠性、布置灵活性,将有可能取代锂电池。随着科学技术的发展以及人们对环境的关注度越来越高,相信清洁能源会更多的被使用。清洁能源应用研究的突破,将给船舶能源领域带来突破创新,未来船舶能源市场将迎来多元化发展。

参考文献

[1]孙玉伟.船用太阳能光伏发电系统设计及性能评估[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[2]柏开祥.帆板流体动力性能与最佳航线的研究[M].武汉:中国地质大学出版社,2007.

[3]孟维明,赵俊豪,黄连忠.风帆助推节能船的应用前景[J].船舶,2009,20(4):1-3.

[4]甘振海.风筝帆助航技术研究[D].大连:大连海事大学,2009.

[5]赵江滨,王立明,袁成清,等.一种基于主导风向的风帆偏航控制系统[J].交通信息与安全,2010,28(6):97.

作者:高爱君 单位:南通中远海运船务工程有限公司

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