船舶清洁能源利用与航线优化的协同性

张 彦， 黄靖晨， 李慧媛

(1.武汉理工大学 a.能源与动力工程学院；b.自动化学院，武汉 430070；2.船舶动力工程技术交通行业重点试验室，武汉 430063；3.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

船舶清洁能源利用与航线优化的协同性

张 彦1a,2,3， 黄靖晨1a， 李慧媛1b

(1.武汉理工大学 a.能源与动力工程学院；b.自动化学院，武汉 430070；2.船舶动力工程技术交通行业重点试验室，武汉 430063；3.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

应用清洁能源已成为未来船舶发展的方向，但太阳能、风能等清洁能源的实际效率很大程度上受海洋环境的影响。由于船舶在航行过程中所面临的海洋环境与实际航线密切相关，研究船舶清洁能源利用与航线之间的协同性能有效提高能源利用效率。根据航线信息，给出评价在某航线上运营的船舶使用清洁能源的经济性的方法，并以太阳能船舶为例提出一种适用于使用清洁能源船舶的航线优化方法。

航线优化；船舶；清洁能源；经济性评价；能效提升

随着世界进入海洋大发展时期，海洋资源开发和海洋能源利用受到各国的高度重视。[1]然而，作为海洋发展的重要载体和重要组成部分，航运业正面临燃油成本不断升高、环保法规日趋严格的双重压力。因此，在节能减排要求日趋严格的巨大压力下，绿色船舶成为未来船舶发展的方向。[2]在诸多绿色船舶技术中，风能、太阳能和液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)等清洁能源的使用最具发展前景。[3]

国内外关于清洁能源在船舶上应用的研究实例[4]有许多，例如由美国设计、法国建造的世界上最大的风帆客船之一“Windstar”号、世界上最大的采用光伏离并网技术的太阳能船舶“中远腾飞”号及国内第一艘内河LNG船“武轮302”号等。目前已有研究[5-7]主要集中在海洋环境下船舶清洁能源利用的可行性及具体形式，相关系统的组成、可靠性及控制等方面，在提高清洁能源系统使用效率方面侧重于从系统自身出发降低能源转换消耗和系统损失。但实际上，对于风帆、太阳能光伏系统，其运行效能很大程度上受制于航行过程中风速、辐照强度等海洋环境的具体情况，而这又与船舶航线息息相关。因此，研究船舶清洁能源利用与船舶航线之间的关系对于基于经济性评价来合理选择清洁能源并提高其使用效率而言，具有积极的促进作用。对此，根据航线信息给出评价在某航线上运营的船舶使用清洁能源的经济性的方法，并通过航线优化给出一种提升能源利用效率的具体方式。

1 船舶清洁能源利用与航线的协同关系

1.1 船舶清洁能源的利用及其特点

依据清洁能源利用装置能否快速响应负载，将清洁能源分为可控能源和不可控能源2类，其中不可控能源的出力情况受环境的影响明显。清洁能源主要为不可控能源，包括风能、太阳能等；影响能源出力情况的环境主要指海洋气象环境。

1)风能是可再生清洁能源，主要源于太阳辐射热引起的大气对流。当前，风能在船舶上利用的模式有风帆助航和风力发电2种，其中，风帆助航的应用较为广泛，风力发电只在趸船等少数船舶上应用。

2)太阳能源于太阳内部的核聚变反应，其在船舶上的应用主要有光热技术和光伏技术2种形式，其中：光热技术是指利用太阳光的热辐射，包括热能直接利用和热发电2种具体应用方式；光伏技术是指基于光生伏打效应，直接将太阳辐射能转换为电能利用。由于太阳能光伏发电技术已逐渐成熟，能有效降低成本、提升可靠性和使用效率，因此其在船舶上的应用越来越普遍。[8]

无论是太阳能还是风能，其在不同海域环境下的分布是不同的，从而造成能源出力情况不同。

1.2 清洁能源利用与航线的协同关系

海洋气象环境信息通常包含2个层面，即：根据多年的数据统计得出的气候数据，具有平均性和规律性；根据气象预报技术得出的气象数据，具有实时性和动态性。由此产生气候航线和气象航线。

气候航线是以气候资料为基础，在气候资料统计、航海经验和各大洋季节特征的基础上制订的。根据气候航线的特点，其可为在某航线上运营的船舶使用清洁能源的经济性评价提供数据，进而作为特定船舶选择清洁能源种类及利用形式的参考依据。同时，由于气候资料中仅给出某一海域的天气和海况的平均状况，在气候航线上航行的船舶所遇到的实际天气和海况往往与此有差别，而根据最新的天气和海况资料进行的气象导航则能较为准确地了解到实时的天气情况。因此，通过对气象航线进行优化来修正原有航线，即可提高某一具体航次船舶清洁能源的使用效率。[9-10]

这里认为清洁能源利用与航线的协同关系应包括以下2个层面：

1)船舶使用清洁能源的经济性评价应基于气候航线；

2)在具体航行时,应充分考虑气象航线，通过航线优化提高船舶清洁能源的使用效率。

2 船舶清洁能源的经济性评价

2.1 评价方法的定义

受燃油成本不断上升、排放法规日趋严格等现实因素影响，在船舶上使用清洁能源是必然趋势。但是，由于不同的清洁能源有着不同的特点，使得其在不同船舶上应用呈现出不同程度的适应性。在实际工程应用中，需依据对应的参考指标在目标船舶上选择清洁能源的种类及具体利用模式，其中最主要的就是可靠性和经济性。然而，随着清洁能源技术在实船上应用的案例逐渐增多、相关技术逐渐成熟，经济性成为清洁能源技术大范围推广的重要影响因素。合理评价在某航线上运营的船舶使用清洁能源的经济性，可有效规避潜在的投资风险。

对于清洁能源在船舶上应用的经济性评价，这里认为是指利用投资收益比来评价在有效使用寿命周期内利用清洁能源是否有价值。

2.2 评价函数

若要对清洁能源在船舶上应用的经济性进行正确评价，就要全面了解应用过程中涉及到的总成本、收益及净现金流。结合当前船舶主要以燃油为能量来源的现状，以清洁能源利用系统为研究对象，得出通用性的评价函数，具体如下。

2.2.1清洁能源利用系统节能功率

对于不可控清洁能源，其利用装置的出力情况与环境清洁能源实际供能大小密切相关，因此利用式(1)计算实际输出功率。

Pk=E0βwθd

(1)

式(1)中：Pk为清洁能源利用系统实际输出功率，kW；E0为清洁能源利用系统峰值功率，kW；βw为环境影响因数；θd为系统自身及其他影响因数。

清洁能源利用系统提供的能量实际上是用来减少船舶燃油消耗量的，因此系统的实际输出功率Pk可认为是节能功率。

Pper=∑(Pktk)

(2)

式(2)中：Pper为清洁能源利用系统第t年的输出能量，kW·h/a；tk为Pk对应的系统运行时间，h/a。

(3)

式(3)中：Qper为第t年的燃油节省量，t/a；εper为燃油的燃烧值，kW·h/t；θp为由于柴油机供油减少使得燃烧效率改变而对εper的修正系数。

CFUEL，t=QperCper

(4)

式(4)中：CFUEL，t为第t年的燃油节省费用，元/a；Cper为燃油消耗成本，元/t。

2.2.2经济性评价函数

综合考虑投资成本、燃油节省费用和净现金流，得到船用清洁能源的经济性评价函数[11]为

CO&M,t)(1+r)T-t]-Cinvestment(1+r)T

(5)

式(5)中：CNP,t为到T年系统的净收益，元；CO&M,t为第t年中系统运行管理、维护等产生的费用，元/a；Cinvestment为系统的总投资成本，元；r为贴现率(在小风险资本市场投资所能获得的回报率，一般取3.5%)；Cf为由于环保法规等造成的节省费用，元。

由式(5)可知，当CNP,t=0时，T为投资回收期。只有当投资回收期小于系统使用寿命时才具有经济价值，且差值越大越好。同时,随着燃油价格不断增长、环保法规日趋严格，在船舶上使用清洁能源的价值越来越大。

2.3 经济性评价函数与气候航线的关系

经济性评价函数涉及多个变量，但在当前这一特定时期，燃油价格、环保法规和贴现率等不会有特别大幅度的变化，对于某一特定船舶，Qper成为非常重要的影响因素，而其中βw是相对变化范围较大的部分，且与航线有关。βw是环境影响系数，实际上就是可利用的清洁能源的量。对某一船舶进行经济性评价，需将其放在一个相对较长的时间段内，利用统计值进行计算，而这需借助气候航线的相关数据。

例如光伏系统在船舶上的使用，对于主要航行于低纬度太平洋地区的船舶和主要航行于高纬度大西洋地区甚至是东北航道的船舶，发光效率存在很大的区别，直接影响到光伏系统的经济效益。采用经济性评价函数可很方便地评价出长期航行于某一航线的船舶利用某清洁能源的经济性，从而确定使用价值。

3 清洁能源船舶航线优化方法

3.1 航线优化目标函数的建立

通过航线优化提高某一具体航次清洁能源的使用效率实际上就是采用气象导航技术确定最优航线，使节能减排效果最好。

气象导航实际上是一个多目标求解问题，确立目标函数十分关键，而对于装载有清洁能源的船舶，自然要将清洁能源的实际使用效果作为优化目标之一。

使用清洁能源不仅可降低燃油成本，还可减少排放，其在某一航次的出力越大越好。但是，作为航线优化设计的目标函数，除了考虑清洁能源的输出能量以外，还应减去航线延长所增加的主机油耗量，因此提出针对清洁能源船舶的节能评价函数，以此作为航线优化的目标函数，即

(6)

式(6)中：Qper1为某一航次使用清洁能源的等效燃油节省量，t；Qother为航线延长所增加的主机油耗量，t；Ci和Cj为燃油量与CO2量的转换系数；mcargo为船舶所载货物的质量或所作的功。

3.2 航线优化的一般方法

2个规定地点之间的参考航线通常有多条，航线优化是在考虑地域特征、海洋水文和气象条件等因素的基础上，完成航行安全、航时最省、人员舒适和货损最小的多目标优化选择。这里提出的清洁能源船舶航线优化的一般方法是在保证航行安全及其他因素在可接受范围内的基础上，基于清洁能源船舶的节能评价函数，从参考航线中选取节能减排效果最好的推荐航线。

3.3 太阳能船舶航线优化实例

以太阳能船舶从新加坡到悉尼的航线优化为例说明所提出的航线优化方法的应用。所选用的目标船舶为中远海运(集团)有限公司的一艘5 000车位滚装船，船上安装有峰值功率为143.1 kW的光伏阵列，主机功率为12 342 kW，航速为20 kn。

图1为基于BLM-Shipping得出的从新加坡到悉尼可供选择的2条航线，航线①的长度为4 275.15 n mile，航线②的长度为4 285.6 n mile。同时，以10°为单位划分经纬线，标注目标航期内的辐照强度。基于式(6)，可得出航线①的Weeoi=4.69 CO2/car，航线②的Weeoi= 0.12 CO2/car。

图1 基于BLM-Shipping得出的从新加坡到悉尼可供选择的航线

由结果可知,航线①更节能， 但必须意识到在基于清洁能源船舶的节能评价函数进行航线优化时，必须确定其与其他因素的权重。片面追求清洁能源出力大可能会使航行距离延长，这不仅会导致航运周期发生变化，而且从节能减排的角度看，主机等耗油设备由此带来的耗油增加也可能会超过使用清洁能源带来的价值。

4 结束语

利用清洁能源是船舶未来发展的方向。正是由于航线与清洁能源利用密切相关，研究二者之间的协同性至关重要。根据气候航线的数据评价特定船舶使用清洁能源的经济性,可有效规避潜在的投资风险，确定最佳的利用模式；同时，依据气象导航技术的航线优化可提高船用清洁能源的效率，进一步提升节能减排效果。但必须意识到,对于使用清洁能源的船舶来说，不能仅将清洁能源的实际使用效果作为优化目标之一，在考虑相关因素各自权重的基础上的多目标求解才是关键。

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[11] WENHAM S R, GREEN M A, WATT M E, et al. Applied Photovoltaics[M]. UK & USA: Earthscan, 2007:55-56.

SynergyofMarineCleanEnergywithRouteOptimization

ZHANGYan1a,2,3,HUANGJingchen1a,LIHuiyuan1b

(1a. School of Energy and Power Engineering; 1b. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology(Ministry of Transport), Wuhan 430063, China; 3. National Research Engineering Center for Water Transport Safety， Wuhan 430063, China)

The clean energy is walking into maritime industry. However, the actual efficacy of clean energy, such as wind or solar energy is dependent on marine environment which is mainly associated with the shipping sailing line. It is possible to gain tremendous benefit from the synergy of clean energy with route optimization. A method is proposed for evaluating the economy of using certain kind of clean energy for ships navigating in particular area, referencing the information relating to their voyage routes. A case of route optimization for a ship with solar energy is demonstrated.

route optimization; ship; clean energy; economical evaluation; energy efficiency improvement

2017-12-12

国家自然科学基金优秀青年基金(51422507)

张 彦(1989—)，男，浙江湖州人，实验师，博士生，研究方向为新能源系统可靠性与智能远程。E-mail:zhangyant1223@163.com

李慧媛(1988—)，女，湖北武汉人，讲师，研究方向为自动控制与参数辨识。E-mail: 372414291@qq.com

1000-4653(2018)01-0109-04

U674.925

A