新能源在船舶上的应用研究现状及展望

颉翔宇 周利坤 童俊骞 王 艳

（武警后勤学院 后勤保障系 天津300309）

0 引 言

节能、绿色、环保是未来船舶行业的必然趋势，随着化石燃料的弊端日益凸显和国际海事组织（IMO）的减排政策陆续出台，新能源船舶的概念应运而生。《中国制造2025》将研发高技术的新能源船舶列为未来重点发展领域之一，要让我国的船舶行业在产业转型中占据时代潮头，应加大对新能源船舶的重视程度。本文梳理了常见新能源在船舶上的应用现状，对比总结当前新能源船舶的优缺点，并展望其发展方向，以便人们对新能源船舶有一个宏观的总体认识。

1 新能源在船舶上的应用

1.1 风能的应用

风能在船舶上的应用形式主要有风帆助航和风能发电。风帆助航是将风力作为船舶的主动力或辅助动力来推动船舶前进。我国在商朝时期就已经有了风帆船，此后风帆船在国内外都获得极为广泛的应用，成为大航海时期人类越过海洋探索新大陆的重要利器。近代以来，随着内燃机的发明，风帆驱动的船舶因动力差、速度慢而逐步被行业淘汰。

风能发电则是依靠风力带动风力机运转使其将风能转化为电能的技术。由于技术成本高、需求空间大等特点，不适宜在船舶上应用，因此未能大范围推广。

1.2 太阳能的应用

太阳能的应用主要分为光伏发电技术和光热发电技术。光伏发电原理是半导体受到光照时，PN结产生光伏效应，使内部电荷分布发生改变，产生电势差形成电动势和电流，其有能源充足、转换品质好和技术难度低等优点。光伏发电在船舶上的应用起步较晚，特别是关于船舶电网光伏系统设计、船舶电力离并网匹配等关键技术尚待突破。

光热发电是利用太阳热能将水加热成水蒸气进而驱动发电机工作的发电方式。由于技术所需设备较多，在船舱空间难以实现，所以其应用局限性较大。

1.3 新型动力电池的应用

新型动力电池主要有锂电池系统和燃料电池系统两大类型。锂电池系统是将锂离子电池通过串联、并联等方式组成大型电池阵列以提供全船动力。燃料电池系统是通过燃烧含氢燃料（如甲烷、乙醇等）使其中的化学能转换为电能，其高效率、零污染和零排放等特点被誉为最理想的清洁能源。

近年来，中国研发的能量密度高、电池容量大以及循环次数多的锂电池在电动汽车行业获得极为广泛的应用。2017年全球十大电池企业中，中国公司共占7席，相信未来中国将引领世界电池领域发展。

常用的燃料电池主要有质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC），其在电动汽车和发电系统上具有很大的商业化潜力。

PEMFC的技术瓶颈主要集中于贵金属催化剂和纯氢燃料两个领域，目前正在改良催化剂结构或采用新的材料以提高能量转化效率。

SOFC没有很大的技术短板，目前亟待解决的是材料热膨胀匹配性问题，通过对材料结构的改良，预期未来将广泛应用于商用领域。

1.4 核能的应用

核能发电是利用核燃料进行裂变或聚变反应，产生大量热量将水加热成高温高压的水蒸气进而驱动发动机工作。核燃料中蕴含着巨大的能量，同单位核反应释放能量是化石燃料（煤）释放能量的30万倍，适用于制造动力需求强劲的船舶。

此外，核燃料反应时占据空间相对较小，其在潜艇和深海探测器上的应用十分广泛。

1.5 波浪能的应用

波浪能是储量极为丰富的一种海洋能，我国近海海域波浪能的蕴含量可达1.5亿kW，对船舶而言有得天独厚的应用优势。目前，波浪能的应用主要是将波浪产生的动能转换为机械能或电能，并广泛应用于大型无动力海洋平台。

波浪能在船舶上应用有多方面限制：

（1）波浪能虽储量丰富，但能量密度低，且能量转换设备庞大，不适合应用在航行船舶上。

（2）波浪能利用装置要通过与水面的接触才能转换能量，无疑增加了船舶航行的阻力。

（3）波浪能装置会对船体本身的承重性和稳定性产生影响，其安全因素需要进一步考量。

因此，航行船舶上不适宜直接应用波浪能作为航行动力。

2 国内外船舶新能源的研究发展现状

2.1 风 能

日本在20世纪80年代建造出世界上第一艘现代化风帆助推船新爱德丸号（图1）。该船使用钢骨架和聚酯纤维制成的硬质风帆，并通过“帆-机结合”使其无需人力就可以根据风速和风向等参数自动调节风帆。

图1 新爱德丸号

法国在1985年研制出一种可以自适应风向的抽气式涡轮帆，并装配于翠鸟号，升力系数达到6.0。不仅大幅度提升了船速，节能效果也有所改善。抽气式涡轮帆结构图（图2）。

图2 抽气式涡轮帆结构图

德国在2007年制造出全球第一艘用巨型风筝拉动的货轮白鲸天帆号（图3）。该船利用冲压式伞翼的原理，把悬在货轮上方的巨型风筝作为船舶的辅助动力，风筝与船舶的连接处安装电子控制器和机械驱动元件，用于检测和控制风筝的飞行轨迹。

图3 白鲸天帆号

瑞士维京邮轮在2018年4月公布旗下的Viking Grace号客运船使用转筒风帆作为动力， 成为全球第一艘采用此技术的客船（图4）。8月，丹麦马士基集团宣布在其LR2型油轮上安装2个高30 m、直径5 m的转筒风帆， 此为迄今为止最大的转筒风帆（见下页图5）。

图4 Viking Grace号

图5 马士基LR2型油轮

我国的风帆助推技术起步于20世纪80年代。1985年，武汉水运工程学院（现为武汉理工大学）和南京航运公司联合研发出一种小型风帆助推货船，其节能效果达到50%以上。

1996年，中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）和711研究所联合宁波海运公司研发了1艘基于风帆助推的多功能集装箱船，命名为明州22号，见图6。明州22号首航于日本，风帆为钢制圆弧形帆翼，采用计算机-液压控制系统，全折至全张时间仅需1～2 min，设计航速可达11.5 kn，能够运输146个标准集装箱。

图6 “明州”系列散货船

2008年，上海海事大学实现远洋船风帆助推技术的重大突破，取得百叶风帆等新型风帆的专利授权，并研发出基于百叶帆型的现代大型远洋帆船动力助推系统，其结构图见图7。

图7 百叶风帆结构图

2018年11月13日，由大连船舶重工集团有限公司（以下称大船集团）为招商轮船建造的全球首艘安装风帆装置的30.8万吨级超大型原油船（VLCC）New Vitality（凯力）号交付，如图8所示。该船的成功交付标志着由大船集团牵头的国内研发团队成功掌握了翼型风帆研发、设计、制造与应用关键技术，高质量完成了风帆在VLCC上的工程化应用。

图8 大船集团风帆（VLCC）New Vitality（凯力）号

该船由一对翼型风帆作为推进动力，单个风帆由回转机构、桅杆和帆翼等部分组成，高39.68 m、宽14.8 m、回转底座最大外径5.3 m、底座中间圆筒直径4.5 m。相关海试数据分析结果显示，凱力号搭载的翼型风帆符合设计预期，节能效果显著。

2.2 太阳能

在国外，1985年，日本松下电器在太平洋上成功试航了一种太阳能小艇。

2000年，世界上第一艘“太阳能+风能”混合动力客船Bay Tri号在澳大利亚成功研发，如图9所示。

图9 Bay Tri号

该船既可以单独使用太阳能或风能航行，也可以同时利用双动力航行，同时船上还配备有罗经、GPS、液压自动化操舵等现代化航海仪器与设备，设计航速最高达11 kn。

2010年，由德国制造、于瑞士注册的世界上最大的全太阳能船图兰星球太阳号开始了环球航行，如图10所示。这艘太阳能巨轮的船身长31 m，可容纳40名乘客。船上太阳能板的总面积约为536 m，配备6个巨型锂电池，可产生90 kW的推进力，为船体两侧安装的4个与螺旋桨相连的电动马达提供动力。

图10 图兰星球太阳号

2012年，由日本三洋电机组与三菱重工合作研发的汽车运输船Emerald Ace号正式投入使用。该船的特点是使用一套160 kW（768块光伏电池组件）的太阳能光伏系统和324 480块锂电池组成的储能系统，是目前世界上功率较大、电池容量较高的太阳能电动船。

在国内，2010年世博会前夕，上海世博园企业联合馆与上海国盛集团共同发表声明，中国第一艘太阳能电动船尚德国盛号将于世博会首航，同时被指定为博览会专用船。

2013年，武汉理工大学设计一套基于船舶的太阳能光伏系统，并于2014年在汽车运输船中远腾飞号上完成实船安装。

近年来，我国实现了太阳能光伏系统研究的全面突破，目前已形成具有自主知识产权的光伏系统总成和相关配套系统。根据《世界前沿技术发展报告2020》的预测，2021年是太阳能光伏技术的黄金发展期。因此，我国应紧抓市场需求，加大太阳能船舶的推广力度。

2.3 新型动力电池

在国外，日本和欧盟的船舶动力电池推进技术处于世界领先地位，且已完成实船试验，正在全面推广阶段。以动力电池类型划分，船舶电力推进主要分为锂电池推进和燃料电池推进两大类型。国外电力推进示范项目见表1。

表1 国外电力推进船舶示范项目

在国内，纯电动船舶的市场份额逐年上升，混合动力船舶仍是市场主力。2017年1月，“浙湖州货1625”交付，供能装置由原来的柴油机模组改为锂电池+超级电容模组。

2017年5月，浙渔科2号科考船交付，这艘船是柴电混合动力船舶，可根据任务航程不同切换3种推进模式，最大航速13.6 kn。

2019年1月，采用锂电池+超级电容为动力的纯电动自卸船河豚号如期交付，载重2 000 t，采用160 kW双推进器推动，排放标准满足中国船级社（CCS）制定的《内河绿色船舶规范》。

2019年11月，中国第一艘大型纯电动商旅客船君旅号从武汉关码头缓缓驶出，见图11。该船采用亿纬锂能配套的磷酸铁锂电池，相比同尺度燃油动力船舶，每年可省燃油近百吨。在岸基快充技术加持下，晚上充电4～5 h就可以满足白天8 h的续航需求，同时行驶过程中全船平均噪声预估值为54 dB，达到内河绿色船舶3级。君旅号的投入使用标志我国掌握了建造纯电动船舶的关键技术，随着相关技术设备的不断改良升级，船舶性能将得到进一步提升。

图11 君旅号

2021年1月，大连海事大学新能源船舶动力技术研究院牵头建造的中国第一艘燃料电池游艇蠡湖号通过试航，如图12所示。该燃料电池游艇船长13.9 m，采用70 kW的燃料电池及86 kW·h的锂离子电池组成混合动力，设计船速18 km/h、续航180 km、可载乘员10人。该船是我国首次将两种新型动力电池同时作为船舶动力的应用实例，改变了常用的“柴油机/燃气轮机+电池”的混动模式，给未来船舶动力电池混动方案提供了工程化案例。

图12 蠡湖号

近期来看，技术难度较低、产业链相对成熟的混合动力船舶或锂电池船舶，比燃料电池船舶更容易在国内推广；中长期来看，燃料电池应用优势更加明显。中国科学院上海硅酸盐研究所研制的硅酸盐燃料电池由于发电效率高、功率密度大且循环寿命长，未来将有极大的市场空间。

2.4 核 能

1955年，世界第一艘核动力潜艇鹦鹉螺号正式在美国海军服役；1957年，苏联制造出第一艘核动力破冰船列宁号；随后，英国和中国都相继掌握了核动力潜艇的制造技术。

目前，俄罗斯拥有世界上最大的核动力破冰船Arktika号，美国拥有10艘核动力航空母舰，法国也拥有核动力航空母舰，但其核动力装置属于潜艇核动力装置，非舰用核动力装置，存在设计缺陷。

近年来，我国对核动力船舶的研究程度愈发成熟。2018年，我国攻克舰用核反应堆关键技术，首艘核动力破冰船开始建造。该船的满载排水量将超过30 000 t，主要在北极地区执行科考任务。

由于经济效益较低而管理成本过高，核动力船商用化发展一直较为缓慢。目前只有极个别国家具备核动力客商船的研发能力，多用于实验、科考等特种工况。

2.5 波浪能

1977年，日本研发出波浪能发电船海明号，年发电量可达19万kW·h，并于20年后研发出其改良版巨鲸号，发电量进一步提升。

1999年，瑞典制造出漂浮式波浪能发电船，该船利用海浪起伏不定的特点，通过船体质心的改变驱动液压系统实现发电机发电。整船发电系统设计巧妙，能达到绝大多数海况等级的要求。

2011年，美国波士顿大学制造出一种具有自返能力的波浪能发电船。该船可实时测量船舶航行环境参数，当参数评定达到恶劣海况标准时，该船可自动返回港口进行躲避，并通过锚泊将波浪能转换成电能储存。

我国对波浪能发电船的研究虽起步较晚，但硕果累累。1975年，浙江嵊泗列岛首先试用了一种功率可达1 kW的波浪能发电浮标；1990年，借鉴日本波浪能发电专家益田善雄的构想，我国成功制造出一种振荡水柱式的波浪能发电导航船中水道1号；2020年，我国鹰式波浪能发电装置万山号投入使用，如图13所示。

图13 万山号鹰式波浪能发电装置

为解决波浪能在船舶上的应用难题，国内外专家提供了一些有用的设计方案，但多数适用于固定船舶，无法直接应用于航行船舶，一定程度上限制了波浪能在船舶上的推广应用。

3 新能源船舶的应用探析

3.1 新能源船舶的比较分析

目前，新能源在船舶上的应用形式十分繁多。国内应用较多的是锂电池船、燃料电池船、太阳能推进船和柴油（天然气）混动船等。未来将在能源利用效率、供电设备布局、设备可靠性和综合能源管理系统等方面向多能源形式综合利用的方向发展。几种新能源船的优缺点比较见表2。

表2 几种新能源船的优缺点比较

3.2 新能源船舶的技术短板

（1）储能技术劣势明显

新能源供能是将其他形式能源转化为储能装置中贮存的能量，再向全船设备进行供能。因此，国内外一直致力于研发能量密度高、循环次数多、安全性优且续航时间长的高性能储能系统。

我国现阶段正面临储能行业成本高、经济性差和融资困难等问题，前期研发力度不足导致难以通过技术革新带动后期生产成本大幅下降，要想新能源成为中国的标志性产业，储能行业还有很长的路要走。

（2）能量转换效率不高

新能源船舶融合多种能源于一体，如何根据船舶航行的实际情况，通过信息感知和智能算法，对不同形式的能源转化、储存、供给和回收等工序进行合理调度，是提高能源利用效率的一大难点。因此，研发基于多种能源形式的能量管理系统成为领域内的焦点课题。

目前，国内外关于能量管理系统的研究正处在关键技术突破阶段，待其实装完成后，可大幅提高新能源船舶的能源利用效率，提升产品整体的可靠性和安全性，更容易获得市场的青睐。

（3）整体布局有待优化

传统动力船舶的动力设备占用空间集中，机组尺寸形状大，往往只能设置于船舱底部，导致其不利于与氧气混合，增加了排气系统阻力。新能源船舶可通过多电堆串并联的方式实现大功率输出；采用分布式布置，灵活多变、节约空间、动力传导损耗小。当前，国内新能源船舶的市场需求持续升温，但应用实例还需要通过工况和时间进一步检验其设计可靠性，这对大批量制造新能源船舶产生了一定阻碍。

3.3 新能源船舶发展方向

（1）发展船舶智能技术

新能源技术与智能技术的融合是未来船舶发展的必然趋势。船舶通过搭载基于“5G+”、大数据、云计算等技术的信息系统，可对航行时的各项参数进行收集、分析和预测，进而对数字化减排、航速优化、电力调控等系统提供数据参考，以提高船舶的整体效能。

经实践检验，新型动力电池船舶搭载智能技术的可靠性较高，是未来发展智能化船舶的主阵地。

（2）设计能量管理系统

能量管理系统（Power Management System ， PMS）是船舶基于航道通航环境、水文条件、气象条件和设备动力等综合情况分析而对全船电能统一调度、管理和控制的新型系统。

未来新能源船将会实现多能源综合应用的发展模式，精准调度以实现能量的优化配置显得十分重要。因此，针对船舶能量调度问题，建议加大船舶能量管理系统、智能算法决策系统、电池管理系统、航行仿真模拟系统等高技术系统研究力度，继而实现船舶能量精准调度。

（3）合理规划船舶空间

传统动力船舶均配备主辅机供给全船用电，空间占用大、机器笨重且维修难度高。新能源船舶可将传统动力设备替代为能源转换和储能设备，由电池直接驱动电机转动，减少中间环节的能量损耗。

由于新能源船舶的空间要求较多，因此特别需要重新设计船舱设备总体布局，以提高空间利用率，使其能搭载更多先进设备，同时为船舶未来升级换代预置空间。

4 结 语

未来新能源船舶动力将从当前柴油发电机主导地位向动力电池、波浪能、生物质能和太阳能-风能综合利用等多能源一体化模式发展，集绿色节能、智能互联和全生命周期三位一体的现代化船舶将成为市场的主流。

未来新能源船舶的应用研究可能有以下3个阶段：

（1）3～5年内重点突破船舶混合动力领域及能量管理系统研究。

（2）8～10年内重点发展燃料电池船舶商用化及核心系统自主研发。

（3）15～20年内重点加强自主电动船舶国际化推广应用，建立国际通用的新能源船舶规范化指标。