船舶动力系统现状与发展趋势
一、船舶动力系统种类及产业格局
由船舶主机（柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等） 、传动系统（轴系、齿轮箱、联轴节、离合器等）和推进器（螺旋桨、全向推进器、侧向推进器等）组成的船舶动力系统，是船舶上最主要和最重要的设备，平均来说，其价值约占全船设备总成本的35%，约占总船价的20%。目前，世界上各类船舶的动力系统主要有以下四种推进方式：①蒸汽轮机推进系统—取代往复式蒸汽机，又被柴油机所取代，目前主要在LNG（液化天然气 ）船和核动力军船上应用，蒸汽轮机的技术发展趋势是：不断增强可靠性、机动性，提高操纵性，简化设备。②柴油机推进系统—全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机，成为最主要的船舶动力，目前在各型船舶上应用，作为柴油机推进系统的主要设备。③燃气轮机推进系统—上世纪50 年代开始在商船上作为主机， 但从未得到大规模应用，目前主要在军船上使用， 作为燃气轮机推进系统的主要设备。④电力推进系统—上世纪90年代开始在船舶领域应用，目前除在军船上应用外，还在小型商船上应用，目前采用电力推进的船舶比例还较小。 目前，船舶动力系统的研发、设计，仍然是欧洲、美国、日本等国家或地区居领先和垄断地位，并且，蒸汽轮机及锅炉、燃气轮机、电力推进装置的制造也分别由这些国家的企业掌控。而占船舶动力系统最大比例的柴油机推进系统的制造已基本转移至韩、日、中三国。 二、推广应用船舶新能源动力系统的意义
目前，在船舶动力装置中，95%以上为柴油机动力装置，而船舶柴油机在节能、环保方面的主要缺陷如下： （l）燃用不可再生能源柴油或重油。在石油资源日见枯竭的情况下，需要寻找替代能源，最好是可再生能源； （2）尽管航运界对船舶柴油机的废气排放控制的十分严格，性能良好的柴油机对大气的污染较小，但毕竟存在着大量的老旧柴油机，其排放性能逐渐恶化；尤其是小型的内河船舶柴油机，基于各方面的因素，如维护费用、维护水平等的不足，其对大气的污染更加严重； （3）柴油机的自身结构和工作原理决定了其振动、噪音问题很难解决，这严重影响着船员的工作质量和生活水平。特别是很多小型的内河船舶，由于船体较小，且没有集控室，轮机人员长期暴露于高噪音之下，听力会严重受损。 针对船舶柴油机在能源类型、排放、振动和噪音等方面的不足，国内外研究人员都在进行柴油替代能源或新型船舶动力装置的研究。 从我国能源消费结构的角度来说， “十二五”规划将在《能源发展“十一五”规划》基础上进一步增加天然气、核电、水电和其他可再生能源的比重，因此，推广应用船舶新能源动力系统具有重要意义。 三、船舶新能源动力系统的应用现状及发展趋势
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。 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 SkySails）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日成功完成了他的处女航。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的推广应用。 2．太阳能在船舶上的应用现状及发展趋势 发展太阳能动力船舶，尤其是大型太阳能动力船舶，目前主要有以下几项关键技术有待于研
究、解决、改进与完善：①太阳能动力船舶船体平台的研究属于舰船总体技术，包括适用的船舶类型分析论证、船型方案论证设计及其水动力性能研究，太阳能动力系统的布置等。②高效率的太阳能光伏装置的研制。太阳能的能量密度不高，太阳能光伏装置的能量转换效率对发展太阳能船舶至关重要。③大容量高输出功率的储能装置要实现大型船舶全天候太阳能动力航行仅提高太阳能光伏装置的效率还不够，储能装置的应用也是非常关键的技术。④（氢）燃料电池是太阳能动力船舶最有前途的储能装置。⑤太阳能制氢与储氢技术的研发氢燃料电池是以氢为燃料、氧为氧化剂，通过化学反应而产生电流的储能装置。 由于上述关键技术短期内难以突破，大规模推广应用也不现实。 3．民用核动力船舶的应用现状及发展趋势 由于核动力装置的特殊性，其整个系统的构建和设备的配套均有别于常规动力船舶，相应的在船舶设计、建造、适航乃至最终验收交船等一系列环节都会有更高的技术要求。一般不适于民用船舶上推广应用。
4．燃料电池船舶的应用现状及发展趋势
目前的燃料电池与相同功率的船用柴油发电机组在性能上完全具备了可比性，在功率比、环保等一些性能指标还有明显的优势。不过现阶段燃料电池装置仍处于研制阶段，产业化的程度很低，所以一套燃料电池装置的成本还很高，往往只能应用在少数高附加值的舰船上。同时，它还存在不少需要继续解决的问题，如减少损耗，提高效率，提高材质，改善工艺，提高稳定性，降低成本，改善电能质量等，短期内在船舶上大规模推广还不现实。 5．生物质能船舶的应用现状及发展趋势
当前生物柴油主要应用于车用小型柴油机上，生物柴油的热值比柴油低10左右，但其密度比柴油高；含氧燃料，着火后的自供氧效应，使燃烧速度高于柴油。且大多数有关生物柴油在发动机上的应用研究的前提就是对发动机不作任何改动，以掺混一定比例的生物柴油来研究发动机的燃烧排放动力性能。但是一方面生物柴油掺混比例还很有限，另一方面，生物柴油有和人类抢粮食之嫌。所以，也很难大规模在船舶大型柴油机上推广应用。 6．LPG燃料船舶的应用现状及发展趋势
早期的车用LPG动力装置基本都是从汽油机改造而来，也就是我们常说的“油改气” 。在我国内河（湖） ，如广西桂林漓江、 广东肇庆星湖以及北京的多处旅游区， 已有LPG （液 化石油气）动力装置船舶投入使用。在船舶领域，应用LPG动力装置的理念产生于对汽车行业的借鉴。2002年，国家经贸委推出了多项车用代用燃料技术标准，大力倡导汽车业采用新型能源；此后，燃气汽车在我国很多城市得到了飞速发展。 参照汽车“油改气”的成熟经验，2000 年左右，内河小型船舶也开始尝试进行柴油机“油改气” ，就是对船用柴油机改用LPG（液化石油气）为燃料。目前国内在桂林的漓江、北京的昆玉河、长春的净月潭和南湖公园等地船舶上都得到了应用。据有关资料统计，在船舶柴油机“油改气”后，船舶性能大为改善，节能（可节省燃料费用15%左右） 、环保（碳烟降低95%以上、碳氮化合物降低30%、碳氧化合物降低35%） 、噪音小（减少乐8分贝） 、安全性也能得到保障（配有可燃气体报警器与机舱通风系统） ， 具有既经济又环保的特点。 7．LNG燃料船舶的应用现状及发展趋势
与压缩天然气相比， 液化天然气用于车/船的主要优势在于：储能密度大，是CNG（压缩天然气）的3倍；气瓶占用空间小，也更轻，匹配设计更方便；存储压力低、液态形式，更安全，充加速度快；甲烷含量高，更纯净，低碳排放更好、无碳烟和SOx排放， 有利于发动机可靠性， 热值和辛烷值高，
燃烧柔和，噪声和振动小；低温特性，发动机充气效率高，冷能可在冷藏车或船舶上利用；液态储运，无需专用管道，中短期投资成本低、管理和维护简单；加气站投入少，投资成本较CNG低， 能耗和噪音也较CNG低， 运行费用较CNG低约50%；为未来液氢燃料应用
奠定基础。 另一方面，我国已建成和正在建设的天然气液化工厂有40余座， 液化能力约500万t/年 （70亿m3/年） 。 进口LNG（液化天然气）方面，国内中石油、中石化、中海油等石油公司已与国外签订了长期的天然气进口协议，在建和拟建的进口LNG接收站有大鹏、莆田、洋山港、上海五号沟、珠海、揭阳、深圳、宁波、江苏如东、曹妃甸、大连、青岛等12
个，其中已投产的大鹏、莆田和上海LNG进口接收站总规模超过900万t/年，全部投产后的接收规模将达到5,000万t/年（约700亿m3/年） 。2009年我国LNG的年消费量为700万~800万t， “十二五”期间我国天然气消费比重将由4%提高的8%， 如果LNG同比增加， 则到2015年我国LNG消耗量有望达到2,000万t。 目前，国内外已逐步重视LNG做为船用燃料的发展。法国船级社认为：“天然气动力推进系统将成为今后绿色航运的主要贡献因素之一”。挪威船级社也公开表示：“全球航运界到2030年有潜力实现减排30%，这其中最有效的措施就是使用LNG作为燃料”。 8．其他新能源船舶的应用现状及发展趋势 浙江大学提出了便携式船用发电机的设计思想，为海流能利用装置的小型化及民用化提供了理论依据。山东菏泽张庆忠申请了一种趸船水轮机发电设备的专利，该趸船水轮机发电设备利用江河自由水的落差，把水能转换为机械能，再把机械能转换为发电、抽水或其他能，具有适用范围广、能耗小的优点。