淺談純電池推進(jìn)在珠江水域游船上的應(yīng)用

李科沛 姚富文 柳春曉 潘海優(yōu) 吳梓峰

摘? ? 要：隨著美麗中國建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，珠江游船開始向純電池動力方式轉(zhuǎn)型。本文主要描述純電池作為船舶動力方式在珠江水域游船中的應(yīng)用情況，并對電池選型、電池系統(tǒng)安全性進(jìn)行多方面的分析，為同行提供純電池推進(jìn)船舶設(shè)計思路，對珠江水域純電池動力船舶的應(yīng)用和發(fā)展具有一定的價值。

關(guān)鍵詞：純電池；珠江游船；磷酸鐵鋰電池

中圖分類號：U662.3? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of Pure Battery Propulsion in Tourist

Boat in the Pearl River Waters

LI Kepei1 ，? YAO Fuwen2，? LIU Chunxiao2，? PAN Haiyou1，? WU Zifeng1

（ 1.Guangdong Shipping Science Research Institute ，? Guangzhou 510050; 2. Foshan Branch of China Classification Society ，? Foshan 528000 ）

Abstract： With the steady progress of building a beautiful China in China， the Pearl River cruise ships began to transform to battery power. This paper mainly describes the application of pure battery as a ship power mode in cruise ships in the Pearl River waters， and analyzes the battery selection and battery system safety in many aspects， provides a design idea for pure battery ships for people of the same industry， and has certain value for the application and development of pure battery powered ships in the Pearl River waters.

Key words： pure battery;? pearl river tourist boat;? lithium iron phosphate battery

1? ? ?前言

眾所周知，石油是不可再生資源，目前世界石油儲量據(jù)估計為10 000億噸左右，一旦石油枯竭，將對生活產(chǎn)生巨大影響。隨著近些年新能源汽車的不斷推廣和使用，在同是交通工具的船舶上，如何利用新能源替代傳統(tǒng)能源，是未來船舶行業(yè)發(fā)展的首要課題。

隨著廣州旅游業(yè)的高速發(fā)展，珠江游這一極具羊城特色的文化品牌已成為廣州的特色旅游名片，近幾年珠江游旅客人數(shù)不斷增加，市場前景廣闊，根據(jù)目前各游船公司反饋的相關(guān)信息，珠江游運(yùn)力需求巨大，增加珠江游船運(yùn)力是一個極佳的市場切入點(diǎn)。

黨的二十大報告提到要推進(jìn)美麗中國建設(shè)，加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，推動交通運(yùn)輸、能源結(jié)構(gòu)向綠色化、低碳化轉(zhuǎn)型，倡導(dǎo)綠色的生活方式及生產(chǎn)方式。并提到要推動能源清潔低碳高效利用，推進(jìn)工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域清潔低碳轉(zhuǎn)型，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力。

2023年5月，廣東省交通運(yùn)輸廳印發(fā)《廣東省綠色港口行動計劃（2023-2025年）》，明確提出逐步推進(jìn)港作機(jī)械和車船油改氣、油改電或改氫能源等綠色能源，加快在港區(qū)規(guī)劃建設(shè)充電、加氣、加氫站，優(yōu)先在客運(yùn)港口配置公共充電設(shè)施[1]。

廣東省在新能源汽車領(lǐng)域開展了廣泛的節(jié)能減排工作，作為另一種交通方式的船舶，目前珠江游覽船主要采用傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)或柴油發(fā)電機(jī)交流電力推進(jìn)方式，航行時噪聲大、污油水排放量大、硫化物、氮氧化物和二氧化碳?xì)怏w等氮氧化物排放量高，對珠江兩岸景觀河道環(huán)境造成了污染，也影響了珠江兩岸市民的生活。采用純電池作為推進(jìn)動力的船舶，具有零排放、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到珠江流域?qū)⑹乖撍虻目諝馕廴?、水污染排放量大大降低，?shí)現(xiàn)珠江生態(tài)建設(shè)健康發(fā)展。

2? ? ?電池選型分析

船用電池早期主要以鉛酸蓄電池為主，由于鉛酸蓄電池循環(huán)充電次數(shù)少、能量密度低、單位質(zhì)量能量低、使用壽命低，很難在船舶中推廣使用。

目前在車用電池方面，主要有以下三種方式：鋰離子電池、燃料電池及超級電容。其中，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電動車行業(yè)，在未來一段時間都會占據(jù)主要市場地位。表1為三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)對比表。

在船舶領(lǐng)域，《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》（2014）及《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）公布后，已有數(shù)家動力鋰電池廠家及系統(tǒng)集成廠商取得了相關(guān)船舶產(chǎn)品認(rèn)可證書，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)通過在船舶上使用的條件及技術(shù)上的檢驗(yàn)，為純電池推進(jìn)船舶提供了可靠的動力保障。2019年中國海事局發(fā)布《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2019），明確了內(nèi)河船舶純電池相關(guān)設(shè)計及檢驗(yàn)的要求；同年CCS新發(fā)布《純電池動力船舶檢驗(yàn)指南》，明確了純電池船電池系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計指南；2022年中國海事局發(fā)布《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》修改通報，補(bǔ)充了海上船舶使用鋰離子蓄電池的要求，為海船、內(nèi)河船舶向純電池推進(jìn)方式發(fā)展提供了技術(shù)支持。由此可見，隨著鋰電技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)政策、法規(guī)、技術(shù)文件的不斷出臺與更新，純電池在珠江水域游船的應(yīng)用將會越來越廣泛。

3? ? ?純電池動力船型分析

目前珠江水域游船受河道寬度、水深、橋梁高度等影響，普遍船長在35～50 m、吃水不超過2.5 m、主甲板上設(shè)二層上建，船型主要為單體船、常規(guī)雙體船。

常規(guī)雙體船由左、右兩個片體以及中間的連接橋構(gòu)成，其特點(diǎn)是寬度較大，甲板以上空間較大，橫向穩(wěn)定性能好；雙體船因主甲板以下分左、右兩個片體，片體較窄，艙室較多，底艙空間較難布置，艙底、消防、通風(fēng)、透氣等系統(tǒng)均較單體船布置更復(fù)雜，且因電池組之間、電池組和片體外舷、內(nèi)舷均有最小距離的要求，使電池艙布置難度較大。

單體船特點(diǎn)是甲板以下艙室較寬，電池組、電柜、泵組機(jī)械件較好布置，底艙管路相對較少，但甲板面相對較窄，橫向穩(wěn)定性能相對較差。

我們設(shè)計的三艘純電池動力珠江游船，其中“金龍魚”號、“珠江王子”號為雙體船，“珠江公主”號為單體船； “金龍魚”號總長38 m、型寬12 m、型深3.2 m、設(shè)計吃水2.2 m；“珠江王子”號總長42.5 m、型寬12.5 m、型深3.3 m、設(shè)計吃水2.26 m；“珠江公主”號總長36 m、型寬8 m、型深3 m、設(shè)計吃水1.9 m。圖1～3分別為三艘船的外形圖。三艘純電池推進(jìn)珠江游船整體性能良好，全船振動、噪音較原有的柴油動力船有了極大的改善。

4? ? 純電池電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢

4.1? ?環(huán)保減排方面

使用純電池作為船舶動力，取消了柴油發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了廢水、廢氣零排放。以“珠江王子”號游船為例，其在最大航速10 kn下航行時間可達(dá)3 h，在經(jīng)濟(jì)航速7 kn下航行時間可達(dá)7 h，實(shí)現(xiàn)了零排放。參考同為40 m級的“穗港之星”號游船，其動力為柴油主機(jī)型，配置2臺237 kW主機(jī)用于推進(jìn)，最大航速為10 kn，2臺240 kW的柴油發(fā)電機(jī)組用于船上設(shè)備及生活用電，其中一臺使用一臺備用，按其實(shí)際運(yùn)營情況，每天經(jīng)濟(jì)航速7 kn運(yùn)營時間約6 h，其在經(jīng)濟(jì)航速7 kn時的主機(jī)功率約為90 kW，用于船上設(shè)備及生活用電的柴油發(fā)電機(jī)平均消耗功率約為200 kW，柴油機(jī)耗油量按0.2 L/kW.h計算，每天所需燃油約456 L，按每年運(yùn)行330天計算，每年消耗燃油約128 t，產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為409.6 t。

由此可見，珠江水域40 m級游船采用純電池作為動力，每年可減少約400 t的碳排放量，在環(huán)保減排方面起到了很好的示范作用。

4.2? ?運(yùn)營成本方面

參考 “穗港之星”號游船，其一年消耗柴油約128t柴油費(fèi)用約為921 600元。

按“珠江王子”號游船取與“穗港之星”號游船相同的船舶使用功率進(jìn)行分析，其每天使用推進(jìn)設(shè)備及發(fā)電設(shè)備總功率為 380 kW，運(yùn)營時間同樣按6 h計算，每天消耗電量為2 280 kWh，“珠江王子”號游船一般在晚上低谷時進(jìn)行錯峰充電，根據(jù)廣州市電價價目表，按全年工作330天測算，年動力成本僅為251678元，較“穗港之星”號游船每年節(jié)省動力成本約67萬元。

“珠江王子”號游船，其動力系統(tǒng)及電池成本約為1200萬元，比“穗港之星”號造價高約1200萬元，因廣東省政府對純電池動力船有50%的補(bǔ)貼政策，即采用純電池動力系統(tǒng)僅比采用柴油機(jī)動力系統(tǒng)只高約600萬元?？紤]電池組充放電循環(huán)次數(shù)為4 000次，按每天充電1次，電池正常使用可達(dá)10年以上，純電池船使用10年可節(jié)省動力成本約670萬元，即10年可將增加的動力系統(tǒng)成本回收。按電池組按每10年更換1次，更換電池組費(fèi)用約550萬元，更換電池組后使用10年節(jié)省的動力成本也可回收電池組更換成本。

由此可見，純電池動力游船雖然初始投入成本較傳統(tǒng)柴油機(jī)動力船要高，但后期可為船東大大節(jié)省運(yùn)營成本，所以總的來說純電池動力游船的投資及后期運(yùn)營成本與柴油機(jī)動力船相差并不大，且純電池動力船在晚上錯峰充電，對城市優(yōu)化電力配置也起到了重要的作用。

5? ? 純電池動力系統(tǒng)安全性分析

5.1? ?動力源失控對電池艙布置的影響

對于純電池動力船舶而言，動力電池作為全船唯一的動力源，一旦發(fā)生火災(zāi)或其他造成電池失控的緊急情況，船舶將失去動力，這對船舶的自救造成巨大的困難，同時在內(nèi)河中容易阻礙航道發(fā)生其它次生事故。為此，我們在設(shè)計時應(yīng)將電池進(jìn)行分艙處理，分為左、右舷兩個獨(dú)立電池艙，兩套推進(jìn)系統(tǒng)分別與同側(cè)的電池艙相連，船上動力系統(tǒng)采用獨(dú)立分區(qū)供電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一套推進(jìn)支路發(fā)生故障時，其余一套推進(jìn)支路仍可正常運(yùn)行。當(dāng)單個電池艙室發(fā)生意外事故切斷電源后，僅會使一套推進(jìn)設(shè)備失電，另一個電池艙仍可以為另一套推進(jìn)設(shè)備供電，為船舶避險或返航提供動力保證，同時配備24 V鉛酸蓄電池作為應(yīng)急電源。

5.2? ?浮態(tài)與穩(wěn)性對電池艙布置的影響

由于蓄電池組重量大、重心低，對穩(wěn)性有利，使船舶具有良好的浮態(tài)。在設(shè)計過程中，根據(jù)蓄電池組的布置、安裝檢修通道寬度、散熱空間裕度初步推算單個電池艙的艙長，同時初估船舶的重心位置以確定電池艙組的縱向位置，將電池艙設(shè)置于艙底，使整船重心盡可能降低，保證船舶具有良好的浮態(tài)和穩(wěn)性。

5.3? ?碰撞對電池艙布置的影響

碰撞是船舶航行及使用過程中較為常見的事故，船舶發(fā)生碰撞會造成船體變形或破損，并可能造成對電池的擠壓，甚至造成電池艙進(jìn)水，對電池單體及電池系統(tǒng)形成巨大的安全隱患。

在設(shè)計時電池艙底部應(yīng)設(shè)置雙層底，一方面雙層底結(jié)構(gòu)較強(qiáng)可以更好地支撐電池組框架，另一方面可減小船底進(jìn)水的影響；電池艙縱向布置應(yīng)在首、尾端防撞艙壁之內(nèi)，電池箱柜盡可能遠(yuǎn)離船舶舷側(cè)，以減少碰撞的影響。

5.4? ?消防需求對電池艙布置的影響

電池由于自身的特性，使電池艙具有較高的失火危險性。為降低其在發(fā)生火災(zāi)時造成的影響，內(nèi)河法規(guī)中要求電池艙內(nèi)部作全圍蔽A60防火分隔，與客艙分隔開；且有脫險通道直通開敞甲板，當(dāng)船舶電池艙內(nèi)出現(xiàn)險情時，能夠?yàn)殡姵嘏搩?nèi)可能存在的檢修維護(hù)人員提供安全、快捷的脫險通道，保障人員盡快逃生；逃口處設(shè)置斜梯，縮短人員脫險時間；（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

在電池艙內(nèi)部設(shè)置獨(dú)立的七氟丙烷滅火系統(tǒng)，在脫險斜梯口設(shè)置消防水接口，多重保障船舶安全。

5.5? ?電力推進(jìn)系統(tǒng)對電池狀態(tài)的影響

從整個電力系統(tǒng)出發(fā)，保障實(shí)時不間斷地對每個電池模塊狀況的監(jiān)控；正常使用及充電時，電力系統(tǒng)會實(shí)時調(diào)整各個電池簇的充放電平衡，保證電池的一致性；停船靠岸及充電時，電力系統(tǒng)仍能監(jiān)控各電池狀態(tài)，謹(jǐn)防停放及充電時電池故障。

6? ? ?結(jié)語

本文主要描述了純電池動力在珠江水域游船中的市場前景及政策推動、電池選型、電力系統(tǒng)的優(yōu)勢及安全性、純電池動力船型設(shè)計等問題。純電池動力船舶在珠江水域極具優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了零排放、零污染，又降低了珠江兩岸的傳統(tǒng)柴油推進(jìn)噪音污染，且采用錯峰充電的方式為船舶電池充電，很大程度上減少了船舶動力成本。

隨著交通方式不斷向綠色、低碳化轉(zhuǎn)型的力度逐步加大，純電池動力船舶在珠江水域的發(fā)展將按下加速鍵，并推動珠江水域兩岸充電樁的發(fā)展，對其他船型向純電池方向轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支持，相信未來珠江水域游船純電池推進(jìn)占比會越來越高，為珠江水域帶來更好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉玉，? 蘇普遠(yuǎn).基于SCP視角的動力電池行業(yè)分析[J].物流工程與管理， 2020.

[2] 廣東省交通運(yùn)輸廳.廣東省綠色港口行動計劃（2023-2025年）[Z].?2023.