1.1能源结构及清洁能源发展现状

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。在20世纪的能源结构中，人类利用的能源主要是石油、天然气和煤炭等化石燃料。这些都是非可再生能源，随着人口的增长和经济的发展，已经消耗了相当比例，尤其在未来的几十年中，能源的消费量将持续增长，世界上化石能源的消费量也将达到极限。伴随着现代工业的快速发展，人们生活水平日益提高，化石燃料的消耗和环境污染日益加剧，气候的极端变化频繁发生。面对如此严峻的能源危机和环境危机，世界各国将目光投入到清洁能源的开发中去。所谓清洁能源，即绿色能源，是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，它包括核能和“可再生能源”。可再生能源包括：风能、太阳能、潮汐能、地热能等。

目前，国际贸易总运量的2/3以上，中国进出口货运总量的约90%都是依靠海上运输。作为国际贸易的主要运载工具，其消耗的能源总量是非常巨大的，又因为世界各国对船舶排放的严格控制以及船舶燃料的成本不断提高，为实现船舶航运业的节能减排，基于清洁能源的船舶发电系统受到了工业界和学术界的广泛关注。陆地上的风光发电早已成熟，如果将技术此运用在船舶上并加以不断地研究，航运业在减少污染和降低成本的方面肯定有重大突破。

1.2课题国外研究现状

早在2004年日本邮船公司(NYK)同东海大学共同研制出应用于船舶运行的风力发电机并在8月将其搭载在汽车运输船上实验。这种新型的风力发电机四角形轮片垂直于发电装置，从而不受风向的影响。此装置的最大发电功率为30千瓦，在与船舶柴油机并联运行时，能够减少约7％的二氧化碳排量并能够提供10％以上。在2008年8月，日本邮船公司叉与日本石油公司合作研制为该公司汽车滚装船提供推进动力用电的太阳能发电装置，这也首次提出了将清洁能源应用于船舶动力系统的设想。该装置预计安装328块太阳能电池板，输出的40千瓦的电能预计使用在机舱内的机器和引擎等动力系统中，占到了船舶总用电量的0．2％左右。国外比较著名的互补发电系统研究机构如科罗拉多州立大学和国家可再生能源实验室共同开发的混合能源模拟软件Hybrid2t21，根据实际情况设置系统的具体结构、安装地的风力光照等安装条件、部件特性等参数，就可以得到8760小时的精确模拟运行结果。

1.3课题国内研究现状

我国长航集团上海宝江实业的“长轮29004”囤船上安装了4台发电量为5kW的风力发电机。该装置配合大容量的蓄电池储能系统能够保证五天无风条件下的日常用电供给，除了启动、抢救和大功率用电设备的运行外，平时停泊时都停止柴油发电机组的运行。不但减小了燃油消耗和系统维护的人力成本，也实现了减少环境污染和噪声污染的目的。中科院广州能源所与香港理工大学共同提出了一种利用CAD技术对风光发电系统配置进行优化的方案，中科院电工研究所采用的是遗传算法确定系统的最优配置并对西藏那曲地区的一个村庄进行了计算机仿真而后进行了经济性和可靠性的分析。

1.4风光互补发电应用的优势

风光互补发电在船舶行业应用较早的领域是游艇和渔船等小型船舶，以往在游艇上一般采用小型永磁同步发电机捕获风能供电。后来人们逐渐意识到风光互补具有更大的优势，因为这种结构形式利用大自然取之不尽、用之不竭的太阳能、风能转化为电能，并发挥两者之间良好的互补性。当白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变大而风能加强。因此，“风光互补电源系统”是目前最合理的独立电源系统。通过发展历程及应用实例，可以得出此项技术应用的趋势呈现以下几个特点：①由单纯直接能源利用转变为直接间接能源综合利用②由单独风力发电转变为风光互补发电

③应用船舶种类由小型船舶向多类型大吨位转变④应用对象由生活用电变为动力用电⑤由离网型独立发电方式向并网发电转变。单独的风力发电成本最低，但是稳定性较差。加入了光伏部分能够非常显著的提高稳定性，并且使配置的容量适当减小，但发电成本随光伏部分的增加而增加。对于单独常规柴油系统，初始投资较低而运行成本(包括燃油费用和维修费用)较高，环保效果也最差。从环保的角度考虑，风光互补发电是完全清洁的能源，整个系统在运行时基本没有噪声。如果将系统容量设计成靠港时独立供给生活用电而停止柴油发电机，则不仅真正实现了独立发电时形成了“零排放”，也实现了安静清洁的工作生活环境。