驶向未来：碲化镉发电玻璃如何在航行的船舶上实现高效能源自给

在全球能源转型与减排压力日益加剧的背景下，船舶作为国际贸易与运输的重要载体，其能源消耗与环境污染问题备受关注。据统计，船舶舱室空调与照明系统能耗占总能耗的相当大部分。如何利用清洁能源降低这部分负荷，成为近年来船舶工程与可再生能源交叉领域的热点。

 

 

 

在这一背景下，名为《Comprehensive performance analysis of semi-transparent CdTe PV windows in static and dynamic facades: A real ship case study》的论文提出了一项创新性应用：将半透明碲化镉碲化镉发电玻璃应用于船舶舱室，不仅在静态停泊状态下发电，更在动态航行中实现了发电效率与能源自给率的大幅提升。

 

 

01 背景：为什么要在船上装“发电窗户”

 
 

 ▼ 船舶能耗的“隐形杀手”

船舶在航行中，舱室内需要维持适宜的温度与光照，尤其是在热带海域或夏季，空调系统负荷极高。传统上，这部分能源主要依赖船舶的主机或辅机发电，不仅增加燃油消耗，也带来碳排放与噪音污染。
 

 

 ▼ 太阳能船舶的局限

目前，已有不少研究尝试在船舶甲板上安装光伏板以发电。然而，甲板光伏存在明显缺陷：
 

● 阴影遮挡：船体结构、桅杆、货物等会造成局部阴影，降低发电效率。

● 空间有限：甲板面积有限，难以大规模铺设光伏板。

● 单一功能：仅能发电，无法兼顾采光、隔热与视觉通透性。

 

▼ 碲化镉发电玻璃的潜力

碲化镉发电玻璃是一种将光伏电池嵌入玻璃中的复合建材，既能发电，又保留了窗户的基本功能：采光、通风与视野。尤其在半透明碲化镉材料技术的推动下，碲化镉发电玻璃在建筑中已广泛应用。然而，在船舶这一“动态建筑”中，其性能表现尚未被系统研究。

 

 

透光碲化镉发电玻璃

 

透光碲化镉发电玻璃幕墙案例照片

 

 

02 研究设计：一艘“光伏船”的诞生

 

▼ 实验平台搭建

研究团队在福建厦门改造了一艘实验船，尺寸为2.5 m × 1.5 m × 1.6 m，船体为双层铝合金结构。船舱窗户采用透光率80% 的碲化镉光伏玻璃，既满足航行视野需求，也具备发电能力。

 

▼ 测量系统

实验设置了多组传感器，实时监测：

● 太阳辐照度

● 碲化镉发电玻璃表面温度

● 发电功率

● 舱内照度与温度

数据通过采集器记录，并转化为电信号进行分析。
 

 

▼ 实验场景对比

研究设置了两种典型场景：

● 静态停泊：船头朝向西北，模拟港口停靠状态。

● 动态航行：在封闭航线上航行，船向不断变化。

通过对比这两种状态下碲化镉发电玻璃的发电、隔热与采光性能，揭示动态环境下碲化镉发电玻璃的优势。

 

 

03 核心发现：航行中碲化镉发电玻璃为何更高效

 

▼ 发电性能：从“偏科”到“全能”

在静态停泊状态下，由于船体固定，不同朝向的碲化镉发电玻璃接收到的太阳辐射差异显著：

● 左舷: 12.18 W·h

● 船头: 11.35 W·h

● 右舷: 5.79 W·h

标准偏差为3.47，说明发电量极不均衡。

 

而在动态航行状态下：

● 左舷：9.51 W·h

● 船头：5.89 W·h

● 右舷：7.95 W·h

标准偏差降至1.81，说明发电更为均匀。尽管总发电量因时间缩短而较低，但平均发电效率从6.61%提升至10.91%，增幅达65.05%。

 

关键机制：船舶航行中不断改变方向，使得各侧窗轮流面对太阳，避免了单一朝向的阴影与低效，实现了“全方位捕光”。

 

▼ 隔热性能：温度更均匀，热量更少传入

碲化镉发电玻璃不仅是发电装置，也是热交换界面。研究发现：
 

● 在静态状态下，碲化镉发电玻璃表面温度差异大（最高温差22.29°C），热量传入舱内较多。

●在动态航行中，表面温度更为均匀（最高温差17.44°C），传热量减少57.47%。

 

原因分析：航行中相对风速增加，增强了表面对流散热；同时，窗面温度分布更均匀，减少了局部热堆积。

 

▼ 光学性能：舒适光环境与零照明负荷

 研究采用两项指标评价光环境：

● 有效日光照度：舱内照度在100–2000 lux之间的时间占比

● 照度均匀性：最低与最高照度之比

 

结果显示：

● 航行状态下，舱内最高照度从2530 lux降至1402 lux，眩光现象完全消除。

● 照度均匀性从0.30提升至0.16，视觉舒适度显著改善。

● 在整个实验期间，舱内自然光照始终满足阅读与办公需求（≥600 lux），照明负荷为零。

 

 

04 能源自给：“光伏船”能否满足能源自给

为了量化碲化镉发电玻璃的综合节能效果，研究假设舱内安装了一套空调系统（COP = 2.5）与LED灯，设定温度≤26°C，照度≥600 lux。结果如下：
 

 

   

结论：在航行状态下，碲化镉发电玻璃发电量足以覆盖空调与照明系统的全部能耗，实现了“能源自给”。

 

 

05 对比：为何船舶是碲化镉发电玻璃的理想舞台

 

 ▼ 与传统建筑碲化镉发电玻璃对比

大多数建筑碲化镉发电玻璃安装在固定立面上，只能接收有限方向的阳光，易受周边建筑遮挡。研究中提到的亚洲地区静态碲化镉发电玻璃平均效率最高仅为7.39%，而本研究中航行状态下的效率达10.91%，提升47.63%。

 

▼ 与甲板光伏系统对比

甲板光伏虽能发电，但无法调节舱内光热环境，且易受阴影影响。碲化镉发电玻璃则兼具发电、隔热、调光三重功能，更适合舱室环境。

 

▼ 水面环境的独特优势

● 无高层遮挡：水面开阔，无城市中的建筑阴影。
 

● 水面反射：水面反射阳光可被碲化镉发电玻璃二次吸收，提升发电量。

 

 

06 不确定性与未来展望

 

▼ 不确定性分析

 研究通过多项式拟合模型分析了发电与传热的不确定性：

● 发电总量不确定性为23.12 W·h，误差率3.53%

● 传热总量不确定性为418.66 kJ，误差率3.53%

 说明实验数据可靠，模型具备一定预测能力。

 

▼ 研究局限

● 实验船为小型模型，未来需在真实大型船舶上验证。

● 实验时间较短，未覆盖全年气候变化。

● 未考虑极端海况对碲化镉发电玻璃结构的影响。

 

▼ 未来应用前景

● 大型客轮与邮轮：窗户面积大，适合规模化部署。

● 智能船舶：结合AI航向控制，优化碲化镉发电玻璃对光角度。

● 远洋科考船：在无补给环境下实现能源自持。

 

 

 

 

07 结语

 

碲化镉发电玻璃，不只是建筑的未来，也是船舶的明天。

 

这项研究首次系统验证了碲化镉发电玻璃在动态船舶环境下的综合性能，揭示其在发电、隔热与采光方面的显著优势。尤其令人振奋的是，在航行状态下，碲化镉发电玻璃不仅能实现100%的舱室能源自给，还能提升视觉舒适度与热舒适性。

 

随着碲化镉发电玻璃技术的不断成熟，以及船舶设计向绿色化、智能化方向发展，碲化镉发电玻璃有望成为未来“零碳船舶”的标准配置。这不仅是一场技术革新，更是海洋运输走向可持续发展的重要一步。