光伏發(fā)電系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用分析

馬久明　靳有　秦紅　宋士虎

摘 要：全球每年二氧化碳排放量中航運業(yè)的排放占很大一部分，把太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到船舶上，是降低二氧化碳排放、提高能源利用率的新的研究方向。本文通過論述分析，擬在遠(yuǎn)洋船舶上搭載一套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與船舶主電網(wǎng)構(gòu)成并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為太陽能光伏技術(shù)在船舶上的應(yīng)用進行初步探索。著重論述光伏系統(tǒng)種類、安裝位置選取、安裝容量計算。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；遠(yuǎn)洋船舶；位置選擇；容量計算

中圖分類號：U665.1 文獻標(biāo)識碼：A

1 前言

隨著全球經(jīng)濟由“重碳經(jīng)濟”向“低碳經(jīng)濟”轉(zhuǎn)型，作為國民經(jīng)濟重要組成部分的航運業(yè)溫室氣體排放問題日益受到國際社會關(guān)注。根據(jù)國際油輪船東協(xié)會的研究報告，目前航運業(yè)每年消耗20億桶燃油，排放超過12億t的二氧化碳，約占全球總排放量的6%。有預(yù)測認(rèn)為，到2020年全球航運業(yè)將需要40億t燃油，溫室氣體排放也將在目前基礎(chǔ)上增長75%?？梢姡竭\業(yè)承擔(dān)著低碳減排的社會責(zé)任和歷史使命，各主要航運國家和地區(qū)開始高度重視發(fā)展安全、環(huán)保、節(jié)能的“綠色船舶”，倡導(dǎo)“綠色航運”。太陽能是一種可再生能源，不污染環(huán)境，被認(rèn)為是替代石油能源的理想能源。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在船舶上應(yīng)用近年來得到發(fā)展，尤其在內(nèi)河小型船舶、游艇上已有初步的應(yīng)用成功的案例。但在遠(yuǎn)洋船舶方面，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用還不成熟，許多國家正在致力于此技術(shù)的開發(fā)和完善。本文通過分析，擬在常規(guī)船舶上建立一套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，為船舶提供部分電力支持，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 光伏系統(tǒng)介紹

2.1 光伏系統(tǒng)的組成及原理

光伏系統(tǒng)由三部分組成：太陽電池組件；充放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監(jiān)控等電力電子設(shè)備；蓄電池或其他蓄能和輔助發(fā)電設(shè)備。圖1為直流負(fù)載太陽能光伏系統(tǒng)原理圖。

太陽能光伏發(fā)電基本工作原理就是在陽光照射下，將太陽電池組件產(chǎn)生的電能通過控制器給蓄電池充電或者在滿足負(fù)載需求的情況下直接給負(fù)載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負(fù)載供電，對于交流負(fù)載，還要增加逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

2.2 光伏系統(tǒng)的分類

一般將光伏系統(tǒng)分為獨立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)三類。

2.2.1 獨立（離網(wǎng)）型光伏系統(tǒng)

獨立型光伏系統(tǒng)，又稱為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，獨立給用電設(shè)備供電，但整體能量利用比較低，系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和可靠性比較差，需要儲能設(shè)備（蓄電池）穩(wěn)定供電電網(wǎng)電壓和平衡發(fā)電與負(fù)載。

2.2.2 并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的最大特點是太陽電池組件產(chǎn)生的直流電，經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)，并網(wǎng)系統(tǒng)光伏方陣所產(chǎn)生的電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力反饋給電網(wǎng)，不足時由電網(wǎng)補充，但系統(tǒng)中需要專用的并網(wǎng)逆變器。這種系統(tǒng)可降低整個系統(tǒng)負(fù)載缺電率，而且可以對公共電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。

2.2.3 混合型光伏系統(tǒng)

混合型光伏系統(tǒng)中除了使用太陽能電池組件陣列之外，還使用了燃油發(fā)電機等作為備用電源。這種系統(tǒng)控制比較復(fù)雜，比獨立系統(tǒng)需要更多的維護，而且因為系統(tǒng)中使用了柴油機，這樣就不可避免地產(chǎn)生噪聲和污染。很多偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信電源盒民航導(dǎo)航設(shè)備電源，因為對電源的要求很高，都采用混合系統(tǒng)供電，以達(dá)到最好的性價比。

在遠(yuǎn)洋船舶上選用何種類型光伏發(fā)電系統(tǒng)，要綜合考慮船舶結(jié)構(gòu)、性能、航線、經(jīng)濟性等因素確定，本文將在下節(jié)詳細(xì)論述。

3 光伏陣列安裝位置的確定

3.1 目標(biāo)船型的確定

典型的遠(yuǎn)洋船舶通常包括以下六種類型：集裝箱船；特種船；雜貨船；客滾船；干散貨船；大型運油船。在船上敷設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，要求目標(biāo)船舶主甲板及以上某些位置具有足夠的安裝光伏陣列的空間。經(jīng)計算，平均輸出功率1 kW的單晶硅太陽能電池陣列需要10㎡左右的布置面積[1]（組件效率13%左右）。一般遠(yuǎn)洋船舶整船系統(tǒng)功率都在100kW以上，有的甚至幾千千瓦，若以100kW為參考，則大約需要1 000㎡的布置面積?？紤]到集裝箱船、雜貨船及特種船的主甲板上及主甲板以外的其它位置不具有提供大面積安裝電池陣列的可能性，而油船主甲板雖有較大面積，但因主甲板管路紛繁復(fù)雜，其所運輸?shù)氖皖惾剂弦讚]發(fā)出可燃易爆性氣體，對電器要求的絕緣防護等級較高，所以以上四種船舶不適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)?？蜐L船的主甲板駕駛臺后的區(qū)域附屬甲板機械設(shè)備較少，擁有較大的可利用空間，其與油船相比對易燃易爆性物質(zhì)的安全防護等級較低，因而可以搭載光伏系統(tǒng)。對于干散貨船，其主甲板上若干貨艙蓋占有很大的一部分面積，除部分船型有輔助克令吊外，大多數(shù)船舶的甲板上屬于平整區(qū)域，其有利于太陽能電池陣列的安裝。因此，滾裝客貨船和散貨船是搭載光伏陣列的理想船型。

3.2 光伏系統(tǒng)類型選擇及用電負(fù)荷確定

遠(yuǎn)洋船舶航程較遠(yuǎn)，每一航次歷經(jīng)天數(shù)較長，且海洋環(huán)境、天氣復(fù)雜多變，在此條件下不宜建立獨立型（離網(wǎng)型）和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]。對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏陣列只需提供部分負(fù)載的用電需求，多余的電能反饋給主電網(wǎng)，不足時就由主電網(wǎng)供電，故此類型發(fā)電系統(tǒng)適合于安裝在船舶上。

船舶在航行中動力和機械等設(shè)備要求供電系統(tǒng)能持續(xù)、穩(wěn)定地供電，而光伏發(fā)電量依賴于天氣條件，供電穩(wěn)定性達(dá)不到動力設(shè)備用電要求，所以不適合為動力設(shè)備和機械設(shè)備供電。選擇目標(biāo)供電系統(tǒng)為上建的生活用電部分，經(jīng)查76 000DWT某散貨船上建的電力系統(tǒng)圖，上建部分生活用電總功率在200 kW左右。顯然，如果200 kW的電量全部由光伏系統(tǒng)提供，需要為光伏陣列提供約2 000 m2的敷設(shè)面積，這在目標(biāo)船上是無法實現(xiàn)的。由電力系統(tǒng)圖可知，空調(diào)系統(tǒng)壓縮機在機艙，可不考慮為其供電，只考慮風(fēng)機部分供電20kW；廚房電器功率60kW；全部房間照明功率4kW。這三部分合計功率84 kW，我們把光伏系統(tǒng)的設(shè)計容量定位在100kW，為這三部分系統(tǒng)供電。除去傳輸損耗及遮擋引起的功率減少（約10%～15%），光伏系統(tǒng)也可以提供足夠的電量。白天有太陽輻射時，光伏系統(tǒng)直接為這三部分系統(tǒng)供電，多余的電能可以反饋給主電網(wǎng)，晚上或白天太陽輻射不足時，轉(zhuǎn)換成船舶主電網(wǎng)供電，這樣100kW的光伏系統(tǒng)可以承擔(dān)船舶部分用電要求，起到節(jié)約能源的作用。

3.3 安裝位置的選擇

以76 000DWT散貨船為例， 100kW的光伏陣列至少需要1 000m2的敷設(shè)面積，經(jīng)查總布置圖，有三處位置區(qū)域開闊，即艙口蓋、主甲板上艙口圍與欄桿之間的區(qū)域、欄桿處，適合搭建光伏系統(tǒng)，可以初步確定為光伏陣列的安裝位置。

3.3.1 直接安裝于艙口蓋上

兩個艙口蓋合在一起可供安裝面積為15x14=210㎡， 7個艙口合計14個艙口蓋可供安裝的面積為210x7=1470㎡。但因No.7艙靠近上建，不可避免在一天當(dāng)中會受到遮擋，所以總體輸出功率會因遮擋而減少；而No.4艙蓋為直升機坪，不允許安裝其他部件，所以從總面積中減去420㎡?？紤]上述因素后剩余面積為1050㎡>1000㎡，可以滿足安裝面積需求。

該安裝位置在裝卸貨物時可能會遭受墜落物的撞擊，故要在上面安裝防護裝置，此防護裝置在裝卸貨物時要能閉合，起到保護作用；在航行時敞開，不影響光伏陣列發(fā)電。

3.3.2 安裝于主甲板上艙口圍與欄桿之間

將光伏電池板安放于支承艙蓋的導(dǎo)軌之間，在垂直高度上低于艙口蓋，安裝面積與上述方案基本相同，同時在裝卸貨物時因有艙蓋保護，可有效避免船裝卸貨物過程中掉落的雜物破壞電池板，如圖2所示。

3.3.3 安裝于代替主甲板欄桿位置

本安裝要求電池組件垂直于主甲板，且電池安裝要達(dá)到船舶建造規(guī)范對欄桿安裝的相關(guān)要求，如圖3。

已知船舶總長225 m，型寬32 m，沿船舶周長布置電池組件總長225x2+32x2=514 m，去除中間導(dǎo)纜孔、絞纜機等預(yù)留寬度20 m，取總長494 m，則安裝面積為494x1.58=780㎡<1000㎡，此方案不能滿足預(yù)設(shè)的100 kW的用電要求。主要原因有二：

（1）電池組件敷設(shè)面積不夠，直接影響輸出功率；

（2）電池板垂直安裝，接受太陽輻射的面積相較于水平敷設(shè)時要小，從而導(dǎo)致輸出功率降低。

但可以采取一定方法規(guī)避此不足。在選取電池組件上，可選用雙面太陽電池組件[2]，這種太陽電池正反兩面都可以接受輻射，所以可以區(qū)別于傳統(tǒng)單面太陽電池組件的朝南傾斜安裝而可以垂直于地面安裝，經(jīng)試驗驗證，雙面太陽電池比單面晶硅太陽電池相同條件下發(fā)電效率提高30%[3]。采用雙面太陽電池，輸出功率可達(dá) 78x1.3=101.4 kW，剛好滿足預(yù)設(shè)功率要求。同等面積的雙面太陽電池比單面太陽電池貴三分之一，所以這種布置成本較高，經(jīng)濟性不如前兩種方案。三種安裝位置的對比分析如表1所列，通過對比分析綜合考慮，位置一、位置二可操作性較大。

4 光伏陣列容量確定

4.1 太陽能電池的選擇

國內(nèi)光伏太陽能電池市場主要提供單晶硅和多晶硅兩種類型的電池板。根據(jù)船舶運行特點，非晶硅太陽電池[4]不適合在船舶上安裝，而在晶硅太陽電池中，相同面積情況下單晶硅發(fā)電效率比多晶硅高，在實驗室里單晶硅太陽電池最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%[5]。而型號、輸出功率、封裝質(zhì)量及防護等級相同的單晶硅電池板和多晶硅電池板相比，前者的價格稍高，但差別不大，所以單晶硅太陽電池是較合適的選擇。

4.2 光伏組件方陣容量計算

太陽電池組件容量設(shè)計的指導(dǎo)思想，就是滿足年平均日負(fù)載的用電需求。計算太陽電池組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量（安時數(shù)）除以一塊太陽電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量（安時數(shù)），這樣就可以算出系統(tǒng)需要并聯(lián)的太陽電池組件數(shù)，使用這些組件并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需的電流。將系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓除以太陽電池組件的標(biāo)稱電壓，就可以得到太陽電池組件需要串聯(lián)的太陽電池組件數(shù)，使用這些太陽電池組件串聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電壓。

在船舶運行過程中，由于海區(qū)環(huán)境的復(fù)雜多變，電池組件表面會附著灰塵、結(jié)晶的海鹽，再加上組件性能慢慢衰變，會使降低電池組件輸出。我們采取在計算時減少太陽電池組件的輸出8%～10%（衰減因子）來加以修正[6]，也可以看作是光伏系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的工程上的安全系數(shù)。此外，設(shè)計時還要將負(fù)載功率增加10%，以應(yīng)對在船舶營運期限內(nèi)額外增加的用電設(shè)備。

5 總結(jié)

太陽能光伏發(fā)電在船舶上的應(yīng)用目前還處于初步探索階段，小型內(nèi)河船、游艇已有不少成功案例，但在大型遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用較少。本文在常規(guī)的遠(yuǎn)洋船舶上，擬搭載一套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)類型，光伏陣列在船舶上的安裝位置選擇、光伏陣列的容量計算。

本文未對經(jīng)濟性做深入研究，相關(guān)內(nèi)容另文討論。

參考文獻

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[5] Jianhua Zhao. Recent advances of high-efficiency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materials[J].Solar Energy Materials & Solar Cells 82.2004（5）.

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