基于能量動(dòng)態(tài)特性的船用光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁君

摘要：隨著傳統(tǒng)能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化，船用太陽能系統(tǒng)受到了越來越多的關(guān)注。為了保證船用光伏系統(tǒng)的可靠性與魯棒性，對系統(tǒng)中能量采集子系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)和能量消耗子系統(tǒng)的能量特性進(jìn)行分析，得到能量采集率、能量消耗率和系統(tǒng)能量狀態(tài)概率，并通過隨機(jī)隊(duì)列分析方法得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。在基于能量動(dòng)態(tài)特性的設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)船用光伏系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方法兼顧了系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性兩方面。

關(guān)鍵詞：可再生能源；光伏船舶；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；能量動(dòng)態(tài)特性；

中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3520（2014）-06-00263-02

on Energy Dynamic Characteristics

Abstract: With the deterioration of ecological environment and traditional energy crisis, the ship powered by solar energy has attracted more and more attention. To ensure the reliability and the robustness of photovoltaic ship system, the energy characteristics of energy harvesting sub-system, energy storage sub-system and energy consumption sub-system were analyzed, and the energy arriving rate, energy consumption rate and system energy state probability were deduced. Then, the key system design parameters were proposed using queuing analysis methods to guide the design of photovoltaic ship system, taking into account the stability and the reliability of system.

Keywords: Renewable Energy; Photovoltaic Ship; System Design；Energy Dynamic Characteristics一、引言

在全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的今天，世界物資運(yùn)輸所需要的船舶數(shù)量愈來愈多，隨之而來的船舶排放廢棄物對環(huán)境的污染也日趨嚴(yán)重。這一趨勢將逐年增長，到2020年，海上污染物的排放將比目前增加75%。因此，如何節(jié)約現(xiàn)有能源，開發(fā)利用新能源成為了船舶行業(yè)的重要目標(biāo)之一[1]。

太陽能是最具代表性的可再生能源，其具有分布廣泛，可廣泛利用的優(yōu)點(diǎn)。隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的日趨成熟和完善，在船舶上應(yīng)用太陽能引起了船舶界的關(guān)注。太陽能的開發(fā)和利用不僅可以減緩傳統(tǒng)能源緊張的壓力，還能夠解決環(huán)境污染問題。

傳統(tǒng)的船用光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)的方法[2][3]，根據(jù)日平均有效光照強(qiáng)度、溫度和日照時(shí)間等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及儲(chǔ)能電池容量和充滿所需時(shí)間，計(jì)算發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)日輸出功率和太陽能電池板的日輸出功率。為保證系統(tǒng)供電的可靠性，設(shè)計(jì)發(fā)電子系統(tǒng)的日功率輸出大于負(fù)載系統(tǒng)的日用電量。采用經(jīng)驗(yàn)估算的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法會(huì)造成系統(tǒng)裝機(jī)容量嚴(yán)重不足或者過?，F(xiàn)象。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常采用靜態(tài)能量分析與設(shè)計(jì)方法，忽略了系統(tǒng)運(yùn)行中的能量動(dòng)態(tài)特性，無法保證系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，缺少系統(tǒng)各組成部分可靠性、穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，無法保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

鑒于此，本文通過分析船用光伏系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的能量動(dòng)態(tài)特征，得到系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)指標(biāo)。同時(shí)，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性為約束條件，對傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，可以有效提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，太陽能利用率等，從而保證所設(shè)計(jì)的船用光伏系統(tǒng)長時(shí)間可靠、經(jīng)濟(jì)的工作。

二、船用光伏系統(tǒng)組成

船用光伏系統(tǒng)主要由能量采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)和能量消耗子系統(tǒng)構(gòu)成[4]。

（一）能量采集子系統(tǒng)：太陽能電池作為船用光伏系統(tǒng)中的能量采集部分，利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)將輻射到其表面的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。太陽能電池的輸出功率與太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和太陽能電池板面積等因素相關(guān)。

（二）能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)：當(dāng)光照充足導(dǎo)致太陽能電池產(chǎn)生的電能大于能量消耗子系統(tǒng)的能量需求時(shí)，電池組將過剩的電能儲(chǔ)存起來；相反地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足或負(fù)載電量增加時(shí)，則由電池組向負(fù)載補(bǔ)充電能，以保證系統(tǒng)供電的可靠性。

（三）能量消耗子系統(tǒng)：船舶的推進(jìn)電機(jī)是船上的主要負(fù)載，其他負(fù)載還包含有照明設(shè)備、熱水器、空調(diào)等。

（四）控制子系統(tǒng)：包括交、直流變換器和電壓變換器以及能量控制器。交直流與電壓變換器通常包括逆變器、整流器與斬波器等電子電力設(shè)備等。能量控制器對系統(tǒng)中的能量進(jìn)行管理和控制，例如，根據(jù)太陽能發(fā)電與負(fù)載用電情況對儲(chǔ)能電池組的充、放電控制等。

三、船用光伏系統(tǒng)的能量動(dòng)態(tài)特征與設(shè)計(jì)指標(biāo)

船用光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題可以看作是一個(gè)目標(biāo)優(yōu)化問題，通常以系統(tǒng)的投資成本，太陽能電池板的安裝面積，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性為約束條件，在氣象數(shù)據(jù)和船只負(fù)載用電數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對能量采集子系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

下文首先對光伏系統(tǒng)中的能量采集子系統(tǒng)、能量消耗子系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)中的能量特征（能量采集率、能量消耗率和系統(tǒng)能量狀態(tài)概率）進(jìn)行分析，得到船用光伏發(fā)電系統(tǒng)中各子系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)，最后，在能量約束指標(biāo)的基礎(chǔ)上對船用光伏系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（一）能量采集率

能量采集率是指能量采集子系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化的能量。太陽能電池受到太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響，其輸出特性具有非線性。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度相同時(shí)，隨著溫度的升高，太陽能電池最大輸出功率降低；當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，太陽能電池最大輸出功率增加。無論在任何溫度和太陽輻射強(qiáng)度條件下，太陽能電池板存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。顯然，工況不同，太陽能電池板輸出的最大功率也不同。

通常，太陽能電池廠商提供太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（即太陽光輻射強(qiáng)度參考值，環(huán)境溫度參考值）的電氣參數(shù)，如最大輸出功率對應(yīng)的電壓，電流等。為了保證能量采集子系統(tǒng)運(yùn)行在當(dāng)前工況下的最佳狀態(tài)，即保持太陽能電池始終輸出最大功率，系統(tǒng)對太陽能電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制[5]。因此，太陽能電池在任意輻射強(qiáng)度和溫度條件下的電流電壓輸出特性能夠近似表示為

（1）

（2）

其中，和分別為不同測量時(shí)間的太陽輻射強(qiáng)度和溫度；補(bǔ)償系數(shù)，，分別為，，；為自然對數(shù)的底數(shù)。在時(shí)刻時(shí)，面積為[單位：]的太陽能電池板輸出功率，因此，在時(shí)間內(nèi)，船用光伏系統(tǒng)的能量采集率為

（3）

（二）能量消耗率

能量消耗率是指能量消耗子系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量。在能量消耗子系統(tǒng)中，主要負(fù)載為推進(jìn)電機(jī)。假設(shè)推動(dòng)電機(jī)的有效功率為，因此，所需的實(shí)際電機(jī)功率，其中表示推進(jìn)系數(shù)。在船舶濕水面積一定的情況下，有效功率能夠根據(jù)船舶阻力估算相關(guān)理論公式和航速確定[6]。因此，在時(shí)間內(nèi)，船用光伏系統(tǒng)的能量消耗率為

（4）

（三）系統(tǒng)能量狀態(tài)概率

由于電池組是作為船用光伏系統(tǒng)中的唯一儲(chǔ)能設(shè)備，因此，系統(tǒng)能量狀態(tài)能夠由儲(chǔ)能子系統(tǒng)中的能量狀態(tài)直觀反映。根據(jù)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)特點(diǎn)，利用隨機(jī)隊(duì)列模型對系統(tǒng)能量狀態(tài)進(jìn)行分析。如圖1所示，船用光伏系統(tǒng)的能量流動(dòng)過程能夠抽象為單服務(wù)窗混合制的能量隊(duì)列模型。該過程包括能量采集子系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能（能量到達(dá)），并存儲(chǔ)在能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)中（能量排隊(duì)），存儲(chǔ)在電池組中的能量供能量消耗子系統(tǒng)使用（能量離開）三個(gè)部分。當(dāng)電池組荷電狀態(tài)為100%時(shí)，采集的過剩電能將丟棄（能量溢出）。

圖1.能量隊(duì)列模型

已知在時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的能量采集率（能量到達(dá)率）為，系統(tǒng)的能量消耗率（能量離開率）為，能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)最大容量為（即，系統(tǒng)能量狀態(tài)）。將系統(tǒng)能量流動(dòng)過程離散化，利用離散的數(shù)學(xué)分析方法對該過程進(jìn)行分析。本文將能量采集子系統(tǒng)的能量采集過程和能量消耗子系統(tǒng)的能量消耗過程擬合為參數(shù)為和的泊松過程，系統(tǒng)的能量流動(dòng)過程能夠利用Markov能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖描述，其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)系統(tǒng)每個(gè)能量狀態(tài)。

圖2.Markov能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在Markov能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中，所有狀態(tài)相互連通，且狀態(tài)有限，因此存在平穩(wěn)分布。

四、船用光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

本文提出的設(shè)計(jì)方法綜合考慮了太陽能電池配置與電池組容量配置相關(guān)的能量流過程，同時(shí)，考慮在無光極端條件下船用光伏系統(tǒng)應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）對船舶航行海域的日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過式（1）—（3）得到時(shí)間內(nèi)船用光伏系統(tǒng)的能量采集率；

（2）統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)船舶運(yùn)行航速，得到推進(jìn)電機(jī)的有效功率，并通過式（4）得到船用光伏系統(tǒng)的能量消耗率；

（3）根據(jù)系統(tǒng)的可靠性要求，在無光極端條件下電池組應(yīng)滿足負(fù)載的用電需求，因此，電池組容量為

（5）

其中，表示連續(xù)無有效利用太陽能的時(shí)間，為電池組的放電深度。

（4）在綜合考慮3.4節(jié)提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對船用光伏系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通常，光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體原則是在保證滿足負(fù)載供電需要的前提下，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好。因此，本文以最小化太陽能板面積為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化問題：

（6）

其中，表示船用光伏系統(tǒng)允許的能量中斷概率。式（6）為非線性凸優(yōu)化問題，可以通過拉格朗日乘子法或者罰函數(shù)法進(jìn)行求解。同樣地，根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠設(shè)計(jì)不同的優(yōu)化方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

五、結(jié)論

船用光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題是在氣象數(shù)據(jù)和船只負(fù)載用電數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)中能量采集子系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文對系統(tǒng)中的能量特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出船用光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，充分考慮了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)和非線性特性，可以有效保證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性與魯棒性。

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