風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)在小型船舶上的應(yīng)用

李英

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院,天津 300350)

風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)在小型船舶上的應(yīng)用

李英

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院,天津 300350)

航運(yùn)業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈之一,而船舶對(duì)海洋環(huán)境的污染不容忽視,為了解決海洋環(huán)境污染問(wèn)題,全面建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì),使用太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源的發(fā)電裝置已逐漸應(yīng)用到船舶上。本文闡述了風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電原理,以及綜合風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn),提出風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)在船舶上的實(shí)用性,并著重論述了風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)中各部件的容量配置問(wèn)題。

風(fēng)光柴蓄 混合發(fā)電 容量配置

為了保護(hù)人類(lèi)賴以生存的海洋環(huán)境，早在1983年，我國(guó)就出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)防止船舶污染海域管理?xiàng)l例》，此條例的實(shí)施很大程度上解決了船舶污染海域的問(wèn)題，從而在保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境方面起到了非常重要的作用。為了進(jìn)一步加強(qiáng)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)，杜絕船舶及有關(guān)海上作業(yè)對(duì)海洋環(huán)境的污染，建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)，對(duì)《中華人民共和國(guó)防止船舶污染海域管理?xiàng)l例》做了進(jìn)一步修改，更加強(qiáng)調(diào)了海洋環(huán)境對(duì)人類(lèi)生活的重要性，然而這些條例更多強(qiáng)調(diào)的是船員所必須遵守的規(guī)章制度，而有些對(duì)海洋環(huán)境避免不了的污染，如船舶航行過(guò)程中油污、廢氣的排放，船員只能遵守規(guī)章制度，在允許排放的區(qū)域內(nèi)排放。但是，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)，船舶運(yùn)輸業(yè)日益繁榮，船舶排放的廢水、廢氣已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了海洋的自凈化能力，大部分海生物面臨瀕危。因此，只制定法律法規(guī)根本上解決不了船舶對(duì)海洋環(huán)境的污染，只有從技術(shù)上改變船舶的動(dòng)力裝置源，才有可能對(duì)海洋環(huán)境的污染日趨減少，生態(tài)環(huán)境日益見(jiàn)好。

在陸地上，使用清潔能源已成為保護(hù)環(huán)境主流趨勢(shì)，如各大城市的公交車(chē)和出租車(chē)已逐漸被混合動(dòng)力車(chē)代替，這種混合動(dòng)力車(chē)大多數(shù)是油氣混用，減少了廢氣排放量；路燈照明使用了太陽(yáng)能發(fā)電；在青藏地區(qū)充分利用光照時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，利用太陽(yáng)能發(fā)電；在沿海城市充分利用風(fēng)能，建立風(fēng)電廠，利用風(fēng)能發(fā)電等等。太陽(yáng)能和風(fēng)能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，日益受到人們的青睞。太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電裝置應(yīng)用在船舶上，這對(duì)保護(hù)海洋環(huán)境做出了很大貢獻(xiàn)。

1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電是以大氣作為工作介質(zhì)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是一種沒(méi)有燃料的能量利用機(jī)械，是一種不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染的發(fā)電方式。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片接受風(fēng)力并且通過(guò)機(jī)頭轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)體使機(jī)頭靈活轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整尾翼方向，尾翼的作用是調(diào)整葉片方向使葉片始終對(duì)著來(lái)風(fēng)的方向，從而可以獲得最大的風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，所以將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起，使其轉(zhuǎn)速提高50倍以上。由于風(fēng)量受氣候條件影響較多，導(dǎo)致風(fēng)量不穩(wěn)定，因此輸出的是變化的交流電，須使其經(jīng)整流器變成直流電，對(duì)蓄電池充電，然后經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成220V交流電，保證穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電原理如(圖1)所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電原理圖

有關(guān)數(shù)據(jù)表明，利用風(fēng)力發(fā)電的最佳風(fēng)速為7-9m/s，也就是說(shuō)，距離海岸線50千米之內(nèi)，非常有利于風(fēng)力發(fā)電，而這區(qū)域正是船舶航行較多區(qū)域，因此，氣候條件為風(fēng)力發(fā)電提供了可靠保障。風(fēng)力發(fā)電安全性能較高，技術(shù)也比較成熟。因此在船舶上非常具有實(shí)用性。

2 太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池等構(gòu)成了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池發(fā)電原理是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，半導(dǎo)體內(nèi)部核電荷數(shù)和電子數(shù)目是一致的，從外部看上去不顯電性，而當(dāng)太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池板上，通過(guò)光的能量P型硅和N型硅中將電子從化學(xué)鍵中被釋放，外部看不出變化，但其內(nèi)部產(chǎn)生了電子—空穴對(duì)。在PN結(jié)界面層附近的電子和空穴復(fù)合前，空間電荷的電場(chǎng)作用使電子和空穴相互分離，電子向帶正電的N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動(dòng)。由于界面層的電荷分離，在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向外的電壓，光照越強(qiáng)，界面層產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)越多，電流越大。光電池板實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，光電池板面積越大，吸收的光能越多，在太陽(yáng)能電池中形成的電流也就越大。例如對(duì)于一個(gè)P型面，如果P型區(qū)光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子—空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。充電控制器是將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電轉(zhuǎn)換成快速、平穩(wěn)、高效的充電電流和電壓向蓄電池充電，避免蓄電池過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。逆變器是將太陽(yáng)能電池板和蓄電池的直流電壓逆變成220V的交流電。蓄電池組是將太陽(yáng)能電池板發(fā)出的直流電儲(chǔ)存起來(lái)備用。太陽(yáng)能發(fā)電結(jié)構(gòu)如(圖2)所示。

圖2 太陽(yáng)能發(fā)電結(jié)構(gòu)圖

太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟，操作簡(jiǎn)單，安全性能較好；缺點(diǎn)是光照的能量分布密度小，占用空間面積較大，太陽(yáng)能電池板造價(jià)較高，并且產(chǎn)生的電能多少與四季、晝夜及陰晴等氣候條件有關(guān)。

3 風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電

由于風(fēng)能和太陽(yáng)能存在各自缺點(diǎn)，不能單獨(dú)作為清潔能源的發(fā)電裝置。船舶在航行中，受氣候條件等因素的影響，選擇合適的發(fā)電裝置非常重要。晴天時(shí)白天光照充足、風(fēng)較小，光伏發(fā)電為主要發(fā)電裝置，向蓄電池儲(chǔ)能；夜晚無(wú)光照、風(fēng)較大，風(fēng)力發(fā)電為主要發(fā)電裝置，向蓄電池儲(chǔ)能；而陰天下雨，既無(wú)光照也無(wú)風(fēng)時(shí)，同時(shí)儲(chǔ)存在蓄電池中的電不足以提供所需能量時(shí)，為了保障電路安全可靠運(yùn)行，采用柴油機(jī)作為發(fā)電裝置。通過(guò)逆變器將其發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成220V交流電，供交流負(fù)載使用，直流負(fù)載可直接使用蓄電池組和柴油機(jī)發(fā)出的電。太陽(yáng)能發(fā)電是用MPPT技術(shù)，跟蹤控制光照強(qiáng)度，采集最強(qiáng)光照；風(fēng)力發(fā)電是利用遺傳算法采集合適的風(fēng)速，通過(guò)控制器改變風(fēng)速，使其向蓄電池供給穩(wěn)定的電壓和電流，風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)如(圖3)所示。

圖3 風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)

由于船舶甲板空間有限，光伏發(fā)電需要很大面積的太陽(yáng)能電池板，造價(jià)成本較高，因此光伏發(fā)電容量不易太大，同時(shí)由于沿海風(fēng)浪較大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本相對(duì)較低，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量在此裝置中占主體地位。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的是系統(tǒng)各部件的容量配置，其中包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板、蓄電池、柴油機(jī)容量等，它們之間存在非常復(fù)雜的容量配置關(guān)系。如果系統(tǒng)容量不匹配，那么系統(tǒng)就不穩(wěn)定，不能持續(xù)供電。

由于船舶在航行時(shí)受到氣候因素變動(dòng)較大，對(duì)風(fēng)力機(jī)、光伏陣列、蓄電池、柴油發(fā)電機(jī)組的容量配置要求非常高，為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，選擇船舶多為經(jīng)?？扛刍蛘咄２吹拇?，還可用于不經(jīng)常移動(dòng)的鉆井平臺(tái)。

風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)容量配置步驟如下：(1)考察當(dāng)?shù)貧夂驐l件，如風(fēng)季和風(fēng)量、光照時(shí)間和光照強(qiáng)度等；(2)估算船舶各個(gè)時(shí)段用電量；(3)根據(jù)氣候條件和船舶用電量合理配置風(fēng)力機(jī)、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)組的容量；(4)根據(jù)發(fā)電容量選擇蓄電池的容量；(5)根據(jù)容量配置數(shù)據(jù)選擇風(fēng)力機(jī)、光伏陣列、蓄電池、柴油發(fā)電機(jī)組的型號(hào)，另外選擇逆變器、控制器等型號(hào)；(6)根據(jù)船舶所在的位置，合理確定太陽(yáng)能電池板的安裝角度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝位置。

4 結(jié)語(yǔ)

要想使船舶對(duì)海洋環(huán)境污染呈下降趨勢(shì)，就應(yīng)該在船舶設(shè)計(jì)時(shí)充分利用清潔能源作為船舶的新能源，而由于單獨(dú)使用太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電使系統(tǒng)運(yùn)行部可靠，因此只有風(fēng)光柴蓄混合才能提供持續(xù)、可靠的電能。目前風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)在大型船舶上的應(yīng)用技術(shù)尚未成熟，因此如何使該系統(tǒng)配置在大型船舶上，不僅提供日常生活、通信等方面用電，而且能為船舶在航行過(guò)程中提供動(dòng)力能源成為我們繼續(xù)研究的課題，新能源、新技術(shù)在船舶上的應(yīng)用指日可待。

[1]范濟(jì)秋,張永平.基本安全(個(gè)人安全與社會(huì)責(zé)任)[M].人民交通出版社,2012.

[2]孫小明.小型船舶風(fēng)光柴蓄混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化配置研究[D].大連：大連海事大學(xué),2010.

[3]張甫興.淺談新能源在船舶上的應(yīng)用[J].江蘇船舶.2012.10(5).

Shipping industry is one of China’s economic artery and ship pollution of the marine environment can not be ignored. To solve the problem of pollution of the marine environment, building a power plant environment-friendly society, the use of solar, wind and other clean energy has been gradually applied to the ship. In this paper, wind power works, solar power works, and the advantages and disadvantages integrated wind power and solar power,and propose Wind-Solar-Diesel-Battery hybrid power system availability on the ship, and focuses on the Wind-Solar-Diesel-Battery hybrid power system storage capacity of the various components configuration issues.

Wind-Solar-Diesel-Battery Hybrid power Capacity configuration

李英(1987—),女,漢族,青海省人,助教,碩士研究生,主要研究輪機(jī)自動(dòng)化。