太陽能光伏系統(tǒng)在船舶中應用特點分析

占文偉

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太陽能光伏系統(tǒng)在船舶中應用特點分析

占文偉

（中國船級社廈門分社， 福建廈門361006）

利用太陽能等新能源發(fā)電技術和電力推進技術組成船舶綜合電力推進技術已成為船舶上最被關注的綠色技術之一。針對太陽能光伏系統(tǒng)在船舶中應用，在介紹太陽能光伏系統(tǒng)的原理及使用模式基礎上，分析太陽能光伏系統(tǒng)及其部件在船舶中應用特點，探討和歸納了基于太陽能光伏系統(tǒng)的船舶電網(wǎng)的重要特性，為今后的系統(tǒng)設計與應用提供了依據(jù)。

太陽能 光伏系統(tǒng) 發(fā)電系統(tǒng) 電能質(zhì)量 綠色船舶

0 引言

隨著旅游事業(yè)的發(fā)展和湖泊、景區(qū)等水上項目旅游資源的開發(fā)，游船作為一種親近大自然的載體，已逐漸成為人們旅游度假的娛樂方式。但從游船動力系統(tǒng)中排放的油水、廢氣和噪聲所引發(fā)的水體和空氣、噪聲污染問題已日益嚴重，使得綠色船舶的開發(fā)研究更具有現(xiàn)實意義。太陽能是一種可再生能源，易于得到，且取之不盡、用之不竭，將太陽能應用于游船上，其污染問題將迎刃而解。因此，太陽能光伏系統(tǒng)在船舶上的應用被越來越多，太陽能能源的應用技術就成為船舶最被關注的船舶綠色技術之一。

1 當前太陽能光伏系統(tǒng)應用實例

現(xiàn)行規(guī)范中對太陽能光伏技術的應用已有相關的要求，但主要是針對其作為船舶輔助能源的使用；而根據(jù)調(diào)研資料和研究結果，業(yè)界對于船舶主要能源應用太陽能光伏技術有了一定的需求，目前國內(nèi)應用較多的主要集中在觀光游船、游艇等，這類船舶所在航區(qū)水文條件較好，航程較短且固定，排水量較小，對航速要求無特別要求。例如2006年英國海德公園運營的太陽能觀光往返船；2008年北京頤和園內(nèi)迎奧運的太陽能游船；2010年上海世博會上具餐飲娛樂、商務會議等多種功能的“尚德國盛”號太陽能游船，如圖1；同年在臺灣高雄用作小型河流內(nèi)營運的太陽能游船[1]；2013年廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船，如圖2。盡管有2008年日本的太陽能貨船“御夫座領袖(AurigaLeader)”號；2011年被制造商稱為世界上最大的太陽能動力船的德國“星球太陽能”號，如圖3；及我國首艘大型光伏太陽能汽車滾裝船“中遠騰飛”號，如圖4。但由于太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量有限[3]，且技術要求高，目前在大中型船舶中僅能作為輔助推進及生活用電。

2 太陽能光伏系統(tǒng)應用特點分析

2.1使用模式分析

太陽能光伏系統(tǒng)在船舶上使用，根據(jù)用戶的需求和負載的不同，可分為獨立和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種形式。

2.2太陽電池組件技術特點

2.2.1太陽系統(tǒng)發(fā)電與安裝的特點

太陽能光伏板有多種安裝方式，不同朝向安裝下的太陽電池的發(fā)電量如圖7所示。在考慮安裝和朝向的同時，還應考慮遮擋問題，如晶體硅太陽電池，很小的遮擋會引起很大的功率損失；但遮擋對于薄膜電池的影響會小得多。另外，通風條件對于太陽電池組件的冷卻很重要，隨著溫度升高，發(fā)電量將減少；且組件溫度對安裝方式也有一定的影響[4]。

2.2.2 太陽電池的I-V特性及功率曲線

太陽電池特性曲線相當于太陽電池在外接一個0～∞變化的電阻時，輸出的電流、電壓以及功率曲線，如圖8。從圖中可知當電池在最大電流（IMAX）和電壓（VMAX）值時，將產(chǎn)生最大功率（PMAX）；曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產(chǎn)生的最大輸出功率。

2.2.3 溫度的影響

太陽電池的性能也受溫度的影響，其開路電壓隨著溫度升高而呈線性下降。在20～100°C間，每升高1°C每片電池的電壓約減少2 mV，但光電流卻略有上升。綜合分析可知當溫度升高時，太陽電池的功率將下降，如圖9。典型功率溫度系數(shù)為-0.35%/°C，即太陽電池溫度每升高1°C，功率下降0.35%。

2.2.4 “熱斑效應”的形成及預防

太陽電池組件是由多個太陽電池連接（串聯(lián)或并聯(lián)）和封裝而成的，為了提高轉(zhuǎn)換效率，理論上應選用相似特性的單體電池；但實際使用的太陽電池間存在著微小差異或被遮擋，使其特性在電路中失諧，且失諧的電池不僅對組件輸出貢獻低，且消耗了一部分其他電池所產(chǎn)生的能量，導致局部過熱，出現(xiàn)這種現(xiàn)象即為熱斑效應[5-8]，如圖10。據(jù)統(tǒng)計，熱斑效應使太陽電池組件的實際使用壽命至少減少10%。為了預防和解決熱斑現(xiàn)象，系統(tǒng)中將引入旁路二極管，使太陽電池片在出現(xiàn)異常情況不能發(fā)電時，起到旁路的作用，使其它電池片所產(chǎn)生的電流可由二極管流出，則太陽能發(fā)電系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)電，從而有效的遏制有害過熱點的產(chǎn)生。

2.3 光伏控制器的技術特點

太陽能控制器是在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，用來控制太陽電池方陣對蓄電池進行充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備，且具有對反接、短路、過流等進行有效的保護功能。

太陽電池板輸出能力隨光照的不同而改變的，見圖11所示，光伏陣列工作點的控制主要有恒電壓控制（CVT）和MPPT這2種方式。CVT控制簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但受溫度影響大。MPPT是是一種自主尋優(yōu)方式，動態(tài)性能較好，但穩(wěn)定性不如CVT[9]。

2.3.1 孤島效應（僅并網(wǎng)型逆變器）

孤島效應是指在主電網(wǎng)中并入了發(fā)電裝置，但在主電網(wǎng)斷電的情況下，該發(fā)電裝置仍向主電網(wǎng)供電，且檢測不到或根本沒有相應檢測方法。孤島效應的出現(xiàn)，將對整個配電系統(tǒng)設備及用戶端的設備造成不利的影響。危害電力維修人員的生命安全；影響配電系統(tǒng)上的保護開關動作程序；孤島區(qū)域所發(fā)生的供電電壓與頻率的不穩(wěn)定性質(zhì)會對用電設備帶來破壞；當供電恢復時造成的電壓相位不同步將會產(chǎn)生浪涌電流，可能會引起再次跳閘或?qū)夥到y(tǒng)、負載和供電系統(tǒng)帶來損壞；光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相負載的欠相供電問題[10]。

2.3.2 并網(wǎng)功能（僅并網(wǎng)型逆變器）

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中， 需要實時檢測電網(wǎng)電壓的相位和頻率以控制并網(wǎng)逆變器， 使其輸出電流與電網(wǎng)電壓相位及頻率保持同步，即同步鎖相。同步鎖相是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的一項關鍵技術， 其控制精確度直接影響到系統(tǒng)的并網(wǎng)運行性能。倘若鎖相環(huán)電路不可靠， 在逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)工作切換中會產(chǎn)生逆變器與電網(wǎng)之間的環(huán)流，對設備造成沖擊，縮短設備使用壽命，嚴重時還將損壞設備。目前，對基于DSP 的數(shù)字鎖相環(huán)的應用較多，使用DSP芯片的CAPTURE口進行捕獲。軟件檢測得到電網(wǎng)頻率和相位，并調(diào)整并網(wǎng)電流的頻率和相位，從而使得并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻，相位差180°[11]。

3 太陽能光伏系統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

由于太陽能光伏受晝夜、季節(jié)及氣候等條件的影響[12]，需要在良好的光照條件下才能正常工作發(fā)電，如圖12。當采用光伏發(fā)電無蓄電池方案時，若區(qū)域氣候變化幅度大，將造成電力負荷的大幅波動；若空氣質(zhì)量差比如空氣污染，或能見度差比如霧霾天或陰天等，都將使光伏發(fā)電在線或?qū)崟r出力下降。

圖13是一份國家電網(wǎng)光伏發(fā)電的統(tǒng)計圖表，圖中表明由于光照條件的不同，可導致光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的的出力差值達到額定功率的25%，且瞬間的出力變化可達到大于60%。當光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力減少時，將造成大量的功率損失；因此，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電容量比例增大，將直接影響到電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

3.1 孤島效應風險（僅對于并網(wǎng)系統(tǒng)而言）

電網(wǎng)中孤島的危害很大，不僅在主電網(wǎng)斷電時檢修會帶來危險，還會破壞孤島中的部分電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。因此，當發(fā)生孤島效應時，應快速準確地切除并網(wǎng)逆變器，同時應從電站管理系統(tǒng)上進行有效的控制或抑制。

3.2 與常規(guī)能源等效性比較及應用建議

綜合分析，太陽能的應用上應考慮其不穩(wěn)定、易突變以及置信度低等特點，因此在船舶上使用，建議以下兩類情況：

3.2.1 離網(wǎng)光伏系統(tǒng)

由于太陽能受氣候、光照條件的影響，發(fā)電量存在波動現(xiàn)象，因此，離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)向負載供電時，通常情況下會配備輔助能源蓄電池。其用途有兩方面：其一，用作光伏發(fā)電富余時儲能，當光伏發(fā)電作為主電源時，蓄電池無法通過其他方式充電，此時可利用儲備的能源在光伏發(fā)電匱乏時進行補充。該蓄電池的容量應根據(jù)全天光伏發(fā)電內(nèi)的有效時間與比重的要求決定，同時考慮一定的自給天數(shù)，從而使得光伏發(fā)電系統(tǒng)能滿足全天的負載使用。其二，對于蓄電池可通過其他方式充電的，可根據(jù)實際需求，合理設計光伏系統(tǒng)。

3.2.2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)并非獨自向負載供電，而是作為主電網(wǎng)能量的來源型式向負載供電，因此，蓄電池儲存能源的配置，蓄電池的功率和容量以及自給天數(shù)等情況不列入考慮范圍，僅需并網(wǎng)輸出即可。但需引起注意的是，由于光伏系統(tǒng)發(fā)電受晝夜的更替及氣象等條件的影響，在計算電力負荷時，一般發(fā)電設備總發(fā)電量中不計入光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。

4 結論

由于太陽能光伏發(fā)電供電系統(tǒng)自身的性能特點，決定了其在應用中具有其特有的優(yōu)勢和相關制約。特別應用于船舶電網(wǎng)，為了能得到連續(xù)、穩(wěn)定的太陽能，且最終成為能與常規(guī)能源相競爭的替代能源，這就需要解決蓄能問題，即把晴天的太陽能儲備起來，滿足夜間或陰雨天的使用需求；同時應致力于預防熱斑效應、孤島效應及電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究。目前這些問題正是太陽能在船舶紅應用中最為薄弱的環(huán)節(jié)，也成為我們今后船舶太陽能應用設計必須重點考慮的問題，本文所做的分析為太陽能光伏系統(tǒng)在船舶應用提供了設計參考。

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Analysis of Application of Solar Photovoltaic System to Ships

Zhan Wenwei

(China Classification Society Xiamen Branch, Xiamen 361006, China)

TM914.4

A

1003-4862（2015）01-0016-05

2014-07-14

占文偉(1980-), 男, 工程師。研究方向：光伏電池。