船舶太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的探討

【摘 要】隨著全球石油能源逐漸減少，燃油價(jià)格不斷上漲，船舶運(yùn)營(yíng)成本持續(xù)增加，如何進(jìn)一步開發(fā)綠色船舶，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排已迫在眉睫。開發(fā)可再生新能源是減小環(huán)境污染和溫室氣體排放的重要手段，尤其是船舶可再生動(dòng)力能源技術(shù)的研發(fā)，對(duì)船舶科技可持續(xù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。文章分析了大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)運(yùn)行模式，基于某實(shí)船構(gòu)建了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，并估算了系統(tǒng)構(gòu)建成本，展望了太陽(yáng)能資源開發(fā)的美好前景。

【關(guān)鍵詞】船舶 太陽(yáng)能 光伏系統(tǒng)

隨著全球石油能源逐漸減少，開發(fā)可再生新能源著深遠(yuǎn)的意義，本文搜集并初步研討太陽(yáng)能這一重要可再生資源在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 特點(diǎn)

從太陽(yáng)能獲得電力，需通過太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下幾大特點(diǎn)：

（1）太陽(yáng)能資源不會(huì)枯竭，資源分布廣泛，受地域限制?。唬?）太陽(yáng)能電池主要材料——硅，原材料豐富；（3）無(wú)需機(jī)械傳動(dòng)部件，無(wú)噪音，穩(wěn)定性高；（4）維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低。太陽(yáng)能電力系統(tǒng)也有其不足之處，原材料成本較高，轉(zhuǎn)換效率低；較難精確預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)發(fā)電量；發(fā)電時(shí)間受季節(jié)、晝夜、陰晴等氣象狀況影響較大等。當(dāng)然，上述技術(shù)瓶頸是可以逐步突破的，太陽(yáng)能的開發(fā)利用必將成為全球最熱門的課題。

2 結(jié)構(gòu)原理

太陽(yáng)能發(fā)電是利用電池組將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽(yáng)能電池組件是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽(yáng)能電池組件（板）、蓄電池、控制器、逆變器、照明等負(fù)載組成。其中，太陽(yáng)能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)，負(fù)載為系統(tǒng)終端。

太陽(yáng)能電池（板）與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，由此可見，電池板及蓄電池性能將直接影響著系統(tǒng)的工作特性?？刂破鞯闹饕δ苁鞘固?yáng)能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得光伏電池組件最大輸出功率。逆變器主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電，通過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與負(fù)載頻率，額定電壓等匹配的正弦交流電。上述控制器及逆變器構(gòu)成控制保護(hù)系統(tǒng)，具備以下功能：蓄電池充放電控制、直交流逆變控制、并網(wǎng)控制、最大功率跟蹤控制、信號(hào)檢測(cè)、設(shè)備保護(hù)、故障診斷定位、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)指示。下圖1 為家用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。

3 船舶太陽(yáng)能系統(tǒng)

參照陸用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)基本原理與組成，分析大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)運(yùn)行模式，制定船舶太陽(yáng)能系統(tǒng)初步方案，提供設(shè)計(jì)思路。根據(jù)不同場(chǎng)合電氣設(shè)備負(fù)荷要求不同，以及成本控制等實(shí)際情況，船舶太陽(yáng)能系統(tǒng)由易到難一般可分三大類型：獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

（1）獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示：太陽(yáng)能電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為直流形式的電能，一般只在白天有太陽(yáng)光照射的情況下輸出能量。根據(jù)負(fù)載需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能單元，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時(shí)，太陽(yáng)能電池通過充電器對(duì)蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，太陽(yáng)能電池和蓄電池同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。

圖2 獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)

（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示：一般帶有蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的成為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

上述的并網(wǎng)模式是指光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與船舶電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，通過船舶電站向全船供電，簡(jiǎn)單來(lái)講，并網(wǎng)模式配合逆變器，并將電力通過逆變器輸出側(cè)接入電網(wǎng)，此時(shí)要求逆變器輸出電流波形符合電網(wǎng)要求。其構(gòu)建的主導(dǎo)思想是將光伏系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，在電力匹配中，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī)。

（3）混合型太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)如圖4所示：是指光伏電能與其他形式來(lái)源的電能進(jìn)行混合調(diào)度使用，不存在并網(wǎng)關(guān)系。與上述兩個(gè)系統(tǒng)的區(qū)別在于增加了一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)，可以啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器給蓄電池充電。

圖4 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)

當(dāng)然，船用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的構(gòu)建，不局限于上述三種類型，可以根據(jù)船型及經(jīng)濟(jì)性等各方因素進(jìn)行優(yōu)化組合。

4 實(shí)船案例

（1）2012年，由日郵集團(tuán)投資，三菱重工建造的全球首制混合電力系統(tǒng)汽車滾裝船交付使用，該船發(fā)電系統(tǒng)由三臺(tái)1，150kW柴油發(fā)電機(jī)及一套容量為480kW的太陽(yáng)能光伏鋰電池組供電系統(tǒng)組成，系統(tǒng)圖及布置圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)圖及布置圖

*該系統(tǒng)中逆變控制單元PWM Inverter Panel由TAIYO提供，太陽(yáng)能光伏電池供電系統(tǒng)由Panasonic提供，船型基本信息如下：

船名：Emerald Ac 容納：6，400輛客車 L.O.A.： 199.99m Beam： 32.26m Depth： 34.52m Draft： 9.725m

5 NACKS 6，200PCC實(shí)船應(yīng)用

5.1 船型比對(duì)

參考NYK實(shí)船案例，以我司6，200PCC汽車滾裝船為基礎(chǔ)，初步研討太陽(yáng)能系統(tǒng)的可行性，船型基本信息如下：

L.O.A.： 199.90m

Beam： 32.26m

Depth： 34.35m

Draft： 8.9m

D/G： 1，200kWx3

E/G： 150kWx1

5.2 系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)測(cè)量，該船上甲板暴露部分面積為：Garage Top-2340㎡， 居住區(qū)-650㎡， 艏部-400㎡，暴露部分面積總計(jì)達(dá)到了3390㎡，均可用于布置太陽(yáng)能電池板。另設(shè)置一空艙以布置控制單元及蓄電池電源單元，經(jīng)初步檢查，該船Bosun store內(nèi)空間余量較大，且離居住區(qū)較近，方便提供日?；旧钏璧碾娏?，故將太陽(yáng)能控制屏及蓄電池布置于Bosun store，系統(tǒng)如圖6所示。

5.3 問題難點(diǎn)

該系統(tǒng)僅作初期構(gòu)建，若進(jìn)入實(shí)船應(yīng)用階段，需要挖掘并解決上述特點(diǎn)介紹中提到的幾點(diǎn)問題：原材料成本較高，轉(zhuǎn)換效率低；較難精確預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)發(fā)電量；發(fā)電時(shí)間受季節(jié)、晝夜、陰晴等氣象狀況影響較大；相關(guān)法規(guī)規(guī)范的研究；其它諸多因素（待查）。

以上幾點(diǎn)問題，看似與配套廠家密切相關(guān)，船廠掌握的主動(dòng)權(quán)不大，但船廠若能掌握系統(tǒng)原理，熟悉各種原材料特性，并選好合作廠商，就能先人一步領(lǐng)先開發(fā)。下面針對(duì)問題準(zhǔn)備/收集了市場(chǎng)信息/系統(tǒng)原理如下：

（1）原材料成本有多高，轉(zhuǎn)換效率水平又如何；據(jù)《太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展研究報(bào)告》調(diào)查（2010年）：目前光伏發(fā)電的成本是火電的10倍，利用國(guó)產(chǎn)設(shè)備健在一個(gè)50兆瓦的太陽(yáng)能熱（光熱）電站，投資預(yù)計(jì)在10億元（含土地成本），單位設(shè)備投資在1.5萬(wàn)元/kW左右，同等規(guī)模的光伏發(fā)電站則需要20多億元平均4萬(wàn)元/kW左右（其他一些機(jī)構(gòu)估算最高達(dá)到了6萬(wàn)元/kW左右）；據(jù)《太陽(yáng)能動(dòng)力船舶發(fā)展綜述》調(diào)查（2008年）：現(xiàn)在單晶硅光伏裝置的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到了24.7%，大規(guī)模生產(chǎn)的硅太陽(yáng)能電池的效率為13%～18%，而砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室最高效率已經(jīng)達(dá)到37%左右（成本較昂貴，多用于航空軍事領(lǐng)域），可見，太陽(yáng)能光伏裝置即光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率對(duì)船舶太陽(yáng)能系統(tǒng)至關(guān)重要，亦可見光伏電池占整個(gè)系統(tǒng)的成本、戰(zhàn)略比重；逆變器、蓄電池也占據(jù)部分成本比例。據(jù)《太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展研究報(bào)告》調(diào)查（2010年）：逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對(duì)諧波要求不高的系統(tǒng)。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負(fù)載；

此外，在逆變系統(tǒng)中也存在一定的功率損耗，其效率指標(biāo)據(jù)《太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理及關(guān)鍵設(shè)備》調(diào)查， 逆變器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了95%以上，如下表1。

（2）如何精確預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)發(fā)電量；預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)發(fā)電量的目的即從光伏電池中獲取更多的電能，充分利用光伏電池組件的能量，目標(biāo)光伏組件盡可能地工作在最大功率點(diǎn)，這就引入了MPPT技術(shù)概念，MPPT-Maximum Power Point Tracking（最大功率點(diǎn)跟蹤）技術(shù)是充分利用光伏電池組件能量必備的技術(shù)，通過不斷對(duì)PV的電壓（電壓控制）或電流（電流控制）進(jìn)行小幅度的擾動(dòng)，實(shí)時(shí)計(jì)算其輸出功率的變化，從而逐漸實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，如表2。

表2 最大功率點(diǎn)的跟蹤

（3）發(fā)電時(shí)間的限制；太陽(yáng)能的獲取受制于四季、晝夜、陰晴、航線等條件，系統(tǒng)無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電，但根據(jù)太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度，是可以估算出單位面積時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)年平均輻射強(qiáng)度的，根據(jù)百度百科提供的《太陽(yáng)能發(fā)電》調(diào)查所得：地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1369w/㎡，地球赤道的周長(zhǎng)為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173000TW，在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/㎡，地球某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/㎡。由此也印證了上表2 某研發(fā)機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)，即峰值發(fā)電量為1000w/㎡，平均發(fā)電量為200w/㎡。

（4）法規(guī)規(guī)范的研究及其它；太陽(yáng)能船舶系統(tǒng)的研究，首先要基于滿足相關(guān)法規(guī)規(guī)范的要求，部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如下：

IEC_61646-1996 Thin-film terrestrial photovoltaic （PV） modules

IEC_61730-1_（2004-10） Photovoltaic （PV） module safety qualification –Part 1 Requirements for construction

IEC_61730-2_（2004-10）Photovoltaic （PV） module safety qualification –Part 2 Requirements for testing

GB 11009-1989 太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)測(cè)試方法，GB 11011-1989 非晶硅太陽(yáng)電池電性能測(cè)試的一般規(guī)定，GB 12632-1990 單晶硅太陽(yáng)電池總規(guī)范，GBT 14008-1992 海上用太陽(yáng)電池組件總規(guī)范，此外，系統(tǒng)安全性、船舶穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等其它問題點(diǎn)也需要考慮。

5.4 成本估算

基于我司6，200PCC汽車滾裝船，并根據(jù)上述系統(tǒng)構(gòu)建及部分難點(diǎn)的突破，進(jìn)行太陽(yáng)能電力系統(tǒng)的成本初期估算如表3：

根據(jù)表3 中6，200PCC實(shí)際電力消耗，并由太陽(yáng)能系統(tǒng)效率轉(zhuǎn)換，推算出太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電量，進(jìn)而估算出系統(tǒng)中太陽(yáng)能光伏電池的數(shù)量、單位用電量的成本投入等。

表3 陽(yáng)能電力系統(tǒng)的成本初期估算

從表3 中可見，本船裝備了側(cè)推器，在靠離港及裝卸貨工況下電力負(fù)荷較大，考慮此種情況可以借助柴油發(fā)電機(jī)及岸電等設(shè)備，沒有使用太陽(yáng)能電力系統(tǒng)的必要，故僅考慮Normal sea going及In port工況，對(duì)比可得，系統(tǒng)需要的最大電量為830.4kW，擬將太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)逆變環(huán)節(jié)效率定為95%，光伏電池效率為18%，從而推算出系統(tǒng)的最大發(fā)電量為4856kW，由單位面積太陽(yáng)輻射量0.2kW/㎡可得，需要太陽(yáng)能光伏電池的面積為24280㎡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出本船暴露部分的面積總和3390㎡，由此也可知，就目前的技術(shù)水平來(lái)講，大型遠(yuǎn)洋船舶上，太陽(yáng)能完全取代傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走。反之，由全船暴露部分的面積3390㎡可得，系統(tǒng)最大發(fā)電量為115.9kW，已完全能夠滿足包括照明系統(tǒng)、電梯、日用設(shè)備、通導(dǎo)無(wú)線設(shè)備等的使用，根據(jù)每千瓦4～6萬(wàn)元成本估算，該系統(tǒng)總投入約460～700萬(wàn)元人民幣區(qū)間內(nèi)。

6 前景

當(dāng)然，上述算法偏保守，在如今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，相信不遠(yuǎn)的未來(lái)太陽(yáng)能系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都將逐步改善升級(jí)，比如對(duì)高效率低成本光伏電池的開發(fā)、太陽(yáng)能跟蹤裝置的開發(fā)、對(duì)多船體船體平臺(tái)的開發(fā)等等。由百度百科提供的《太陽(yáng)能發(fā)電》中則提到了一個(gè)更加激動(dòng)人心的計(jì)劃，即日本提出的創(chuàng)世紀(jì)計(jì)劃——其準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽(yáng)能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電，據(jù)測(cè)算，到2050年、2100年，即使全用太陽(yáng)能發(fā)電供給全球資源，占地也不過為186.79萬(wàn)平方公里、829.19萬(wàn)平方公里，而829.19萬(wàn)平方公里才占全部海洋面積的2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%，因此這一方案是有可能實(shí)現(xiàn)的。

7 結(jié)語(yǔ)

全球資源越發(fā)枯竭，未來(lái)國(guó)際社會(huì)對(duì)能源的競(jìng)爭(zhēng)必定越來(lái)越激烈，提倡節(jié)能環(huán)保是每個(gè)人必須思考的課題，目前全球?qū)μ?yáng)能的利用率還不高，研究太陽(yáng)能具有重大理論和實(shí)際意義，對(duì)可再生能源船舶的研發(fā)更具有迫切性，要堅(jiān)持對(duì)綠色新能源的研究開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏?jiǎn)蹋瑢O玉偉，袁成清，嚴(yán)新平.大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的構(gòu)建[J].船海工程，2010（6）：138-140.

[2] 太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展研究報(bào)告.possible.

作者簡(jiǎn)介：張東清（1985—），男，江蘇如東人，本科，畢業(yè)于蘇州大學(xué)，工程師，研究方向：船舶電氣。