太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)在800PCC滾裝船上的應(yīng)用研究

鄒麗麗

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)在800PCC滾裝船上的應(yīng)用研究

鄒麗麗

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

為使船舶達(dá)到綠色、環(huán)保的要求，并解決能源緊缺問(wèn)題，在船上廣泛應(yīng)用太陽(yáng)能是一種有效途徑。介紹太陽(yáng)能在船上應(yīng)用的現(xiàn)狀和相關(guān)規(guī)范對(duì)太陽(yáng)能在船上應(yīng)用的規(guī)定。分析在800PCC滾裝船上應(yīng)用太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)，給出該船的基本參數(shù)和航線，結(jié)合這些基本信息分析該船太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式。通過(guò)研究總結(jié)出該船應(yīng)用太陽(yáng)能可帶來(lái)能效指數(shù)提高的積極效應(yīng)。

太陽(yáng)能；綠色船舶；滾裝船；能效指數(shù)

0 引 言

鑒于石油等傳統(tǒng)不可再生燃料日益減少及其對(duì)環(huán)境造成的危害日益加劇，世界各國(guó)紛紛開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)環(huán)保措施的研究。太陽(yáng)能光伏作為目前世界上最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?，在環(huán)保和節(jié)能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用到船舶上是目前綠色船舶發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。在這種背景下，天海融合防務(wù)裝備有限公司在其設(shè)計(jì)的800PCC滾裝船上應(yīng)用太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)具有十分重要的意義，是將太陽(yáng)能應(yīng)用到船舶上的一個(gè)成功案例。

1 規(guī)范對(duì)太陽(yáng)能在船上應(yīng)用的規(guī)定

太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)的發(fā)電量有限，在大型船舶上只能用于輔助推進(jìn)和生活供電[2]。此外，《鋼制內(nèi)河船舶建造規(guī)范》2012修改通報(bào)中規(guī)定，太陽(yáng)能電池只用作船舶的輔助電源。因此，目前太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)作為主動(dòng)力提供系統(tǒng)或混合動(dòng)力來(lái)源之一，僅應(yīng)用在小型觀光船、旅游船和渡船等船舶上。因?yàn)檫@類船舶所在航區(qū)一般水文條件較好，船舶排水量較小，沒(méi)有嚴(yán)格的航速要求，航程較短且固定。此外，這類船舶除了設(shè)置少量照明和航行設(shè)備之外，沒(méi)有其他大功率的用電設(shè)備。

2 滾裝船利用太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)能主要通過(guò)布置在船上的太陽(yáng)能電池板等裝置來(lái)收集，因此是否有足夠的空間布置太陽(yáng)能電池板及電池板的布置形式是否合理是判斷太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)能否應(yīng)用于船上的兩大因素[3]。例如：集裝箱船、雜貨船及特種船的主甲板上沒(méi)有大面積區(qū)域來(lái)安裝太陽(yáng)能電池板；油船的上甲板雖然具有大面積區(qū)域，但需要考慮電氣設(shè)備的防爆性要求，不適宜作為太陽(yáng)能電池板的安裝平臺(tái)；滾裝客貨船的頂部擁有較大的空間，可作為太陽(yáng)能電池板的安裝平臺(tái)；干散貨船、躉船和游艇上也有大面積的空間可用來(lái)安裝太陽(yáng)能電池板。可見(jiàn)，800PCC滾裝船在太陽(yáng)能利用上有充足的空間條件。該船太陽(yáng)能電池板安裝布置圖見(jiàn)圖1。

3 太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)在800PCC滾裝船上的應(yīng)用

3.1 800PCC滾裝船基本參數(shù)

3.1.1 船舶基本參數(shù)和航線

該船為內(nèi)河商品汽車滾裝船，往返于上海和重慶。船舶主尺度為：總長(zhǎng)110.00m，型深5.20m，最大船寬19.20m，設(shè)計(jì)吃水2.80m，結(jié)構(gòu)吃水3.00m。

3.1.2 船級(jí)符號(hào)

★ CSAD 滾裝貨船，A級(jí)航區(qū)、B級(jí)航區(qū)、C級(jí)航區(qū)和J2級(jí)急流航段。

★ CSMD BRC，太陽(yáng)能輔助動(dòng)力能源。

3.2 800PCC滾裝船太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)的組成

該船使用的發(fā)電系統(tǒng)是離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、光伏控制器、光伏逆變配電一體機(jī)和電力管理系統(tǒng)構(gòu)成，其與船舶電力系統(tǒng)之間的拓?fù)潢P(guān)系見(jiàn)圖2，圖中帶箭頭的線為信號(hào)線。

當(dāng)船舶電網(wǎng)為光伏逆變配電一體機(jī)供電時(shí)，由BUS-A和BUS-B 2路供電，在光伏逆變配電系統(tǒng)一體機(jī)內(nèi)部設(shè)置有自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。當(dāng)一路供電出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另外一路供電。

太陽(yáng)能電池陣列共有135塊電池板，按船東的要求，太陽(yáng)能光伏電池陣列采用15串9并的方案，每塊電池板的峰值功率為275W，理論日均最大發(fā)電量167.085kW·h，實(shí)際日均最大發(fā)電量121.05kW·h。額定輸出電壓為320.0V，SOC設(shè)定最低值10%~15%。

3.3 800PCC滾裝船太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)磷酸鐵鋰電池應(yīng)用安全技術(shù)要求

中國(guó)船級(jí)社《太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》[4]針對(duì)安全問(wèn)題提出以下要求：

1) 第3.2.2.1條規(guī)定，電池間均應(yīng)采取機(jī)械通風(fēng)或其他溫度調(diào)節(jié)裝置，以避免蓄電池周圍環(huán)境溫度過(guò)高，通風(fēng)口應(yīng)有防止水和火焰進(jìn)入的措施。

2) 第3.2.2.4條規(guī)定，電池艙（室）、箱、柜內(nèi)，除電池系統(tǒng)外應(yīng)避免安裝電氣設(shè)備，若必須安裝，應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離電池，且應(yīng)將電氣設(shè)備的發(fā)熱量計(jì)入蓄電池間通風(fēng)量的計(jì)算中。

3) 第3.2.2.6條規(guī)定，電池艙（室）內(nèi)必須設(shè)有獨(dú)立的溫度探測(cè)裝置，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，應(yīng)能在經(jīng)常有人值班的處所發(fā)出聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)報(bào)警。

4) 第3.2.2.7條規(guī)定，電池艙（室）需要配備固定式滅火系統(tǒng)。

針對(duì)以上要求，該船分別對(duì)蓄電池和光伏電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備設(shè)置磷酸鐵鋰電池間、光伏電氣間及七氟丙烷間。在磷酸鐵鋰電池間、光伏電氣間分別設(shè)有溫度傳感器和機(jī)械通風(fēng)設(shè)施。

3.4 太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)的供電模式

3.4.1 光伏系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)

太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為直流電，光伏控制器履行最大輸出功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制功能。在光伏陣列輸出功率大于負(fù)載功率的情況下，光伏控制器首先將一部分電能經(jīng)光伏逆變器單元轉(zhuǎn)換成與船電同壓同頻（400V/50Hz）的正弦交流電，然后經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換成220V交流電，為船舶部分照明供電，多余的電能給蓄電池充電；在光伏陣列輸出功率小于負(fù)載功率的情況下，切換到為光伏控制器和蓄電池光伏逆變器單元輸電，具體的轉(zhuǎn)換過(guò)程與光伏陣列輸出功率大于負(fù)載功率的情況相同。

3.4.2 光伏系統(tǒng)輸出功率不足狀態(tài)

在長(zhǎng)期陰雨天的情況下，當(dāng)光伏陣列電力輸出不足且蓄電池能量不足以支撐用電負(fù)載正常運(yùn)行（降到SOC 下限值）時(shí)，由船舶電力系統(tǒng)旁路給照明負(fù)載供電。同時(shí)，為避免鋰離子蓄電池因長(zhǎng)期處于虧電狀態(tài)而導(dǎo)致儲(chǔ)電特性降低的現(xiàn)象，利用船舶電力系統(tǒng)經(jīng)充電器單元給蓄電池充電。

3.4.3 光伏系統(tǒng)故障狀態(tài)

當(dāng)光伏系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，采用船舶電力系統(tǒng)供電模式，將手動(dòng)聯(lián)鎖斷路器切換至原船舶電力系統(tǒng)，由船舶電力系統(tǒng)旁路給照明負(fù)載供電。

以上幾種供電模式中的電流流向見(jiàn)圖3。

3.5 太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)部分照明分電箱供電負(fù)載表

太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)部分照明分電箱供電負(fù)載配置見(jiàn)表1。

表1 照明分電箱負(fù)載配置

4 能效設(shè)計(jì)指數(shù)和《船舶能效管理計(jì)劃》[5]

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）評(píng)估指南》，該船EEDI的計(jì)算完全滿足要求。為積極承擔(dān)長(zhǎng)江流域環(huán)境保護(hù)的社會(huì)責(zé)任，打造綠色航運(yùn)企業(yè)，按照中國(guó)海事局和中國(guó)船級(jí)社等相關(guān)管理機(jī)構(gòu)、行業(yè)組織的要求，針對(duì)該船建立《船舶能效管理計(jì)劃》（Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP）。該計(jì)劃是遵照中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》和《內(nèi)河船舶能效計(jì)劃（SEEMP)編制指南》等相關(guān)導(dǎo)則及國(guó)內(nèi)相關(guān)法律法規(guī)和文件的要求編制的，明確要求充分利用太陽(yáng)能光伏輔助發(fā)電的功能，為該船的照明系統(tǒng)供電，同時(shí)利用鋰電池組進(jìn)行電能儲(chǔ)備。充分利用太陽(yáng)能光伏輔助發(fā)電為照明系統(tǒng)供電的功能，降低輔機(jī)的發(fā)電功率，減少燃油消耗及NOx和CO2排放，達(dá)到降低船舶能源消耗、提高能源利用效率和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)的目的，以滿足中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河船舶綠色規(guī)范》及國(guó)內(nèi)其他相關(guān)法律法規(guī)的要求。

根據(jù)實(shí)船測(cè)試計(jì)算，Attained EEDI=52.878g/(t·n m ile)；根據(jù)《內(nèi)河綠色船舶設(shè)計(jì)規(guī)范》（2013版）的要求，綠色船舶-I的能效設(shè)計(jì)指數(shù)限制為RLV=ab-c=54.163。Attained EEDI

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)太陽(yáng)能光伏電力系統(tǒng)在800PPC滾裝船上的應(yīng)用及對(duì)該船的能效分析，在該船上應(yīng)用太陽(yáng)能可節(jié)省船舶輔機(jī)的燃油消耗，優(yōu)化EEDI。太陽(yáng)能在該船上的成功應(yīng)用為今后太陽(yáng)能在該船型乃至其他大型船舶上的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] 盧曉平，魏光普，張文毓. 太陽(yáng)能動(dòng)力船舶發(fā)展綜述[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008, 20 (4): 45-50.

[2] 陳立劍，徐建勇. 太陽(yáng)能光伏電力推進(jìn)在船舶上的應(yīng)用研究[J]. 船海工程，2013, 42 (2): 160-164.

[3] 林杰，袁成清，孫玉偉，等. 太陽(yáng)能電池板在不同類型船舶上的布置優(yōu)化[J]. 船海工程，2010, 39 (6): 116-120.

[4] 中國(guó)船級(jí)社. 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南[S]. 2014.

[5] 王分良. EEDI時(shí)代的船舶減排[J]. 中國(guó)船檢，2009 (8): 62-65.

Research on the App lication of Solar Photovoltaic System onboard 800PCC RO-RO Ship

ZOU Li-li
（Bestway Marine & Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201612, China）

Application of solar energy on ship is an effective way to comply w ith the environmental requirements, green ship requirements and the situation of energy shortage. This paper introduces the status quo and the relevant regulations of solar energy on ships; analyzes the advantages of solar energy on an 800PCC RO-RO ship, provides the basic parameters and the routes of the ship; and analyzes the structure and operation mode of the solar photovoltaic system on the ship based on the above given information. The potential improvement of energy efficiency by solar energy on the ship is also summarized in the study.

solar energy; green ship; RO-RO ship; energy efficiency design Index (EEDI)

U674.135；U671.99

A

2095-4069 (2017) 03-0051-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.011

2016-09-12

鄒麗麗，女，工程師，碩士，1983年生。2008年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶與海洋工程電氣技術(shù)開(kāi)發(fā)研究及設(shè)計(jì)工作。