118 m引航船太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 鋒

(江蘇大津重工有限公司, 江蘇 揚(yáng)中 212221)

0 引言

19世紀(jì)中葉，美國制成了實(shí)用的單晶硅太陽能電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。隨著太陽能光伏技術(shù)的日趨成熟和完善，太陽能已成為應(yīng)用較多的清潔能源之一。

目前，航行和停泊時(shí)船舶設(shè)備通常使用石油燃料來提供動(dòng)力和發(fā)電。使用石油燃料不僅噪聲大，排出的廢氣污染環(huán)境，而且經(jīng)常會(huì)發(fā)生燃油泄漏事件。因此，新型可再生清潔能源在船舶中的使用已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

本文結(jié)合以往應(yīng)用案例和正在承建的118 m引航船的應(yīng)用設(shè)計(jì)，針對(duì)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特有結(jié)構(gòu)模式，分析影響光伏發(fā)電系統(tǒng)在船舶中應(yīng)用的重要要素，歸納出光伏發(fā)電系統(tǒng)在船舶設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵要點(diǎn)。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)船應(yīng)用

太陽能是一種可再生能源，主能源是太陽光，不僅具有無噪音、無廢氣排放、無污染特點(diǎn)，還能減少消耗石化能源，保護(hù)環(huán)境，滿足世界公認(rèn)的環(huán)保要求。根據(jù)調(diào)研資料顯示，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在小型觀光游船、游艇等應(yīng)用相對(duì)較多。這類船舶排水量小、航程短且航線固定，最重要的是對(duì)航速無特別要求。應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的船舶有：英國海德公園的太陽能觀光船、北京頤和園內(nèi)的太陽能游船、中國第一艘太陽能混合動(dòng)力游船-上海世博會(huì)的“尚德國盛”號(hào)、廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船等。“尚德國盛”號(hào)外形圖如圖1所示，廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船外形圖如圖2所示。

圖1 “尚德國盛”號(hào)游船

圖2 廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船

2 太陽能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式

船舶太陽能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式一般分為并網(wǎng)式和離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種。

2.1 并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般不經(jīng)過蓄電池組儲(chǔ)能，通過并網(wǎng)逆變器直接將電能輸入公共電網(wǎng)，這樣可以減少蓄電池組儲(chǔ)能和釋放的過程，減小其中的能量消耗，因而節(jié)約了安裝空間，并降低了配置成本。并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般適用于躉船或長(zhǎng)期停泊固定地點(diǎn)的船舶。

2.1.1優(yōu)點(diǎn)

(1)技術(shù)方案簡(jiǎn)單成熟。

(2)光伏系統(tǒng)所發(fā)電量可全部被電網(wǎng)消納，利用率高。

(3)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，系統(tǒng)效率高。

(4)無需配置儲(chǔ)能裝置，造價(jià)低，維護(hù)成本低。

2.1.2缺點(diǎn)

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)即發(fā)即用，無法存儲(chǔ)，當(dāng)負(fù)載無法消納光伏電能時(shí)，存在浪費(fèi)。

2.2 離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)，主要由太陽能組件、離網(wǎng)逆變器、光伏控制器、蓄電池組、橋架及安裝附件組成。產(chǎn)生的直流電源可直接通過太陽能源儲(chǔ)存在蓄電池組中，供夜間或陰雨天氣使用。離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般用于遠(yuǎn)航船的照明系統(tǒng)或近航船舶的動(dòng)力能源。

2.2.1優(yōu)點(diǎn)

(1)完全獨(dú)立于外界電網(wǎng)，孤島運(yùn)行，相互之間無任何影響。

(2)通過增加外接電源旁路功能可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2.2缺點(diǎn)

(1)系統(tǒng)復(fù)雜，需配置儲(chǔ)能裝置，造價(jià)高。

(2)存在多次能量轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)效率低。

(3)蓄電池2～3 a需要更換，維護(hù)成本高。

根據(jù)船東的要求，118 m引航船采用了離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

3 影響光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的因素分析

及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

118 m引航船應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響要素主要包括航行區(qū)域、船型、穩(wěn)性、航速等。

3.1 航行區(qū)域的影響

設(shè)計(jì)船舶使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，需重點(diǎn)考慮船舶航區(qū)太陽能輻射資源。如果航區(qū)為多山、峽谷區(qū)域，太陽能輻射資源分布不充分，該類船舶設(shè)計(jì)使用光伏發(fā)電系統(tǒng)的可能性不大；太陽能輻射資源每月不均衡，也會(huì)導(dǎo)致蓄電池組容量增加和光伏組件陣列規(guī)模加大，無形中增加了建造成本。

118 m引航船是引航工作的海上基地，主要工作于長(zhǎng)江口南、北槽引航交接區(qū)(上海港)，其作業(yè)方式為錨泊狀態(tài)下接送引航員乘坐引航小艇為進(jìn)出港船舶領(lǐng)航，是引航員的短期居住驛站。該船航區(qū)單一，位置基本固定，正常往返于上海引航站碼頭和錨地。該航區(qū)的陽光輻射區(qū)域相對(duì)比較充分，無山脈遮擋，太陽能輻射資源分布充分，在設(shè)計(jì)時(shí)將太陽能電池板盡可能布置成平面布置，整體光照時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，讓太陽能電池板充分接受陽光。從以上分析得出，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用于118 m引航船。

3.2 船型的影響

設(shè)計(jì)船舶使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，需同時(shí)考慮船舶的船型、露天區(qū)域、開放甲板實(shí)際可使用的面積，要確認(rèn)是否有足夠的面積來布置船舶需要的太陽能電池板。

118 m引航船為艉機(jī)型，船體結(jié)構(gòu)為鋼質(zhì)、艏柱前傾、方艉，全船設(shè)三層縱通甲板和四層甲板室。在敞開式B甲板有約180 m2和羅經(jīng)甲板有約60 m2的面積用來放置太陽能電池板。實(shí)際可使用面積滿足布置電池板的要求。

3.3 船舶橫搖的影響

設(shè)計(jì)船舶光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)需考慮船舶橫搖及太陽能組件、橋架的布置方案的影響。

118 m引航船型寬19.0 m，型深7.8 m，設(shè)計(jì)吃水4.5 m，設(shè)計(jì)載重量為1 700 t。雖然上層建筑層高為2.9～3.0 m，但整體重心在51.0 m(自基線向上)和9.1 m(自艉垂線向前)處，船舶穩(wěn)性很好；安裝區(qū)域?qū)Π惭b組件進(jìn)行了必要的加強(qiáng)，加上太陽能組件和電池板橋架采用S316L材質(zhì)的加工而成，能很好地防止海水對(duì)支架的腐蝕，確保整體太陽能板的正常工作。

3.4 航速的影響

小型游艇設(shè)計(jì)還需考慮航速對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。由于航速與推進(jìn)系統(tǒng)的功率成立方關(guān)系，所以很小的航速需求，會(huì)增加很大的推進(jìn)電機(jī)功率，瞬時(shí)耗電量會(huì)迅速增加，導(dǎo)致對(duì)光伏陣列的規(guī)模也會(huì)增加，從而增加建造成本。

118 m引航船只在照明系統(tǒng)應(yīng)用了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)其他動(dòng)力方面未涉及到，本船不考慮航速突變對(duì)此系統(tǒng)的影響。

4 離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件和結(jié)構(gòu)配置

離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)組件包括：太陽能電池、太陽能光伏控制器、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、太陽能光伏逆變器、充電機(jī)、配電柜。離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置如圖3所示。

5 結(jié)語

船舶應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注影響系統(tǒng)應(yīng)用的要素，結(jié)合文中提及的設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)，重點(diǎn)評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。

在科學(xué)技術(shù)不斷更新發(fā)展的浪潮下，全球引發(fā)的氣候、污染等問題，也使得人們愈來愈關(guān)注綠色環(huán)保和智能生活。隨著太陽能光伏系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的容量在船舶總用電量中所占比例逐漸增多，電池陣列的安裝模式越來越節(jié)約高效。占據(jù)甲板大面積的問題得到改善后，光伏發(fā)電系統(tǒng)與船電系統(tǒng)的并網(wǎng)使用必將成為目前船舶動(dòng)力發(fā)展的趨勢(shì)。經(jīng)118 m引航船應(yīng)用證明了更多的公務(wù)用船已在考慮綠色能源的應(yīng)用，從而達(dá)到降低能耗的目的。

圖3 離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置

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