純太陽能驅(qū)動(dòng)的豪華游艇分析

張輝

摘? 要：隨著節(jié)能環(huán)保理念的加強(qiáng)和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的成熟，太陽能驅(qū)動(dòng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，太陽能驅(qū)動(dòng)的豪華游艇為太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用場合之一。該文主要分析了太陽能驅(qū)動(dòng)的豪華游艇的特點(diǎn)以及豪華游艇的動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞：太陽能;豪華游艇;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK511? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，大多數(shù)城市旅游船都是由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的。尤其是一些水庫，它們還擔(dān)負(fù)著城市供水水源地的作用，這導(dǎo)致一些城市在開發(fā)利用水資源、發(fā)展城市水上旅游業(yè)與城市水資源污染方面產(chǎn)生矛盾。

如今多個(gè)國家都在解決資源問題。我國面臨的現(xiàn)狀是大部分燃料是不可再生資源，因此許多科學(xué)家現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向太陽能。與不可再生資源相比，太陽能可以說是綠色能源。綜合游艇行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，“漂浮在黃金水道上的巨大商機(jī)”必將再一次改變游艇產(chǎn)業(yè)的格局，而隨著對(duì)新能源游艇的深入研究，最終太陽能會(huì)作為燃料的替代能源已是業(yè)內(nèi)權(quán)威人士公認(rèn)的實(shí)事。然而，由于太陽能電池板的效率不足，所需的面積太大，并且玻璃封裝的太陽能電池板太厚、太重并且形狀有限。大多數(shù)國內(nèi)太陽能游艇仍然是混合動(dòng)力游艇。采用太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的游艇具有節(jié)能環(huán)保無污染等特點(diǎn)，為此該文對(duì)純太陽能驅(qū)動(dòng)的豪華游艇進(jìn)行了深入的分析。

1 豪華游艇的設(shè)計(jì)理念及特點(diǎn)

豪華游艇的設(shè)計(jì)理念應(yīng)做到4點(diǎn)，一是游艇造型時(shí)尚大方，擁有簡潔柔和的外部線條。二是利用太陽能減少湖泊水污染。三是在內(nèi)湖應(yīng)用還需考慮噪聲污染，太陽能船被公認(rèn)為是新能源中最為安全，也是噪聲最低的。第四是使用磷酸鐵鋰電池并使用低功率負(fù)載。

在太陽能豪華游艇中，船體的主要結(jié)構(gòu)甲板和艙壁由玻璃纖維增強(qiáng)塑料（通常稱為FRP）與PVC材料采用層壓方式壓合而成。2個(gè)車體之間采用箱形結(jié)構(gòu)，形成船體，其結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性和完整性，用以確保船體的強(qiáng)度。太陽能驅(qū)動(dòng)的豪華游艇中現(xiàn)有艙內(nèi)面積約為40 ㎡，主要用于商務(wù)接待。房間配有空調(diào)、沙發(fā)、儲(chǔ)物柜、衛(wèi)星液晶電視和音響系統(tǒng)等。室外設(shè)有休閑桌椅，甲板部分鋪設(shè)高檔游艇柚木。同時(shí)還有油漆保護(hù)，太陽能驅(qū)動(dòng)的豪華游艇水線以下均涂有防腐漆。對(duì)于舾裝部分，內(nèi)飾豪華裝修，采用高檔櫻桃木面板裝飾，高檔軟包，地面選用高級(jí)阻燃地毯，圍壁選用高檔軟包裝飾。燈具采用長壽命LED、高透光率的亞克力及散熱效果極佳的鋁合金材質(zhì)，外觀簡潔大方，光線晶瑩剔透，并針對(duì)其長期在湖泊等惡劣環(huán)境下航行做了密封及防銹處理。

2 太陽能豪華游艇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于太陽能驅(qū)動(dòng)的豪華游艇，主要采用太陽能電池板，太陽能電池板主要可分為晶體硅電池和薄膜涂層電池，該豪華游艇主要采用晶體硅電池作為太陽能電池板的主要材料。其中可彎曲單晶硅太陽能電池是以高分子材料背板作為支撐體使用特殊的層壓工藝將背板、EVA、太陽能電池芯片及高分子聚合物前膜等材料復(fù)合制備而成?？蓮澢鷨尉Ч杼柲茈姵匕寰哂锌蓮澢?、重量輕、無玻璃、厚度薄、轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。

在太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，核心為PLC控制中心，通過太陽能控制器將太陽能作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而帶動(dòng)游艇前進(jìn)。由于太陽能為不穩(wěn)定的電源，因此需要配置48 V的蓄電池組，以達(dá)到為游艇提供穩(wěn)定的動(dòng)力電源的目的。在太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于還具有一部分直流負(fù)載，因此還需要配備交直流變換模塊，以為游艇中的直流負(fù)載供電。

2.2 太陽能儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該艇在左右2艙體內(nèi)各裝有4組蓄電池組作為動(dòng)力電源及常規(guī)（日用）供電。電池組的規(guī)格都為：48 V/200 Ah，每組電池由30個(gè)3.4 V/100 Ah的磷酸鐵鋰電池串并組成。每組電池組都裝在定制的電池箱內(nèi)，電池箱包括電池監(jiān)控系統(tǒng)、保險(xiǎn)絲和排風(fēng)扇。4組電池都可以供電，生活用電常規(guī)由第3組供電，第3組沒電的情況下優(yōu)先切換到第4組。在特殊情況下，電池組優(yōu)先考慮功耗問題。

對(duì)于太陽能供電系統(tǒng)，頂蓋上鋪設(shè)了12.4 kW太陽能電池板，分為4組，每組太陽能電池板3 000 W，每組配備一個(gè)太陽能控制器。當(dāng)太陽能控制器有充電電流輸出時(shí)，PLC控制器會(huì)根據(jù)電池組電壓自動(dòng)選擇一組電池組進(jìn)行充電，充電完成后PLC控制器自動(dòng)切換到其他電池組。對(duì)于渦輪機(jī)設(shè)備，2個(gè)直流無刷變頻電機(jī)安裝在船體的左右艙室中，每個(gè)電機(jī)額定功率為7.5 kW。根據(jù)蕪湖游艇試驗(yàn)結(jié)果，電機(jī)功率全速為11 kW，實(shí)際運(yùn)行時(shí)電機(jī)功率為2.4 kW。

2.3 太陽能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于太陽能控制系統(tǒng)，整個(gè)電力系統(tǒng)由PLC控制器自動(dòng)控制，遇緊急情況也可通過應(yīng)急開關(guān)人工控制。當(dāng)太陽能板有充電電流輸出時(shí)，PLC控制器會(huì)根據(jù)電池組電壓自動(dòng)選擇一組電池組進(jìn)行充電，充電完成后PLC控制器自動(dòng)切換到其他電池組。PLC控制器是在自動(dòng)控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的控制技術(shù)之一，由于太陽能為一種不穩(wěn)定的電源，當(dāng)太陽光照較為強(qiáng)烈的時(shí)候，可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，但當(dāng)沒有太陽光照時(shí)，則需要通過蓄電池進(jìn)行放電來為游艇提供持續(xù)不斷的動(dòng)力。在這個(gè)動(dòng)力過程中，主要需要采用PLC控制器進(jìn)行能量控制，表1為太陽能游艇的主要參數(shù)。

對(duì)于船用變頻空調(diào)，采用直流供電方式，低頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小。內(nèi)含耐腐蝕高效鎳銅換熱器，其中緊固件采用不銹鋼鉚接螺母。并配備獨(dú)有的變頻控制器，專為無發(fā)電機(jī)的船艇設(shè)計(jì)，是一種可用于48 V直流電源頻率的新型船用空調(diào)，適用于太陽能船艇。根據(jù)太陽能游艇的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，太陽能板發(fā)電在春季和冬季足夠5.9 h。在夏秋季節(jié)行駛10.7 h，因此能夠?yàn)樘柲苡瓮峁┓€(wěn)定的動(dòng)力。

3 太陽能游艇發(fā)展前景展望

太陽能船由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在航行期間噪聲低，乘客舒適性高，對(duì)周圍環(huán)境無噪聲污染。太陽能游艇具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。此外，太陽能游艇具有顯著的節(jié)能減排效果。中國許多河流和大多數(shù)湖泊使用的燃料船，如果按照我國1 000艘太陽能游船的數(shù)量計(jì)算，無論是燃料消耗還是污染物排放量，這都是一個(gè)非常驚人的數(shù)字。

但太陽能游艇也存在以下需要改善和提高的問題，一是控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)游艇復(fù)雜，遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)智能化程度需要提高;二是安裝太陽能板面積有限，大動(dòng)力游艇無法全靠太陽能提供動(dòng)力;三是在連續(xù)陰雨天的情況下，需要岸上充電來提供電力;四是電池管理需要不斷優(yōu)化，應(yīng)設(shè)多重保護(hù)，出現(xiàn)故障應(yīng)設(shè)有聲光等智能化報(bào)警系統(tǒng)。

4 結(jié)語

隨著全球能源形勢的不斷嚴(yán)峻，未來以太陽能為代表的新能源的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷拓寬。太陽能豪華游艇采用太陽能作為游艇的動(dòng)力，具有節(jié)能環(huán)保無污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，在未來的游艇市場中將具有較大的應(yīng)用空間，該文主要對(duì)太陽能驅(qū)動(dòng)的游艇的動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，對(duì)于推廣使用太陽能游艇具有一定的意義和價(jià)值。

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