光伏发电系统在远洋船舶上的应用分析

马久明　靳有　秦红　宋士虎

摘 要：全球每年二氧化碳排放量中航运业的排放占很大一部分，把太阳能光伏发电技术应用到船舶上，是降低二氧化碳排放、提高能源利用率的新的研究方向。本文通过论述分析，拟在远洋船舶上搭载一套太阳能光伏发电系统与船舶主电网构成并网发电系统，为太阳能光伏技术在船舶上的应用进行初步探索。着重论述光伏系统种类、安装位置选取、安装容量计算。

关键词：光伏发电；远洋船舶；位置选择；容量计算

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

1 前言

随着全球经济由“重碳经济”向“低碳经济”转型，作为国民经济重要组成部分的航运业温室气体排放问题日益受到国际社会关注。根据国际油轮船东协会的研究报告，目前航运业每年消耗20亿桶燃油，排放超过12亿t的二氧化碳，约占全球总排放量的6%。有预测认为，到2020年全球航运业将需要40亿t燃油，温室气体排放也将在目前基础上增长75%。可见，航运业承担着低碳减排的社会责任和历史使命，各主要航运国家和地区开始高度重视发展安全、环保、节能的“绿色船舶”，倡导“绿色航运”。太阳能是一种可再生能源，不污染环境，被认为是替代石油能源的理想能源。太阳能光伏发电技术在船舶上应用近年来得到发展，尤其在内河小型船舶、游艇上已有初步的应用成功的案例。但在远洋船舶方面，太阳能光伏发电技术应用还不成熟，许多国家正在致力于此技术的开发和完善。本文通过分析，拟在常规船舶上建立一套太阳能光伏发电系统，为船舶提供部分电力支持，达到节能减排的目的。

2 光伏系统介绍

2.1 光伏系统的组成及原理

光伏系统由三部分组成：太阳电池组件；充放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备；蓄电池或其他蓄能和辅助发电设备。图1为直流负载太阳能光伏系统原理图。

太阳能光伏发电基本工作原理就是在阳光照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于交流负载，还要增加逆变器，将直流电转换成交流电。

2.2 光伏系统的分类

一般将光伏系统分为独立系统、并网系统、混合系统三类。

2.2.1 独立（离网）型光伏系统

独立型光伏系统，又称为离网型光伏发电系统，独立给用电设备供电，但整体能量利用比较低，系统的供电稳定性和可靠性比较差，需要储能设备（蓄电池）稳定供电电网电压和平衡发电与负载。

2.2.2 并网型光伏系统

并网型光伏系统的最大特点是太阳电池组件产生的直流电，经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统光伏方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网，不足时由电网补充，但系统中需要专用的并网逆变器。这种系统可降低整个系统负载缺电率，而且可以对公共电网起到调峰作用。

2.2.3 混合型光伏系统

混合型光伏系统中除了使用太阳能电池组件阵列之外，还使用了燃油发电机等作为备用电源。这种系统控制比较复杂，比独立系统需要更多的维护，而且因为系统中使用了柴油机，这样就不可避免地产生噪声和污染。很多偏远地区的通信电源盒民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用混合系统供电，以达到最好的性价比。

在远洋船舶上选用何种类型光伏发电系统，要综合考虑船舶结构、性能、航线、经济性等因素确定，本文将在下节详细论述。

3 光伏阵列安装位置的确定

3.1 目标船型的确定

典型的远洋船舶通常包括以下六种类型：集装箱船；特种船；杂货船；客滚船；干散货船；大型运油船。在船上敷设光伏发电系统，要求目标船舶主甲板及以上某些位置具有足够的安装光伏阵列的空间。经计算，平均输出功率1 kW的单晶硅太阳能电池阵列需要10㎡左右的布置面积[1]（组件效率13%左右）。一般远洋船舶整船系统功率都在100kW以上，有的甚至几千千瓦，若以100kW为参考，则大约需要1 000㎡的布置面积。考虑到集装箱船、杂货船及特种船的主甲板上及主甲板以外的其它位置不具有提供大面积安装电池阵列的可能性，而油船主甲板虽有较大面积，但因主甲板管路纷繁复杂，其所运输的石油类燃料易挥发出可燃易爆性气体，对电器要求的绝缘防护等级较高，所以以上四种船舶不适合安装光伏发电系统。客滚船的主甲板驾驶台后的区域附属甲板机械设备较少，拥有较大的可利用空间，其与油船相比对易燃易爆性物质的安全防护等级较低，因而可以搭载光伏系统。对于干散货船，其主甲板上若干货舱盖占有很大的一部分面积，除部分船型有辅助克令吊外，大多数船舶的甲板上属于平整区域，其有利于太阳能电池阵列的安装。因此，滚装客货船和散货船是搭载光伏阵列的理想船型。

3.2 光伏系统类型选择及用电负荷确定

远洋船舶航程较远，每一航次历经天数较长，且海洋环境、天气复杂多变，在此条件下不宜建立独立型（离网型）和混合型光伏发电系统[1]。对于并网光伏发电系统，光伏阵列只需提供部分负载的用电需求，多余的电能反馈给主电网，不足时就由主电网供电，故此类型发电系统适合于安装在船舶上。

船舶在航行中动力和机械等设备要求供电系统能持续、稳定地供电，而光伏发电量依赖于天气条件，供电稳定性达不到动力设备用电要求，所以不适合为动力设备和机械设备供电。选择目标供电系统为上建的生活用电部分，经查76 000DWT某散货船上建的电力系统图，上建部分生活用电总功率在200 kW左右。显然，如果200 kW的电量全部由光伏系统提供，需要为光伏阵列提供约2 000 m2的敷设面积，这在目标船上是无法实现的。由电力系统图可知，空调系统压缩机在机舱，可不考虑为其供电，只考虑风机部分供电20kW；厨房电器功率60kW；全部房间照明功率4kW。这三部分合计功率84 kW，我们把光伏系统的设计容量定位在100kW，为这三部分系统供电。除去传输损耗及遮挡引起的功率减少（约10%～15%），光伏系统也可以提供足够的电量。白天有太阳辐射时，光伏系统直接为这三部分系统供电，多余的电能可以反馈给主电网，晚上或白天太阳辐射不足时，转换成船舶主电网供电，这样100kW的光伏系统可以承担船舶部分用电要求，起到节约能源的作用。

3.3 安装位置的选择

以76 000DWT散货船为例， 100kW的光伏阵列至少需要1 000m2的敷设面积，经查总布置图，有三处位置区域开阔，即舱口盖、主甲板上舱口围与栏杆之间的区域、栏杆处，适合搭建光伏系统，可以初步确定为光伏阵列的安装位置。

3.3.1 直接安装于舱口盖上

两个舱口盖合在一起可供安装面积为15x14=210㎡， 7个舱口合计14个舱口盖可供安装的面积为210x7=1470㎡。但因No.7舱靠近上建，不可避免在一天当中会受到遮挡，所以总体输出功率会因遮挡而减少；而No.4舱盖为直升机坪，不允许安装其他部件，所以从总面积中减去420㎡。考虑上述因素后剩余面积为1050㎡>1000㎡，可以满足安装面积需求。

该安装位置在装卸货物时可能会遭受坠落物的撞击，故要在上面安装防护装置，此防护装置在装卸货物时要能闭合，起到保护作用；在航行时敞开，不影响光伏阵列发电。

3.3.2 安装于主甲板上舱口围与栏杆之间

将光伏电池板安放于支承舱盖的导轨之间，在垂直高度上低于舱口盖，安装面积与上述方案基本相同，同时在装卸货物时因有舱盖保护，可有效避免船装卸货物过程中掉落的杂物破坏电池板，如图2所示。

3.3.3 安装于代替主甲板栏杆位置

本安装要求电池组件垂直于主甲板，且电池安装要达到船舶建造规范对栏杆安装的相关要求，如图3。

已知船舶总长225 m，型宽32 m，沿船舶周长布置电池组件总长225x2+32x2=514 m，去除中间导缆孔、绞缆机等预留宽度20 m，取总长494 m，则安装面积为494x1.58=780㎡<1000㎡，此方案不能满足预设的100 kW的用电要求。主要原因有二：

（1）电池组件敷设面积不够，直接影响输出功率；

（2）电池板垂直安装，接受太阳辐射的面积相较于水平敷设时要小，从而导致输出功率降低。

但可以采取一定方法规避此不足。在选取电池组件上，可选用双面太阳电池组件[2]，这种太阳电池正反两面都可以接受辐射，所以可以区别于传统单面太阳电池组件的朝南倾斜安装而可以垂直于地面安装，经试验验证，双面太阳电池比单面晶硅太阳电池相同条件下发电效率提高30%[3]。采用双面太阳电池，输出功率可达 78x1.3=101.4 kW，刚好满足预设功率要求。同等面积的双面太阳电池比单面太阳电池贵三分之一，所以这种布置成本较高，经济性不如前两种方案。三种安装位置的对比分析如表1所列，通过对比分析综合考虑，位置一、位置二可操作性较大。

4 光伏阵列容量确定

4.1 太阳能电池的选择

国内光伏太阳能电池市场主要提供单晶硅和多晶硅两种类型的电池板。根据船舶运行特点，非晶硅太阳电池[4]不适合在船舶上安装，而在晶硅太阳电池中，相同面积情况下单晶硅发电效率比多晶硅高，在实验室里单晶硅太阳电池最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%[5]。而型号、输出功率、封装质量及防护等级相同的单晶硅电池板和多晶硅电池板相比，前者的价格稍高，但差别不大，所以单晶硅太阳电池是较合适的选择。

4.2 光伏组件方阵容量计算

太阳电池组件容量设计的指导思想，就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。

在船舶运行过程中，由于海区环境的复杂多变，电池组件表面会附着灰尘、结晶的海盐，再加上组件性能慢慢衰变，会使降低电池组件输出。我们采取在计算时减少太阳电池组件的输出8%～10%（衰减因子）来加以修正[6]，也可以看作是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数。此外，设计时还要将负载功率增加10%，以应对在船舶营运期限内额外增加的用电设备。

5 总结

太阳能光伏发电在船舶上的应用目前还处于初步探索阶段，小型内河船、游艇已有不少成功案例，但在大型远洋船舶上的应用较少。本文在常规的远洋船舶上，拟搭载一套太阳能光伏发电系统，介绍了光伏发电系统类型，光伏阵列在船舶上的安装位置选择、光伏阵列的容量计算。

本文未对经济性做深入研究，相关内容另文讨论。

参考文献

[1] 孙玉伟.船用太阳能光伏发电系统设计及性能评估[D].武汉理工大学， 2010， 5.

[2]王宁. 双面太阳电池垂直安装发电性能测试分析[J]. 太阳能学报， 2008， 29， （8）.

[3] 杜永超， 刘春明. 空间用双面发电硅太阳电池[A]. 第八届光伏论文集. [C]深圳， 中国太阳能 学会， 2007.

[4]V.V. Tyagi etc. Progress in solar PV technology： Research and achievement[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews20.2013.

[5] Jianhua Zhao. Recent advances of high-efficiency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materials[J].Solar Energy Materials & Solar Cells 82.2004（5）.

[6] 沈辉， 曾祖勤. 太阳能光伏发电技术[M]. 北京： 化学工业出版社， 2005.