太阳能光伏电力推进在船舶上的应用研究

陈立剑，徐建勇

(中国船级社 武汉规范研究所，武汉430022)

1 光伏系统及电力推进概述

船用太阳能光伏发电装置主要包括太阳能电池板、控制设备、储能设备等。太阳能电池板主要由单晶硅、多晶硅、砷化镓等半导体材料构成，其发电原理基本上是:当太阳光照到硅表面时，一部分光子的能量被硅原子吸收，使原子内的电子发生跃迁，从而在材料内部形成一定的电位差［1］，反复此过程，光能得以转化为电能通过控制设备供给船用负载直接使用，或者储存到储能设备中在日照不足或者夜间进行使用。电压等级相当的直流负载可以直接使用，对于含有交流负载的电力系统而言，还需要增加逆变器转换为交流电使用。

电力推进系统主要包括调速装置、电动机、控制设备等，采用电动机带艉轴的方式驱动螺旋桨。一般还配备功率管理系统，在不同负荷工况下灵活增加在网发电机组数量，以保证柴油机可以高效运行。

制约太阳能光伏电力推进船舶应用的关键技术有以下几个方面:①光电转换率，太阳能光伏发电系统能量密度低，提高转换率至关重要，船舶上可用于安装光伏电池板的面积有限，除非特殊设计;②储能装置，太阳能光伏所发的电能与气象条件密切相关，储能装置的设计思路是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下，负载仍可以正常工作。目前储能装置大部分为普通铅酸蓄电池，但储存能量密度不大，使用寿命有限，重量大［2］。这些制约因素已有望得到解决，2009年5月上海第三届国际太阳能光伏大会亮相6大顶尖技术中有3项就与新型光伏电池有关。目前，受太阳能光伏技术限制，在实船上应用太阳能光伏系统主要问题仍是可用的太阳能及其储能装置提供的电力较小。本文将按照船舶大小分别叙述其使用设计情况。

2 小型太阳能电力推进船规范分析及设计

太阳能电力推进船舶应用之初，就是在小型船舶上进行应用。目前国内应用较多的主要集中在旅游观光船、游艇等。这类船舶所在航区一般水文条件较好，排水量小，没有严格的航速要求，航程较短且固定。例如2010年在台湾高雄下水营运的太阳能游船(见图1)，主要在小型河流内营运。船长13 m，太阳能充电系统达到3 kW，配置54 kW·h锂蓄电池组，2台20 kW电动机，最高航速9 km/h，可载36名乘客以3 km/n航速行驶9 h，还可接岸电充电使用。

图1 台湾高雄太阳能游船

在《内河小型船舶检验技术规则》(以下简称《小船规范》)中对内河小型船舶的电源方面有如下规定:主电源可以采用独立驱动的发电机或推进主机驱动的发电机或蓄电池组;当设有电动或电动液压动力源的操舵装置时，应至少设置1台与主机独立的发电机组和一组蓄电池;对于船舶正常航行其全船动力设备不依靠电力供应时，应设置2组蓄电池作为船舶主电源。

目前常规的小型太阳能船舶，除了少量照明和航行设备外，没有其它大功率用电设备［3］。舵机一般为机械式或手动油压式。如2007年我国沈阳泰克太阳能应用有限公司研制的“00l号”太阳能旅游船，船体长6.2 m、宽l.9 m、可载9人，航速可达10 km/h。这样，根据《小船规范》，太阳能光伏系统(配蓄电池储能)可作为主电源独立使用，在日照较好的情况下光伏系统带推进负载的同时将富余电能储存在蓄电池中，夜间则由蓄电池带推进负载运行。推进方式一般采用直流电机带艉轴的型式驱动。

这类船舶电气设计一般较为简单，船舶的调速通常采用电枢回路串电阻调速，使电动机运行于不同的转速，串入电阻后，转速降低，损耗增大，特别是串入电阻越大，电动机机械特性越软，在低速运行的时候，转速稳定性不高。随着电力电子的发展，也有采用PWM斩波控制技术的调速方式，调节电源端电压，不仅易于实现无极调速，也易于在调速器内集成对蓄电池的监控功能，对蓄电池的过放电等故障进行保护。2008年北京颐和园内迎奥运的太阳能游船就是采用这种调速方式。该船船长11.8 m，宽3.6 m，额定载客30人，最大航速8 km/h，配备光伏发电系统，储能电池采用400 Ah/220 V蓄电池，配备PWM调速器和直流电动机带艉轴进行推进。其优点在于电动机的机械特性硬度不变，与串电阻调速相比更易于实现稳定的低速运行，效率也更高。

这类船舶的一个设计关键点在于太阳能电池板和蓄电池组的布置，一般游船的顶部都可以作为太阳能板布置区域，如何更有效增大可布置区域成为关键。如2006年英国在海德公园正式运营的太阳能船(见图2)，该船搭建了大量不锈钢架，安装了多达27块太阳能板，使得这艘船长约14.5 m的船完全靠太阳能发电的最大航速达到8 km/h。蓄电池组的布置也是调研中较为关心的问题，这类船舶尽管用电功率不大，但由于推进全部依靠电力供应，一般蓄电池所配备的容量甚至还高于普通主机推进的船舶。蓄电池的安装和通风也应符合规范设计，由于蓄电池充放电会产生有害气体，故电池舱应与客舱和机舱完全隔离，做到气密。如果电池舱做不到与机舱的隔离，则应将机舱内的电气设备选择为防爆类型。这里建议电池舱在有条件的情况下应采用完全封闭设计，采用通风管、风机使电池舱实现有效的通风，还应严格防止电池有害气体扩散到通风条件不好的客舱(如安装了空调的客舱)，危害人体健康。

图2 英国太阳能观光船

3 大型太阳能电力推进船规范分析及设计

大型船舶中的客滚船、散货船、客轮一般具有较大面积可供安装，具有应用太阳能光伏系统的前景。由于太阳能光伏系统发电量有限，对于大型船舶，太阳能发电系统只能作为辅助推进用电或生活用电。现在大型船舶的太阳能应用实例也比较多，最为著名的有:2008年日本的太阳能货船“御夫座领袖(AurigaLeader)”号(见图3)，其有328块太阳光板组成电池阵列，电能输出功率可达40 kW，能满足6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的动力需求，获2009全球年度船舶奖。2010年瑞士制造的“星球阳光”太阳能电力推进船，船长31 m，宽15 m，排水量60 t，最高时速可达15 kn，可以搭载50人航行。船体上方装有500 m2的太阳能电池板，是世界上最大的太阳能动力船。

图3 日本的太阳能货船

3.1 大型船舶主电源设置的规范分析

大型船舶使用太阳能光伏发电供推进使用，一般分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两种形式。对于船长超过2 0 m 的船舶，《钢制内河船舶建造规范》(以下简称《内规》)对船舶电源有如下规定:主电源可以采用独立驱动的发电机或推进主机驱动的发电机或蓄电池组;对于动力操舵设备、辅机、泵等船舶正常运行所必需的设备均为电力供电时，应至少设置2台独立驱动的发电机;对于舵机油泵、为主机服务用辅机、泵由推进主机带动且船舶安全所需用电设备能由蓄电池供电时，可只设1台独立驱动的发电机;对于全船动力设备不依靠电力供电时，应设置2组蓄电池作船舶主电源。一般来讲大型船舶出于安全和操作的需要，用电设备众多，如电动操舵装置、各种电动辅机、泵等。根据规范要求，具备动力操舵设备的船舶必须采用发电机进行供电，而且各种辅机、泵，如采用蓄电池组进行供电，则需要使用直流电动机，其重量、体积、可靠性、经济性都不如交流电动机实用，因此多数大型船舶电网一般采用交流供电方式。

在《钢制海船入级规范》(以下简称《钢规》)中对主电源有如下规定:主电源应至少由2台发电机组组成，而在《内规》2012修改通报中更是直接明确提出太阳能电池只应作为船舶的辅助电源。因此大型船舶光伏电能的应用应考虑并网的发电系统，使光伏电能和柴油发电机组并网对推进或其它用电设备供电。而且相关统计表明，冬季和阴天产电能不到夏天的25%，而推力与航速呈三次方关系，仅依靠太阳能难以保证较大型船舶的全部推进动力，故采用并网供电方式，是比较合适的，同样也能达到减少燃料消耗，降低排放污染的效果。

3.2 船舶光伏电力推进系统优化设计分析

随着近年来电力电子设备的广泛应用，光伏交直流并网技术有了船用化的趋势。光伏发电系统配备光伏逆变器可将太阳能电池板产生的直流电能转化为与电网电压同频率、同相位的交流电并网供负载使用，如光伏发电系统带有储能电池，还可以起到不间断电源的作用。这类太阳能发电系统交流并网提供动力的船舶目前仅在国外有实船应用。如德国Alster河上的太阳能动力游艇，长27 m，重42 t，可载运100名游客，停靠时还可以将多余的电并网到岸上电网使用。此外还可以考虑直流并网的方式，电力推进船舶一般配备变频传动系统，公共直流母线变频系统是一种较新的、广泛应用于多电机传动场合的变频传动系统，有利于合理利用制动过程中产生的再生能源，也是一种新的节能方式。光伏发电系统配备充放电装置，将光伏发电的直流电转换成与主发电机整流后电压相同的直流电并网供负载使用，这也是电力推进船舶使用光伏能源的一种设计思路。在设计时，应考虑到使直流母线电压在可能的波动范围内，充放电装置均能向直流母线提供额定功率或额定电流的能量。

由于电力变频设备的使用，会在交流电网上产生大量高次谐波，对发配电系统及用电设备造成一定影响。在光伏电力推进系统的负载馈电的设计上，对重要负载供电可以采用从直流母线取电经逆变器和滤波器的方式，而对非重要的负载通过发电机经过滤波屏进行供电。这样，重要负载采用的是直流逆变滤波的方法，直流电网本身没有交流电网固有的谐波和电流畸变的问题，通过高频逆变的方式产生的高频干扰和高次谐波相比于工频更容易通过滤波环节来滤除干扰，这样的配置方案可更有效地保证对重要负载的供电品质。

太阳能光伏系统在连续阴天的气象条件下，会存在太阳能发电补充不及时的情况，有可能需要以电池作为主要供给负载。一般在进行蓄电池容量设计时，会考虑自给天数这个参数，如果自给天数考虑过大，则会使得蓄电池的容量、体积增大，因此在设计时可考虑运用多种方式对蓄电池进行补充，如采用光伏系统直流并网方式，或在停航时通过岸电整流到直流母线上由充放电柜给蓄电池组充电。

我国类似这样的船舶有2010年建造完成的“尚德国盛号”太阳能混合动力游船(见图4)，该船是中国第一艘由国内集成商自主集成的太阳能混合动力电力推进系统的船舶，总长31.85 m，宽9.8 m，高7 m，可容纳150余名游客。其垂直太阳能板高10 m，宽5 m，装有高效太阳能电池约70片，总计额定发电功率可达20 kW。配2台140 kW主发电机P1、P2，1台125 kW辅发电机和2组112块单体容量180 AH的太阳能充电的锂电池组作能源系统［4］。

该船电力系统单线图见图5。主交流电网主电源为P1、P2两台柴油发电机组，交流母线经QF3、QF4接入整流柜，通过整流单元为直流母线提供能量，直流母线额定电压为直流540 V。同时左右片体电池充放电柜通过快熔连接到整流柜的直流母线。左、右机逆变柜从直流母线取电，为推进系统提供电源，逆变电源柜接入直流母线为航行负载提供电源。系统非重要负载由柴油发电机组P3供电，当P3故障时，也可以由交流母线通过QF6为非重要负载供电。

图4 尚德国盛号混合动力推进游船

图5 系统单线图

该船设计航行工况主要有3种:①纯电池模式。在驶入开阔航道后，电池组电量充足的情况下，可使用电池组供电推进，该模式下最大设计航速5 kn;②纯柴电工作模式。在靠离码头或纯电池模式电池电量不足时，使用纯柴电工作模式。该模式下最大航速8.5 kn，还可根据当前剩余功率选择是否对电池提供充电能量;③混合模式。当驶入开阔航道后，且电池组充满的情况下，可以采用该模式，高速航行时锂电池组作为太阳能发电的储能装置，与柴油发电机组一同通过公共直流母线方式为推进负载及航行负载供电。

该船在太阳能光伏系统与柴电并网转移负荷上还采用了独创的无缝切换技术，为实现无缝切换，在充放电柜中设计了功率调节环节，当柴发机组与太阳能光伏系统之间需要进行无缝切换时，充放电柜通过控制自身放电电流的大小，实现与机组间的负载转移，保证机组负载平稳变化，不致对柴发机组造成冲击。

3.3 大容量蓄电池的使用建议

实船调研表明，大型船舶在使用太阳能光伏系统时，蓄电池要比小型船舶容易布置，一般都有专门的舱室，在电池的安装条件、间隔固定方式、通风条件等方面按照《钢规》执行即可。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求为自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、工作温度范围宽，规范中对蓄电池的种类一般要求为铅酸电池或碱性镍板电池，或经同意使用的电池。国内外目前选用的替代铅酸电池的还有高性能的动力锂离子电池，其优点在于高能量密度、长循环寿命、无污染。在使用蓄电池建议不要在串联电池组内抽取一部分电池带额外的负载，这会造成该部分电池老化速度加快，并且对于船用蓄电池一般采用串联整组的充电方式来说，终止充电是以整组蓄电池电压为限制，若某一部分电池老化速度加快，容易在充电过程中发生过充，进一步对电池造成损伤，造成恶性循环。严重的过充甚至会造成锂电池发生爆炸，应严格避免这种情况发生。建议有条件的船舶对锂电池的使用设置一套独立的监控系统，检测个体电池的使用情况，如电压、温度等。

3.4 控制系统的设计

在控制系统和安全方面设计建议参照规范中电力推进和太阳能光伏系统的相关章节进行，特别建议在进出港或通航水域航道狭窄、水流湍急的情况下，推进动力还是应以柴发机组供电为宜，以保障供电可靠性和船舶有较高的机动性。在电气系统选择性保护方面应按照相关指南进行设计，特别注意《钢规》中对重要负载供电要求直接由主/应急配电板供电规定，或采用完全选择性保护供电。因而如光伏逆变器向重要负载均应使供电系统获得完全选择性保护，保证船舶正常航行。

4 结论

随着近年来光伏系统的进步，太阳能电力推进船舶上的应用越来越多。根据前述的分析，小型船舶上太阳能电力作为主动力的船舶数量日益增长，这方面设计主要考虑如何增加太阳能板布置及转换效率，以及蓄电池的合理布置使用;大型船舶太阳能电力主要作为辅助动力的一种，应考虑各种并网技术、新型电池技术等的船用化研究，目前国内船舶在这些方面特别是大功率的交流并网实例很少，是一个值得深入研究的方向。

［1］袁成清，赵亮亮，孙玉伟，等.船用太阳能电池可靠性分析［J］.船海工程，2010，39(6):129-131.

［2］李 进.太阳能在船舶动力装置中的应用前景［J］.船海工程，2010，39(4):70-72.

［3］林 杰，袁成清，孙玉伟，等.太阳能电池板在不同类型船舶上的布置优化［J］.船海工程，2010，39(6):116-120.

［4］张 轶，郭 栋，潘国平，等.一种游船多模混合推进动力系统设计［J］.船电技术，2012，32(1):22-24.