光伏技术的水下应用综述

吴笑风，文盖雄

(中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京100012)

0 引言

可再生能源正在全球范围内发挥日益重要的作用。光伏技术 (PV)是可再生能源技术中的重要组成部分。光伏技术的应用场景日趋多样，除了涵盖陆基光伏电站、航天器光伏帆板等传统领域，已经开始向海洋扩展。随着全球海洋资源开发和海洋军事力量的快速发展，以自主水下航行器和水下环境监测传感网络为代表的水下设备和设施成为新的研究热点。这类水下设备和设施可应用于中长期水下预警、目标侦测、水文和生态环境监测等用途，在军用和民用领域均可发挥重要作用。

水下设备的长期自主运行需要高效、稳定、可靠且经济的电源作为保障。目前的电能驱动方案都难以满足这一要求。光伏电池较长的使用寿命和较低的成本使其有望成为有效的电源 (或补充电源)方案。然而光伏电池的光电转换效率对环境条件较为敏感。水下环境中较低的日光透射率 (即较弱的光照强度)、较窄的光谱宽度以及温度等环境条件都成为限制光伏电池转换效率的外部因素。这要求使用者在研发水下光伏系统时，引入专用的设计和优化手段，以应对这类限制条件带来的影响。

本文通过建立光伏电池的电子学模型和水下环境的光学模型分析水下环境对光伏电池电能输出的影响，并对国内外光伏技术水下应用的最新进展进行讨论，旨在探究光伏技术在水下装备中应用的可行性和发展趋势。

1 光伏电池

光伏电池是光伏系统中实现光电转换的核心部件，通常具有20年以上 (陆基)的使用寿命。现今，晶硅光伏电池技术已日趋成熟。此外，薄膜光伏电池、有机物光伏电池等新技术在近年来也有明显的发展［1］。多结电池通过光谱匹配等技术可显著提高电池效率，但受限于复杂的生产工艺和较高的成本，目前仅在聚光光伏系统和航天领域中应用较多。目前，基于二极管等效模型的建模和仿真技术被广泛用于对各类光伏电池的电子学特性的描述。环境条件对电能输出的影响也可通过等效模型进行研究。

1.1 电子学特性和等效电路模型

光伏电池的电子特性通常由电流密度－电压(J－V)曲线描述。二极管等效模型可用于对J－V特性的建模。本文采用集总式单二极管模型，其示意图和表达式如图1和式(1)。

图1 光伏电池的集总式单二极管等效电路模型Fig.1 Lumped single-diode equivalent circuit model for PV cells

式中:J为端口电流密度;V为端口电压;Jph为光电流密度;JD为二极管支路电流密度，即式(1)右端第2项;Jsat为二极管饱和电流密度;n为二极管理想因子;Rs为等效串联电阻;Jsh为并联电阻支路电流，即式(1)右端第3项;Rsh为等效并联电阻;T为温度;q为电子电量;k为玻尔兹曼常数。

1.2 环境条件对电能输出的影响

光伏电池的工作环境主要考虑辐射照度(irradiance，用G表示)和温度。对应式(1)，前者体现在Jph参数上;后者体现在Jsat和T参数上。JV特性的标准测试条件 (STC)为G=1 000 W/m2、T=25℃及AM1.5(大气质量因数)［2］。光伏电池的标称指标多采用该标准进行测定。

G可由分光照度 (spectral irradiance，SI)计算得出，见式(2):

式中:λ为光波长;s(λ)为SI。

二极管等效电路建模中，可近似认为Jph与G具有正比关系:

式中:G0，Jph0为已知光照 －光电流数据，如 STC下，G0=1 000 W/m2，Jph0可由标称 JSC0近似［3］。

若更严格地考虑光伏电池对各波长光子的利用效率，可使用光谱响应 (spectral response，SR)描述［4］。由G和SR计算Jph或JSC的方法见式(4):

式中:SR(λ)为电池的SR;A为光伏电池的有效面积。

温度影响主要反映在等效二极管特性上。除式(1)中的指数项外，Jsat受T影响的情况由式(5)给出［4］:

式中:B为与温度无关的常数;γ为与材料特性有关的修正系数;Eg0为绝对0度时的材料能隙。

文献［5］结合式(1)对温度对J－V特性中各项指标的影响进行推导，并以图表形式给出了功率－电压 (P－V)曲线受光照和温度变化影响的趋势。

2 水下光学条件

光伏电池的电能输出对环境条件较敏感。水下环境中较低的日光透射率 (即较弱的光照强度)、较窄的光谱宽度以及温度和盐度等环境条件都可能成为限制光伏电池效能的因素。结合所收集文献中的应用状况，本文中的水下环境指浅水环境 (0～30 m)，这一深度范围内温度－深度变化差异较小，故不展开讨论温度条件的影响。在海洋环境中，盐度是表征海水特性的重要指标，而Wang等［6］的研究表明，海水盐度对日光透射无显著影响。因此本文仅将光学条件作为主要因素进行讨论。

根据 Muaddi和 Jamal［7－8］对水下日光光谱与深度的关系进行研究，并给出了一种数值计算模型。研究表明，光照强度随深度增加呈指数关系衰减。对于波长为λ的单色光，式(6)可表示光照强度随水深的变化衰减的情况。

式中:I(x)为深度x处的照度;I0为水面处的照度;u(λ)为水体的消光系数。

对于完整光谱，辐照度G(x)可由式(7)表示。对于海洋环境，海平面处SI通常由AM1.5条件描述［9］。

考虑水面反射［10］，式(7)可扩展为式(8)的形式。

式中r(λ)为水面反射系数。

Jenkins，Tina 和 Rosa － Clot等［9，11－12］的研究均验证了这一模型的合理性。Steward在文献［13］中对日光在各类水质中的透射情况进行了更详细的阐释。图2显示了日光在水下环境中衰减的趋势。图2(a)根据文献［13］重绘;图2(b)根据文献［9］重绘。

图中，I～III分别为依据Jerlov分类法确定的洁净远洋海水、热带海水和中纬度海水三类水体;1～5代表浑浊程度依次上升的沿岸海水样本。结果显示各类水质的透射系数差异较大。远海水域水体清澈，对400 nm以下波段光的透射能力明显强于近海水域。结合式(6)中的指数关系并参照图2(b)的示例 (Ⅲ类水质)可发现，当水深大于2 m后，700 nm以上波段的绝大部分光被吸收。水深大于20 m后，有效谱段仅剩余400～600 nm范围。该特性在文献 ［11］中也有讨论。Jenkins等［9］在11.5 m深度测得约50 W/m2的辐照强度。这一强度仅为海面处强度的5%，但对于光伏电池仍处于有效强度范围。作为例证，Jenkins等指出美国Juno木星探测器装备的光伏阵列工作在约54 W/m2的辐照强度下，仍能输出足够的电能供系统使用［9］。

图2 日光在水下环境中的衰减趋势Fig.2 Figures show the attenuation of sunlight underwater

3 光伏技术水下应用情况

从收集的文献情况来看，光伏技术的水下应用可分为以下几类:1)常规光伏电池的浸入式应用:这类应用针对陆基光伏阵列易受环境变化影响的问题而提出，通过适当配置水下环境，可提供稳定的光照和温度条件，对电池输出进行优化;2)针对水下应用的专用电池能效研究:通过将电池SR和水下SI的匹配，使电池的输出在一定深度下仍能够满足设备的用电需求;3)水下自主航行器应用:采用光伏电池和适当的负载优化技术，提供满足自主航行器长航时需求的电源设计方案。

3.1 常规光伏电池水下应用

在常规陆基应用中，光伏阵列的输出常受光线遮挡 (如灰尘、污染等因素)或反射的影响产生衰减。根据Asl－Soleimani等［14］的研究，由遮挡 (如污染的长期累积)引起的电能损失可高达60%。Krauter［15］指出，日光被光伏电池面板反射引起的电能输出损失可达到8%～15%甚至更高。此外，高温环境也对光伏阵列的运行效率有负面影响。适当配置水下工作环境 (如水幕、湖泊、和人工水池等)可在一定程度上消除上述负面因素。Lanzafame等人［16］通过光学和热学建模和仿真，做出定性结论，认为浸入式水下环境的引入:1)可以控制光伏组件的工作温度 (减少热漂移影响);2)可以在一定程度上减小日光反射影响;3)必然导致日光入射强度衰减。

Krauter［15］报告了1999年3月21日在里约热内卢 (约北纬23°)进行的实验。Krauter在试验组单晶硅 (mc－Si)电池组件的玻璃面板上施加约1mm厚度的流动水幕，对照组为未做处理的同型号电池组件。水幕使面板免受污染，介于玻璃和空气之间的折射率使日光的反射减少2%～3.6%，并且使试验组组件工作温度相比对照组下降最高达22℃ (正午12时)。在9～14时之间，试验组电池转换效率高于对照组1.5%～2%。试验组全天电能输出提高10.3%。考虑制造水幕的电能开销，增长仍可达到8%～9%。然而报告中对水幕的厚度的影响未展开研究，仅提出水幕的不均匀 (如波纹)可能导致系统的实际输出略低于理论值。该研究中也未涉及对不同种类电池、地理因素、长期气候条件等因素的分析。

Lanzafame等［16］讨论了2008年4－10月分别在比萨 (北纬43.6°)和卡塔尼亚 (北纬38.0°)两处进行的实验。实验使用20 Wp小型mc－Si电池组件，在人造水池和人工玻璃水箱中1～15 cm深度采集数据。结果显示，置于水下环境的组件比未做处理的对照组，电能输出增加10%～15%。Lanzafame等指出电能输出增加幅度与深度有关，但并未进行量化，仅报告了其变化趋势与仿真结果相符。Lanzafame等也指出，水下环境对组件输出的提升程度与时间、地理、大气、电池材料等因素都有直接关系，并提出开展更长期 (1年以上)的系列实验进行研究。文献［11－12］也报告了相似的实验，结论与文献［16］相符。

Wang等［17］报告了未封装的硅基聚光电池浸入不同种类液体中的输出变化。该研究旨在评估6种液体 (包括极化的乙醇和甘油、非极化的苯和硅油，以及蒸馏水和普通自来水)作为聚光电池冷却介质的可行性。电池样品分别置于3 mm，6 mm和9 mm的深度，用于研究深度对输出的影响。光源为强度为999 W/m2的碘钨灯。研究发现，液体中可极化的离子和分子会在电池正反表面形成与电场，方向与内建电场相同，有抑制表面复合的作用;但同时也导致Rsh的下降，产生漏电流。结果表明非极化的硅油在减少入射光反射和提高转换效率的综合效果最佳。此外，加速老化实验显示，硅油具有良好的稳定性，适合使用在电池的封装工艺中。研究还指出，由于液体深度对入射光的反射和透射有相反作用，因此目前尚无实现深度最优化的通用方法。

3.2 水下专用光伏电池技术研究

3.1节的内容表明，适当引入水幕或浅水 (小于15 cm)环境可提高陆基光伏电池的转换效率和输出能力。而专用水下系统的工作深度通常可达数米至数十米以下，这对光伏电源系统的效能提出了更高要求。

Stachiw发表的文献［18］是目前可知的最早关于专用于水下系统的光伏技术研究报告。报告中提出光伏电池可用作浅海海底设施、浮标和遥控无人水下航行器的临时或永久电源。报告分析了0.76～28.96 m(2.5～95 ft)深度范围内水平放置的光伏电池的输出数据，并与水面以上的对照组进行比对。结果显示，处于28.96 m深度 (注:该水域的视觉对比极限深度，由12 ft塞齐透明JP〛度盘测定)的光伏电池产生的电能为对照组的5%～10%。该报告提出了简要的结论:位于视觉对比极限深度以上的水下设备，使用光伏电池作为电源具有可行性。

Jenkins等［19］首次提出，选用高能隙光伏电池进行SR和水下SI的匹配，优化电池的转换效率，并在后续发表的文献［9］中对研究内容进行了完善。Jenkins等选用单结磷化镓铟 (GaInP)电池作为样本，并使用mc－Si电池作为对照。GaInP电池具有约1.75 eV的能隙 (对应光子波长709 nm)，在400～700 nm波段具有较高的量子效率，与水下SI相匹配 (见图2(b))。此外，GaInP电池暗电流较小，有利于在低光照强度下提高电压和转换效率。海洋环境 (Jerlov－Ⅲ类水质)测试结果显示，GaInP电池在9.1 m水深处可以收获7 W/m2电能，仍足以驱动水下传感器一类电子设备。SR与SI匹配效果显著。在9.1 m水深处，mc－Si样本与水面环境相比有高达28%的工作电压损失;而GaInP样品的电压损失仅有10%。这一研究对水下设备电源方案的选取和光伏电源系统设计方法具有参考意义。

3.3 水下航行器应用

水下航行器，特别是自主无人航行器，可应用于中长期水下预警、目标侦测、水文和生态环境监测等多种军用和民用用途，正在成为海洋工程技术领域的发展热点之一。电力推进技术在小型水下航行器中有广泛应用［5］。但长航时的实现要求高效、稳定、可靠且经济的电源作为保障，目前的电力推进技术在这一点上都存在明显不足。光伏电池较长的使用寿命和较低的成本使其成为潜在的电源 (或补充电源)方案。而在水下环境，如何高效利用有限的光能是重要课题。

Joshi等［10］报告了使用无定形硅 (a－Si)薄膜光伏电池作为水母形仿生自主航行器 (AJV)电源的实验情况。柔性光伏材料能够较好地适应航行器的几何外形并紧密贴合航行器表面。A－Si电池的有效SR谱段在300～800 nm范围［20］，基本覆盖了1 m水深以下的 SI谱段 (参考图 2)。Joshi等在Muaddi［7］报告的 SI－深度关系模型的基础上，对0～100 m深度的SI进行仿真，并提出了一套评估水下光能采集能力的通用模型。除SI外，该模型还考虑了AJV的几何结构和运动角度，使计算结果更符合实际工况。这一成果可为各类水下航行器光伏电源系统分析和设计提供参考。

王家军［21－22］和张谋等［5］在无人水下航行器光伏电源系统设计和最大功率点跟踪(MPPT)技术上开展研究。文献［5］指出，在光伏电池向蓄电池充电过程中，采用MPPT技术可有效减少电能的浪费。文中提出了采用变步长扰动观察法实现MPPT，并给出了软件实现方法。文献［21］中提出了一种变步长扰动控制策略，通过仿真验证了方法的合理性。文献［22］中进一步提出了一种基于改进扰动控制法的均衡充电电路的设计方案，并通过实验验证了该方案的可行性。

4 结论与发展趋势探讨

水下环境SI和深度的关系模型［式(6)～式(8)］表明，日光强度在水中呈指数衰减。因此，达到一定深度后，辐照强度将不足以支持光伏电源系统的正常运行。精确计算某指定水下坐标的光学特征需考虑水质、水面光照强度、光线入射角度等多种因素，目前尚无通用模型。但根据文献中报告的实验和仿真结果，采用式(6)～式(8)近似水下SI特性是可行的。而对电能输出能力的评估，除SI外，还需考虑光伏电池的SR特性。SI和SR的匹配可优化光伏系统的输出能效。

文献中涉及的三类研究方向技术侧重点不同。将薄水幕或浅水环境引入光伏系统，可减少反射、减少热漂移和优化SI，并可期获得高于同型陆基系统的转换效率和能量输出。有研究指出，硅油在输出能效试验和加速寿命试验中均有较好的表现，适合作为浸入式应用的液体介质。当应用深度增加时，SI衰减明显。实验表明使用高能隙GaInP电池进行SR与SI的匹配有助于充分利用有限的光能。实验数据显示GaInP电池在9.1 m水深处可以收获7 W/m2电能，仍足以驱动水下传感器一类电子设备。相比于静态应用，光伏驱动的水下自主航行器在光能采集过程中还需考虑载体的几何结构和运动方向等因素。文献中报告的一种通用光能采集能力评估模型和有关MPPT技术的研究可为各类水下航行器光伏电源系统分析和设计提供参考。

通过本文的回顾可发现，水下光伏技术的可行性为解决水下应用中的供电瓶颈问题提供了新思路。光伏电池的较长寿命可支持水下设备实现长期自主工作。这一特性适用于工作于浅水 (以低于视觉对比极限深度为粗略判断标准)的自主航行器和水下传感器网络等设备和设施。更高效光伏电池的研发可期提高光伏电源系统的工作深度。但受制于光强的指数衰减，光伏电源系统仍难以为深潜设备或设施提供持续有效的电能，故有必要控制深潜设备定期上浮，为电源系统中诸如锂电池等储能设备充电，或将光伏电源作为补充与传统电源系统集成。此外不容忽视的是，光伏系统在长期运行中或长期处于海洋高盐度环境中出现的衰退 (degradation)现象增加了系统输出的不确定性。在评估系统能效时，建议应用仿真技术进行中长期电能采集能力的预测分析，以考查光伏电源系统的经济性。

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