船舶太阳能光伏系统的探讨

【摘 要】随着全球石油能源逐渐减少，燃油价格不断上涨，船舶运营成本持续增加，如何进一步开发绿色船舶，实现节能减排已迫在眉睫。开发可再生新能源是减小环境污染和温室气体排放的重要手段，尤其是船舶可再生动力能源技术的研发，对船舶科技可持续发展有着深远的意义。文章分析了大型远洋运输船舶太阳能光伏系统运行模式，基于某实船构建了太阳能光伏系统，并估算了系统构建成本，展望了太阳能资源开发的美好前景。

【关键词】船舶 太阳能 光伏系统

随着全球石油能源逐渐减少，开发可再生新能源着深远的意义，本文搜集并初步研讨太阳能这一重要可再生资源在船舶电力系统中的应用。

1 特点

从太阳能获得电力，需通过太阳能电池板进行光电转换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下几大特点：

（1）太阳能资源不会枯竭，资源分布广泛，受地域限制小；（2）太阳能电池主要材料——硅，原材料丰富；（3）无需机械传动部件，无噪音，稳定性高；（4）维护保养简单，维护费用低。太阳能电力系统也有其不足之处，原材料成本较高，转换效率低；较难精确预测及控制系统发电量；发电时间受季节、昼夜、阴晴等气象状况影响较大等。当然，上述技术瓶颈是可以逐步突破的，太阳能的开发利用必将成为全球最热门的课题。

2 结构原理

太阳能发电是利用电池组将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置。太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件（板）、蓄电池、控制器、逆变器、照明等负载组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。

太阳能电池（板）与蓄电池组成系统的电源单元，由此可见，电池板及蓄电池性能将直接影响着系统的工作特性。控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得光伏电池组件最大输出功率。逆变器主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电，通过调制、滤波、升压等，得到与负载频率，额定电压等匹配的正弦交流电。上述控制器及逆变器构成控制保护系统，具备以下功能：蓄电池充放电控制、直交流逆变控制、并网控制、最大功率跟踪控制、信号检测、设备保护、故障诊断定位、运行状态检测指示。下图1 为家用太阳能供电系统。

3 船舶太阳能系统

参照陆用太阳能光伏系统基本原理与组成，分析大型远洋运输船舶太阳能光伏系统运行模式，制定船舶太阳能系统初步方案，提供设计思路。根据不同场合电气设备负荷要求不同，以及成本控制等实际情况，船舶太阳能系统由易到难一般可分三大类型：独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统。

（1）独立供电的光伏发电系统如图2所示：太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照射的情况下输出能量。根据负载需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能单元，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。

图2 独立供电的光伏发电系统

（2）并网光伏发电系统如图3所示：一般带有蓄电池储能环节的成为可调度式并网光伏发电系统。

上述的并网模式是指光伏发电系统直接与船舶电网进行并网，通过船舶电站向全船供电，简单来讲，并网模式配合逆变器，并将电力通过逆变器输出侧接入电网，此时要求逆变器输出电流波形符合电网要求。其构建的主导思想是将光伏系统相对独立，在电力匹配中，太阳能光伏系统相当于一台发电机。

（3）混合型太阳能光伏系统如图4所示：是指光伏电能与其他形式来源的电能进行混合调度使用，不存在并网关系。与上述两个系统的区别在于增加了一台备用发电机，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器给蓄电池充电。

图4 混合型光伏发电系统

当然，船用太阳能光伏系统的构建，不局限于上述三种类型，可以根据船型及经济性等各方因素进行优化组合。

4 实船案例

（1）2012年，由日邮集团投资，三菱重工建造的全球首制混合电力系统汽车滚装船交付使用，该船发电系统由三台1，150kW柴油发电机及一套容量为480kW的太阳能光伏锂电池组供电系统组成，系统图及布置图如图5所示。

图5 系统图及布置图

*该系统中逆变控制单元PWM Inverter Panel由TAIYO提供，太阳能光伏电池供电系统由Panasonic提供，船型基本信息如下：

船名：Emerald Ac 容纳：6，400辆客车 L.O.A.： 199.99m Beam： 32.26m Depth： 34.52m Draft： 9.725m

5 NACKS 6，200PCC实船应用

5.1 船型比对

参考NYK实船案例，以我司6，200PCC汽车滚装船为基础，初步研讨太阳能系统的可行性，船型基本信息如下：

L.O.A.： 199.90m

Beam： 32.26m

Depth： 34.35m

Draft： 8.9m

D/G： 1，200kWx3

E/G： 150kWx1

5.2 系统构建

根据测量，该船上甲板暴露部分面积为：Garage Top-2340㎡， 居住区-650㎡， 艏部-400㎡，暴露部分面积总计达到了3390㎡，均可用于布置太阳能电池板。另设置一空舱以布置控制单元及蓄电池电源单元，经初步检查，该船Bosun store内空间余量较大，且离居住区较近，方便提供日常基本生活所需的电力，故将太阳能控制屏及蓄电池布置于Bosun store，系统如图6所示。

5.3 问题难点

该系统仅作初期构建，若进入实船应用阶段，需要挖掘并解决上述特点介绍中提到的几点问题：原材料成本较高，转换效率低；较难精确预测及控制系统发电量；发电时间受季节、昼夜、阴晴等气象状况影响较大；相关法规规范的研究；其它诸多因素（待查）。

以上几点问题，看似与配套厂家密切相关，船厂掌握的主动权不大，但船厂若能掌握系统原理，熟悉各种原材料特性，并选好合作厂商，就能先人一步领先开发。下面针对问题准备/收集了市场信息/系统原理如下：

（1）原材料成本有多高，转换效率水平又如何；据《太阳能光伏产业现状与发展研究报告》调查（2010年）：目前光伏发电的成本是火电的10倍，利用国产设备健在一个50兆瓦的太阳能热（光热）电站，投资预计在10亿元（含土地成本），单位设备投资在1.5万元/kW左右，同等规模的光伏发电站则需要20多亿元平均4万元/kW左右（其他一些机构估算最高达到了6万元/kW左右）；据《太阳能动力船舶发展综述》调查（2008年）：现在单晶硅光伏装置的实验室效率已经达到了24.7%，大规模生产的硅太阳能电池的效率为13%～18%，而砷化镓多结太阳能电池的实验室最高效率已经达到37%左右（成本较昂贵，多用于航空军事领域），可见，太阳能光伏装置即光伏电池的能量转换效率对船舶太阳能系统至关重要，亦可见光伏电池占整个系统的成本、战略比重；逆变器、蓄电池也占据部分成本比例。据《太阳能光伏产业现状与发展研究报告》调查（2010年）：逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载；

此外，在逆变系统中也存在一定的功率损耗，其效率指标据《太阳能光伏发电原理及关键设备》调查， 逆变器的转换效率达到了95%以上，如下表1。

（2）如何精确预测及控制系统发电量；预测及控制系统发电量的目的即从光伏电池中获取更多的电能，充分利用光伏电池组件的能量，目标光伏组件尽可能地工作在最大功率点，这就引入了MPPT技术概念，MPPT-Maximum Power Point Tracking（最大功率点跟踪）技术是充分利用光伏电池组件能量必备的技术，通过不断对PV的电压（电压控制）或电流（电流控制）进行小幅度的扰动，实时计算其输出功率的变化，从而逐渐实现最大功率点的跟踪，如表2。

表2 最大功率点的跟踪

（3）发电时间的限制；太阳能的获取受制于四季、昼夜、阴晴、航线等条件，系统无法持续稳定地发电，但根据太阳的辐射强度，是可以估算出单位面积时间内太阳年平均辐射强度的，根据百度百科提供的《太阳能发电》调查所得：地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369w/㎡，地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW，在海平面上的标准峰值强度为1kw/㎡，地球某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡。由此也印证了上表2 某研发机构提供的数据，即峰值发电量为1000w/㎡，平均发电量为200w/㎡。

（4）法规规范的研究及其它；太阳能船舶系统的研究，首先要基于满足相关法规规范的要求，部分行业标准及国家标准如下：

IEC_61646-1996 Thin-film terrestrial photovoltaic （PV） modules

IEC_61730-1_（2004-10） Photovoltaic （PV） module safety qualification –Part 1 Requirements for construction

IEC_61730-2_（2004-10）Photovoltaic （PV） module safety qualification –Part 2 Requirements for testing

GB 11009-1989 太阳电池光谱响应测试方法，GB 11011-1989 非晶硅太阳电池电性能测试的一般规定，GB 12632-1990 单晶硅太阳电池总规范，GBT 14008-1992 海上用太阳电池组件总规范，此外，系统安全性、船舶稳性、结构强度等其它问题点也需要考虑。

5.4 成本估算

基于我司6，200PCC汽车滚装船，并根据上述系统构建及部分难点的突破，进行太阳能电力系统的成本初期估算如表3：

根据表3 中6，200PCC实际电力消耗，并由太阳能系统效率转换，推算出太阳能发电系统总发电量，进而估算出系统中太阳能光伏电池的数量、单位用电量的成本投入等。

表3 阳能电力系统的成本初期估算

从表3 中可见，本船装备了侧推器，在靠离港及装卸货工况下电力负荷较大，考虑此种情况可以借助柴油发电机及岸电等设备，没有使用太阳能电力系统的必要，故仅考虑Normal sea going及In port工况，对比可得，系统需要的最大电量为830.4kW，拟将太阳能光伏系统逆变环节效率定为95%，光伏电池效率为18%，从而推算出系统的最大发电量为4856kW，由单位面积太阳辐射量0.2kW/㎡可得，需要太阳能光伏电池的面积为24280㎡，远远超出本船暴露部分的面积总和3390㎡，由此也可知，就目前的技术水平来讲，大型远洋船舶上，太阳能完全取代传统的柴油发电机还有很长的路要走。反之，由全船暴露部分的面积3390㎡可得，系统最大发电量为115.9kW，已完全能够满足包括照明系统、电梯、日用设备、通导无线设备等的使用，根据每千瓦4～6万元成本估算，该系统总投入约460～700万元人民币区间内。

6 前景

当然，上述算法偏保守，在如今科技飞速发展的时代，相信不远的未来太阳能系统的各个环节都将逐步改善升级，比如对高效率低成本光伏电池的开发、太阳能跟踪装置的开发、对多船体船体平台的开发等等。由百度百科提供的《太阳能发电》中则提到了一个更加激动人心的计划，即日本提出的创世纪计划——其准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电，据测算，到2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球资源，占地也不过为186.79万平方公里、829.19万平方公里，而829.19万平方公里才占全部海洋面积的2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%，因此这一方案是有可能实现的。

7 结语

全球资源越发枯竭，未来国际社会对能源的竞争必定越来越激烈，提倡节能环保是每个人必须思考的课题，目前全球对太阳能的利用率还不高，研究太阳能具有重大理论和实际意义，对可再生能源船舶的研发更具有迫切性，要坚持对绿色新能源的研究开发。

参考文献：

[1] 魏乔，孙玉伟，袁成清，严新平.大型远洋运输船舶太阳能光伏系统的构建[J].船海工程，2010（6）：138-140.

[2] 太阳能光伏产业现状与发展研究报告.possible.

作者简介：张东清（1985—），男，江苏如东人，本科，毕业于苏州大学，工程师，研究方向：船舶电气。