光伏并网发电系统在船舶上的应用

◎ 石浛锟 交通运输部水运科学研究院



光伏并网发电系统在船舶上的应用

◎ 石浛锟 交通运输部水运科学研究院

摘 要：当前，随着国际社会对节能减排的日益重视以及船舶运输行业对能源需求的日趋上涨，将光伏并网发电系统应用到船舶上是解决目前环境污染和能源危机问题的一种重要途径。针对船舶电网的特点，给出一套结合船舶的光伏并网发电系统的设计方案，并阐述该系统在船舶上的具体应用及可能遇到的问题。

关键词：光伏并网 船舶 总体设计 应用

目前船舶运输行业中，柴油机是船舶的主要动力源，近些年来船舶柴油机无论从技术还是产量方面都取得了较快地发展；化石能源总存储量的局限性迫使船舶必须寻找新的动力能源和新能源动力设备才能满足日益增长的能源消耗需求，新能源的开发利用与新能源船舶的研究设计便成为亟需研究解决的问题。其中太阳能船舶是新能源船舶中的领头羊，将太阳能作为太阳能船舶的辅助或主要动力源，既能节约化石能源的消耗，又可保证船舶的正常航行。

图1 太阳能光伏电池板

1.太阳能光伏发电系统概述

当前太阳能光伏发电是船舶利用太阳能的主要方式，通过接收太阳辐射，太阳能船舶将辐射能量转化成光伏电能输送到船舶电网上或在储能装置中储存起来以供船舶利用。太阳能光伏发电系统主要包括：太阳能光伏电池组件、光伏逆变器、光伏控制器以及蓄电池等部分。

太阳能光伏电池组件是光伏系统的核心部件，由太阳能光伏电池组件根据系统的实际需要经过串并联组成，能将太阳的辐射能量转变为电能供负载使用。如图1所示。

光伏逆变器是将太阳能光伏电池产生的直流电转换为交流电的必须设备，直流电转变为交流电之后方可供交流负载使用。

光伏控制器负责监测太阳能光伏电池组件的各项参数并参考负载容量对蓄电池进行充放电控制。控制器伴随着太阳能光伏技术的进步将发挥日益重要的作用，监测系统、控制系统及逆变器三者集成一体化将是未来控制器的研究和发展方向。

蓄电池是太阳能光伏发电系统的能量存储部件，当辐照强度过低或者太阳能电池组件产生的电能无法满足负载的实际需求时，蓄电池便将其中存储的能量输送给负载使用。目前普遍跟太阳能光伏发电系统配套使用的是铅酸类型的蓄电池。

太阳能光伏发电系统的基本工作原理：太阳能电池组件在太阳光的照射下将产生的电能经由控制器输送给蓄电池组或者在满足负载具体要求的情况下直接供电给负载。当太阳能光照强度过低时，产生的直流电可经由蓄电池直接供电给直流负载；而当太阳能光伏发电系统包含交流负载时，需通过逆变器的逆变作用把直流电变为交流电。

2.船舶光伏并网发电系统的设计方案

船舶太阳能光伏发电系统一般分为光伏离网发电系统、光伏并网发电系统两种。这里只阐述船舶光伏并网发电系统。

2.1 船舶光伏并网发电系统的设计原理船舶光伏并网发电系统指的是由光伏发电系统转化成的电能可以直接并进船舶公共电网的电力系统。当太阳能光伏电池板接收到太阳光照射时，该系统把太阳能转化成电能并经过逆变器的作用，将电流逆变为与公共电网相同频率和相位的正弦交流电。光伏并网发电系统按照有无蓄电池作为储能设备可分为不可调度式系统和可调度式系统两种类别。其中可调度式光伏并网发电系统有较强的灵活性，可随时根据船舶的实际需要选择性地将太阳能光伏发电系统并入或者切出电网，并且在公共电网出现断电故障时，仍能保证系统的正常独立运行。可调度式船舶光伏并网发电系统如图2所示。

图2 可调度式船舶光伏并网发电系统

图3 船舶光伏并网发电系统整体设计思路

2.2 光伏并网发电系统的关键技术

最大功率点跟踪控制技术：一方面，由于光伏发电的最佳工作点会随着太阳辐射强度的变化而变化，另一方面，太阳能电池组件的电压与电流呈现出负相关的关系，因此此过程中存在着能够获取最大功率的最佳工作点。在电压和电流的变化过程中，将太阳能电池组件的工作点保持在最大功率点的位置，系统便能够得到太阳能电池组件的最大输出功率，解决这个问题的过程我们称作最大功率点跟踪控制技术。针对太阳能光伏电池完成最大功率跟踪的过程，一般是通过升压电路来完成工作电压的控制的。

直交流逆变及并网技术：太阳能光伏电池和蓄电池向外输出的是直流电，需要逆变器的逆变作用将直流电转变为交流电后才能供给船舶电网使用。逆变器一般可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能光伏发电系统，专门为独立负载供电。并网逆变器主要用于并网运行的太阳能光伏发电系统，将所产生的电能并入公共电网。并网技术涉及到船舶电网的电压、频率稳定度等问题，是目前船舶光伏并网发电领域需要克服的重要难题。

2.3 船舶光伏并网发电系统的设计思路船舶光伏并网发电系统的设计主要包括船舶光伏系统的整体构设、系统的模型搭建以及仿真计算分析、光伏电源的性能测试、并网后船舶主电网的安全供电等。图3为船舶光伏并网发电系统的整体设计方案和大概思路。

3.光伏并网发电系统在船舶上的应用及问题

3.1 光伏并网发电系统在船舶上的应用

2008年，太阳能光伏发电系统出现在由日本生产的“御夫座领袖”号上，该系统能满足该船6.9%的照明需求或0.2～0.3%的动力需求。其电能输出功率为40KW，“御夫座领袖”号是首次直接大规模的以太阳能发电作为整只船舶主电网的新能源船舶。如图4所示。

2010年上海世博会的高科技展示船“尚德国盛号”高约7米，吃水深度2米多，长度为31.85米，宽度为9.8米。如图5所示，该船是国内首艘使用太阳能、柴油机组和锂电池等多种混合动力能源的高科技船舶。在船舶航行过程中，船体可根据辐照强度的大小通过调整太阳能和柴油机组间的功率分配来满足船舶的稳定运行。

2014年，工信部高技术船舶科研项目设计的“中远腾飞”号滚装船正式投入运行，该船舶可以通过“太阳能”照明（多余的电量也可以提供动力），每年节约85万元燃油费。如图6。

图4 “御夫座领袖”号

图5 “尚德国盛”号

图6 “中远腾飞”号

图7 海水蒸发后覆盖在太阳能电池板表面的盐层

3.2 光伏并网发电系统在船舶上会遇到的问题

光伏并网发电系统在船舶上的应用范围日益广泛，但也存在以下无法忽视的问题。

（1）复杂的水上工作环境。船舶太阳能光伏电池的电力输出特性尽管与陆用型不存在本质上的区别，但其复杂的水上工作环境对它的电力输出特性还是会有相当程度的影响。

水上环境更加复杂多变且难以预测，不同水域的气象环境各有特点，即使是同一区域的太阳辐射强度、环境温度和空气湿度等参数也会在短时间内发生较大变化。气体污染物、固体颗粒、盐层覆盖、强风、浓雾、雨雪和冰雹等都是影响太阳能光伏电池输出特性的水上环境影响因素。

船舶是一个水上移动平台，其航行过程中会出现不规律的机械运动，机舱内各种动力旋转机械在运行过程中会产生低频振动问题。也就是说，目前一些船舶上所使用的随着太阳光照射角度的不同而对其进行调节跟踪的太阳轨迹跟踪系统对提高光伏系统的能效并不具有明显的效果。复杂的水上工作环境主要体现在灰尘和盐粒等颗粒物的遮光效应，覆盖层的热斑效应，污染气体和灰尘的侵蚀作用等方面。图7为海水蒸发后覆盖在太阳能电池板表面的盐层。

（2）孤岛效应。在太阳能光伏并网发电的过程中，由于太阳能光伏发电系统与电力系统并网运行，当电力系统由于某种原因发生异常停电时，此时如果太阳能光伏发电系统不能随之停止工作或与电力系统脱开，则会向电力输电线路继续供电，我们把这种运行状态称为“孤岛效应”。

特别是当太阳能光伏发电系统的发电功率与负载功率平衡时，即使电力系统断电，光伏发电系统输出端的电压和频率等参数不会过快地随之变化，使光伏发电系统无法正确判断电力系统是否发生故障或中断供电，因而极易导致“孤岛效应”现象的发生。如若处理不当，“孤岛效应”会对系统造成严重的后果。当电网出现故障或者发生供电中断的事故后，此时因为光伏发电系统仍会继续往电网送电，电力系统和工作人员的安全会有很大的安全隐患，甚至发生安全事故。不仅妨碍了检设备的正常恢复，并且会给配电系统及负载设备造成一定的伤害。因此当电力系统停电时，必须保证太阳能光伏系统停止运行或与电力系统自动分离。

4.结束语

太阳能资源在地球上分布广泛，是现今化石能源最清洁的替代品，太阳能技术的发展关乎着当今社会的可持续发展和人类的生息繁衍。当前太阳能光伏发电技术在非船舶环境中已经有了可观的普及度，但在船舶上的应用却还在起步阶段，要将其发展成为船舶的主要动力能源还有一段很长的路要走。当前阶段，将太阳能光伏发电与船舶自身电网相结合，将太阳能光伏发电技术作为船舶的辅助动力是一个很有前景的研究课题。

参考文献：

［1］石浛锟.船舶光伏并网发电系统运行特性研究［D］.武汉理工大学，2014.

［2］许献岐.船舶光伏发电并网及其关键技术的应用初探［J］.电气传动.2015（08）.

［3］严新平，孙玉伟，袁成清.太阳能船舶技术应用现状及展望［J］.船海工程.2015（01）.

［4］孙义存.船舶新能源动力系统现状与发展趋势［J］.中国水运.2012（07）.