太阳能船舶技术应用现状及展望

严新平，孙玉伟,袁成清

(武汉理工大学a.能源与动力工程学院可靠性工程研究所；b.国家水运安全工程技术研究中心；c.交通部船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)



太阳能船舶技术应用现状及展望

严新平，孙玉伟,袁成清

(武汉理工大学a.能源与动力工程学院可靠性工程研究所；b.国家水运安全工程技术研究中心；c.交通部船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

以太阳能船舶为对象，分析船基太阳能光伏系统的应用模式，介绍不同类型太阳船舶的技术发展现状，针对不同适用对象对其应用趋势进行展望。

船舶；太阳能；光伏；离网；并网

当前，船舶航运尾气排放对区域大气污染的影响引起了国际社会的广泛重视[1]。为推进绿色航运发展和船舶节能减排，各国不仅投入大量的人力、物力和财力，更是全方位地给予政策扶持，用以研究和发展不同类型的绿色船舶[2-3]。

随着半导体制造技术的革新和电力电子变换技术的不断进步，以太阳能光伏电为典型代表的可再生能源在节能减排方面所具有的独特优势及其所能产生的效益已经越来越显著，因而在水路交通运输行业的应用和推广正逐渐拓展。太阳能船舶，或称应用太阳能光伏技术的船舶，是采用在船舶电力系统中集成利用零污染、零排放的太阳能光伏系统为基本技术方案，在降低常规柴油同步发电机组设计功率的同时，通过在航行营运中最大程度地利用光伏电能，实现船舶在寿命周期内燃油消耗量和温室气体排放量的显著下降。当前，太阳能船舶技术已发展成为最具节能减排潜力的绿色船舶技术之一。

1　太阳能光伏系统的应用模式

太阳能光伏系统作为一种基于电力电子技术的逆变电源，其有功-频率变化特性、无功-电压特性、频率响应特性、功角稳定特性以及故障响应特性等电能质量特征与逆变控制程序直接相关。相对于拥有“大惯性”特性的常规同步发电机组而言，光伏系统可被视为一个“零惯性”的“脆性源”。根据光伏系统容量与全船总负荷需求量之间的比例，太阳能船舶可分为太阳能光伏辅助供电型和太阳能电力推进型2种；根据所应用船舶电力系统电制的不同，船基光伏系统有直流和交流系统2种集成方案；而根据船舶负荷功率需求和运行工况差异，则可将光伏系统设计方案细化为离网型、并网型和离并网混合型3种[4]。

离网光伏系统单独带载运行，与船舶电网之间不存在电能交汇，船舶电力系统的暂态稳定性主要取决于在网同步发电机组的电力输出特性，因而对整个电网的安全性和可靠性影响较低。另一方面，离网型光伏系统通常需要设置容量数倍于光伏组件总容量的储能装置，以满足光伏系统容量与所接负载日均能耗总量之间的匹配关系，并实现供电端和负载端之间动态电能供需平衡以及尽可能降低光伏电-船电切换频率。特别是，离网逆变器的输出功率受所担负负载总功率的牵制，如所接负载长期在低功率水平运行，将造成逆变器运行效率降低和光伏电能浪费问题。

并网光伏系统在任何太阳辐照强度条件下均能够以相应的最大功率点输出，仅需设置与光伏组件容量相同的储能装置就能够实现动态的电能供需平衡；并网逆变器输出的电能并入船舶主电网，可由综合电力管理系统在全船范围内统一调度，因而具有较高的能源利用效率[5-7]。与同步发电机组并联运行方式不同，并网光伏系统有如下显著特点：(1)光伏系统直流侧电气量与交流侧电气量的控制关系显著；(2)光伏逆变器并网运行与控制策略和电网电力参数直接相关，不同于常规同步发电机组并联运行过程中小幅电压差、频率差或相位差产生的“环流”将待并机组拉入同步的情况[8]；(3)并网逆变器对电网电压不具有支撑作用，不能抵御电网上的大扰动冲击；(4)带有储能系统的并网光伏系统通常设定恒功率输出，船舶负荷工况波动完全由同步发电机组平衡；(5)当某一电网电能质量参数(电压、频率、谐波和逆功率等)波动范围超出并网逆变器设定值后，光伏系统陡停更将进一步加剧整个电力系统的振荡，该过程相当于降低了暂态过程中系统的稳定裕度。极端情况下，极易导致同步发电机失去同步、机组解列和电网失电。

离并网混合型光伏系统兼顾离网和并网两种系统的特点，可根据船舶航线辐照强度、负载工况、蓄电池容量以及船舶电网运行状态，在两种运行模式下进行切换运行或彼此独立运行，因而具有较强的独立性和适用性。相应的，离并网混合型光伏系统的技术安全等级和自动化管理要求也是三者中最高的。

2　太阳能船舶的发展历程及现状

国外对太阳能船的研究，开始于1994年的世界太阳能船舶大赛Solar Splash，至2015年共举办22届竞赛活动。该赛事由美国电气电子工程师学会·电力电子学会(IEEE·PELS)和相关企业赞助，现已发展成为面向世界各国大学的太阳能电动船大赛。该比赛对船长、船宽、太阳能电池板额定功率、蓄电池容量、推进电机功率和安全标准等一系列参数都有严格的上限规定，如图1所示Cedarville University(美国)代表队的竞赛太阳能船。

图1　Cedarville University设计的太阳能船

2000年澳大利亚开发出世界第一艘商用的太阳能/风能混合动力双体客船，太阳能和风能可单独作为动力或联合匹配运行，如图2所示。

图2　澳大利亚“Solar Sailor”号

船的每个单体都由艏尖舱、蓄电池舱、机舱和艉尖舱组成，船体和上层建筑为玻璃增强复合材料，每块太阳能翼板上所采集的太阳辐射能转换成275 V/6 A的直流电，再储存到272 V的蓄电池中，用以驱动推进电机。仅使用太阳能电力推进时，航速为6.5 kn，采用风帆模式时则航速有所提高。

2006年10月16日，瑞士太阳能船“太阳21号”从瑞士巴塞尔起航，历时63天抵达美国纽约港。这是世界上船舶首次依靠太阳能提供的动力能源横穿大西洋，也验证了太阳能技术在海上船舶平台的适用性，如图3所示。

图3　瑞士“太阳21”号

2008年8月，日本邮船株式会社与新日本石油公司合作在旗下船长200 m、排水量60 213 t的汽车滚装船“御夫座领袖(Auriga Leader)”号安装使用太阳能光伏系统，如图4所示。该系统由328块太阳光板组成电池阵列，电能输出功率约为40 kW，离网模式运行能满足该船6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的动力需求。

图4　日本邮船“御夫座领袖(Auriga Leader)”号

图5　台湾高雄“太阳能爱之船II”号外观

2010年2月，台湾光宝科技旗下光宝动力储能为高雄市设计建造5艘太阳能观光船 “太阳能爱之船II”号投入营运(号称亚洲最大的太阳能船队)，如图5所示。该船长13 m，采用双体船设计，乘载量为36人；船上配备6组蓄电池，每组容量为48 V/90 Ah，总蓄电量为26 kWh；推进系统配置2台20 kW交流马达，总动力约38 kW，最高航速可达9 kn，若以3 kn航速运行则至少可行驶9 h。与传统燃油观光船相比，能源消耗量仅为同等燃油船的1/4～1/3；在一般日照条件下，附加太阳能板所提供的电力，可再节省25%能源耗量。

2010年6月5日，中国第一艘太阳能动力游船“尚德国盛”号首航，并被确定为上海世博会上海企业联合馆的“移动展馆”以及指定用船。“尚德国盛”号船长31.85 m，宽9.8 m，高7 m，吃水深度2.35 m，如图6所示。

图6　“尚德国盛”号游船

该船是国内第一艘采用太阳能、锂电池及柴油机发电机组多种能源混合供电的船舶，在不同的日照情况下，船体行驶所使用的动力可通过计算机在太阳能和柴油机组间进行自动调配，时速可达8.1 kn，节省电力和减排均达到30%以上。

2010年2月25日，世界最大的全太阳能动力船“Turanor Planet Solar”号在德国基尔下水，如图7所示。

图7　全太阳能动力船“Turanor Planet Solar”号

该船长31 m，宽15 m，重60 t。船体上方安装有500 m2总容量为93 kW的太阳能板，采用6组总重约为8.5 t锂电池作为储能装置；单体各安装1台60 kW的推进电机，最大航速为14 kn。该船在582天环球航行过程中实现零燃油消耗和废气排放。

2011年6月，韩国将设计容量为3.2 kW的太阳能光伏系统安装于一艘游船上，如图8所示，其电力系统主要由柴油发电机组构成。该套太阳能光伏系统的特别之处是安装有2台光伏逆变器，分别用于：(1)航行状态下离网带载运行模式；(2)停泊工况下与柴油发电机组并网运行模式；(3)光伏系统作为电力负载的首要电源，柴油发电机组则用于平衡电网总负载的波动[9]。

图8　韩国光伏-柴油发电混合能源游船

2012年6月，由日本三菱重工、三洋电机组及商船三井合作开发的一套160 kW太阳能光伏系统(总计768块光伏电池组件，安装面积约1 000 m2)在NK旗下60154GT汽车运输船“Emerald Ace”号上正式投入使用，如图9所示，其储能系统由安放于船底压载舱的324 480块锂离子蓄电池组成，容量为2.2 MW·h。蓄电池组充放电支路电缆彼此独立：放电时，采用DC/DC变换器将蓄电池DC250 V电压升至DC750 V，后经DC/AC逆变为AC450 V，输出功率480 kW；充电时，直接由AC450 V船电AC/DC整流后经BMS充电。该系统最显著的运行特点是：船舶航行时由太阳能电池产生的电能被储存在锂离子蓄电池组内，船舶靠港停靠时所需的电力全部由蓄电池组提供，柴油发电机组停车以实现在港零排放。

图9　“Emerald Ace”号汽车船光伏系统

2013年，武汉理工大学承担国家工业和信息化部高技术船舶科研项目，设计一套峰值功率为143 kW、蓄电池储能系统为700 kW·h、典型技术特征在于采用锂离子蓄电池储能的船用型离并网一体式太阳能光伏系统，后于2014年3月在5000PCTC汽车运输船“中远腾飞”号上完成该套系统的实船安装调试工作并投入运行，如图10所示。

图10　“COSCO TENGFEI”汽车船光伏系统

该套光伏系统最显著的运行特点是：可根据航线上太阳能辐照强度、负载功率需求、经济性和安全性要求等因素，进行4种运行模式切换，即：光伏离网运行模式、并网运行模式、光伏出力不足条件下的船舶电网供能模式、光伏系统故障时的船舶电网供能模式。到目前为止，该系统为国内外容量最大的一套基于锂电池储能的离并网一体式船舶太阳能光伏系统。

作为技术应用推广，武汉理工大学于2014年完成首艘长江内河800PCC内河商品汽车滚装船的太阳能光度系统，如图11所示。根据中国船级社(CCS)《钢质内河船舶建造规范(2015)》和《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南(2014)》的相关要求，该系统所用光伏控制器、蓄电池及BMS、光伏逆变器等关键性船用光伏设备全部获得CCS产品认证证书。

图11　JD800PCC-4#“安吉204”轮光伏系统实景

3　太阳能船舶技术展望

船体结构布置形式、负载大小、运行工况及航行区域等因素，使得适用于不同船型的太阳能光伏系统之间存在显著区别：

1)对于小型游船而言，离网型光伏系统与电力推进装置的集成是发展方向，如“星球太阳”号双体船在航行模式下的系统总负荷约为20 kW(动力系统负载仅为17 kW，通讯导航系统负载约为3 kW)，通过采用侧移式电池阵列安装机构以优化甲板空间即可解决光伏系统容量匹配问题；通过合理设置蓄电池容量即可平衡该船电力推进系统对电能的需求。

2)对于大型远洋船舶而言，离网型光伏系统作为船舶辅助电源是近年来的主要技术实现途径，如“Emerald Ace”号汽车船甲板上有足够的使用空间，但是基于技术风险和成本控制等因素，其光伏系统总容量尽管为目前标称最高的160 kW，却仍难以满足该船主动力系统的负荷需求，且在停泊工况时也需匹配MW·h级蓄电池才能够满足全船非动力负荷需求。

3)作为未来发展方向而言，随着光伏系统容量占船舶电力系统总容量比重的不断提高，光伏电-船电并网电力系统与电力推进装置的匹配集成则具有极大的技术发展潜力。如“COSCO TENGFEI”汽车船光伏系统实际上已具备与船舶电网进行并网运行能力，其对于探索研究光伏电-船电并网电力系统稳定性具有直接的借鉴价值。

4)值得注意的是，纵观清洁能源在船舶上应用的各种技术方案或设计概念，仅利用太阳能或风能等单一能源并非最为优化的应用模式[10-13]。根据船型结构、甲班布置、动力系统、电气系统、船员配置、航行区域和港口物流等各个要素的不同，多种能源的综合利用已成为新能源船舶的重要发展方向[14]，如“Solar Sailor”号和“Hornblower Hybrid”双体客船即为综合利用风能、太阳能和常规发电机组的典型案例。图12所示为“Hornblower Hybrid”双体客船电力系统结构图。

图12　“Hornblower Hybrid”能源综合利用模式

4　结束语

当前，新能源技术和绿色船舶制造技术的不断发展，为船舶航运业应对日趋严格的排放法规并实现节能降耗的目的提供了切实的技术支持，其中以太阳能、风能、核能、生物质能和海洋能等为典型代表的新能源在船舶上的应用最具有革新性和代表性。针对太阳能光伏技术在船舶上的应用，本文总结如下几点基本观点：

1)太阳能电池的光伏转换效率问题是制约其技术推广的首要因素，有待于新型光电转换材料的研发和市场化。

2)如何能够在面积有限的甲板上安装更多的光伏电池组件是太阳能船舶必须解决的问题，双体船或多体船在这方面拥有较大的优势。

3)无论采用离网或者并网模式运行船舶太阳能光伏系统，均需要设置大容量蓄电池作为能量匹配的中间节点，而当前具有较高能量密度的锂离子蓄电池是较为适宜的选择。

4)船舶太阳能光伏系统大型化的趋势已经逐步显现，并网模式的应用具有极大的发展潜力。

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Review on the Application Progress of Solar Ship Technology

YAN Xin-ping, SUN Yu-wei, YUAN Cheng-qing

(a. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering; b. National Research Engineering Center for Water Transport Safety; c. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology, Ministry of Communication, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The application status and development trend of the solar ship are discussed. The available application mode of solar photovoltaic system is analyzed and different kinds of solar ship are introduced from the viewpoint of technical interpretation. The future directions of solar ship are prospected with different vessel type taken into the consideration.

ship; solar energy; photovoltaic; off-grid; grid-connected

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.011

2015-12-11

2015-12-15

工业和信息化部高技术船舶科研计划(工信部联装[2012]540号)；湖北省自然科学基金创新群体项目(2013CFA007)

严新平(1959-)，男，博士，教授

U664.8

A

1671-7953(2016)01-0050-06

研究方向:船舶动力系统可靠性和绿色技术

E-mail:xpyan@whut.edu.cn