118 m引航船太阳能光伏发电系统的设计

陈 锋

(江苏大津重工有限公司, 江苏 扬中 212221)

0 引言

19世纪中叶，美国制成了实用的单晶硅太阳能电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。随着太阳能光伏技术的日趋成熟和完善，太阳能已成为应用较多的清洁能源之一。

目前，航行和停泊时船舶设备通常使用石油燃料来提供动力和发电。使用石油燃料不仅噪声大，排出的废气污染环境，而且经常会发生燃油泄漏事件。因此，新型可再生清洁能源在船舶中的使用已经成为必然的发展趋势。

本文结合以往应用案例和正在承建的118 m引航船的应用设计，针对太阳能光伏发电系统的特有结构模式，分析影响光伏发电系统在船舶中应用的重要要素，归纳出光伏发电系统在船舶设计时的关键要点。

1 太阳能光伏发电系统的实船应用

太阳能是一种可再生能源，主能源是太阳光，不仅具有无噪音、无废气排放、无污染特点，还能减少消耗石化能源，保护环境，满足世界公认的环保要求。根据调研资料显示，太阳能光伏发电技术在小型观光游船、游艇等应用相对较多。这类船舶排水量小、航程短且航线固定，最重要的是对航速无特别要求。应用太阳能光伏发电技术的船舶有：英国海德公园的太阳能观光船、北京颐和园内的太阳能游船、中国第一艘太阳能混合动力游船-上海世博会的“尚德国盛”号、厦门筼筜湖太阳能玻璃钢双体游览船等。“尚德国盛”号外形图如图1所示，厦门筼筜湖太阳能玻璃钢双体游览船外形图如图2所示。

图1 “尚德国盛”号游船

图2 厦门筼筜湖太阳能玻璃钢双体游览船

2 太阳能光伏系统的结构模式

船舶太阳能光伏系统的结构模式一般分为并网式和离网式光伏发电系统两种。

2.1 并网式光伏发电系统优缺点

并网式光伏发电系统一般不经过蓄电池组储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网，这样可以减少蓄电池组储能和释放的过程，减小其中的能量消耗，因而节约了安装空间，并降低了配置成本。并网式光伏发电系统一般适用于趸船或长期停泊固定地点的船舶。

2.1.1优点

(1)技术方案简单成熟。

(2)光伏系统所发电量可全部被电网消纳，利用率高。

(3)能量转换环节少，系统效率高。

(4)无需配置储能装置，造价低，维护成本低。

2.1.2缺点

并网式光伏发电系统即发即用，无法存储，当负载无法消纳光伏电能时，存在浪费。

2.2 离网式光伏发电系统优缺点

离网式光伏发电系统是一个独立的供电系统，主要由太阳能组件、离网逆变器、光伏控制器、蓄电池组、桥架及安装附件组成。产生的直流电源可直接通过太阳能源储存在蓄电池组中，供夜间或阴雨天气使用。离网式光伏发电系统一般用于远航船的照明系统或近航船舶的动力能源。

2.2.1优点

(1)完全独立于外界电网，孤岛运行，相互之间无任何影响。

(2)通过增加外接电源旁路功能可以提高系统稳定性。

2.2.2缺点

(1)系统复杂，需配置储能装置，造价高。

(2)存在多次能量转换，系统效率低。

(3)蓄电池2～3 a需要更换，维护成本高。

根据船东的要求，118 m引航船采用了离网式光伏发电系统。

3 影响光伏发电系统应用的因素分析

及设计要点

118 m引航船应用太阳能光伏发电系统的影响要素主要包括航行区域、船型、稳性、航速等。

3.1 航行区域的影响

设计船舶使用光伏发电系统，需重点考虑船舶航区太阳能辐射资源。如果航区为多山、峡谷区域，太阳能辐射资源分布不充分，该类船舶设计使用光伏发电系统的可能性不大；太阳能辐射资源每月不均衡，也会导致蓄电池组容量增加和光伏组件阵列规模加大，无形中增加了建造成本。

118 m引航船是引航工作的海上基地，主要工作于长江口南、北槽引航交接区(上海港)，其作业方式为锚泊状态下接送引航员乘坐引航小艇为进出港船舶领航，是引航员的短期居住驿站。该船航区单一，位置基本固定，正常往返于上海引航站码头和锚地。该航区的阳光辐射区域相对比较充分，无山脉遮挡，太阳能辐射资源分布充分，在设计时将太阳能电池板尽可能布置成平面布置，整体光照时间相对较长，让太阳能电池板充分接受阳光。从以上分析得出，太阳能光伏发电系统可以应用于118 m引航船。

3.2 船型的影响

设计船舶使用光伏发电系统，需同时考虑船舶的船型、露天区域、开放甲板实际可使用的面积，要确认是否有足够的面积来布置船舶需要的太阳能电池板。

118 m引航船为艉机型，船体结构为钢质、艏柱前倾、方艉，全船设三层纵通甲板和四层甲板室。在敞开式B甲板有约180 m2和罗经甲板有约60 m2的面积用来放置太阳能电池板。实际可使用面积满足布置电池板的要求。

3.3 船舶横摇的影响

设计船舶光伏发电系统时需考虑船舶横摇及太阳能组件、桥架的布置方案的影响。

118 m引航船型宽19.0 m，型深7.8 m，设计吃水4.5 m，设计载重量为1 700 t。虽然上层建筑层高为2.9～3.0 m，但整体重心在51.0 m(自基线向上)和9.1 m(自艉垂线向前)处，船舶稳性很好；安装区域对安装组件进行了必要的加强，加上太阳能组件和电池板桥架采用S316L材质的加工而成，能很好地防止海水对支架的腐蚀，确保整体太阳能板的正常工作。

3.4 航速的影响

小型游艇设计还需考虑航速对光伏发电系统的影响。由于航速与推进系统的功率成立方关系，所以很小的航速需求，会增加很大的推进电机功率，瞬时耗电量会迅速增加，导致对光伏阵列的规模也会增加，从而增加建造成本。

118 m引航船只在照明系统应用了太阳能光伏发电系统，对其他动力方面未涉及到，本船不考虑航速突变对此系统的影响。

4 离网式光伏发电系统的组件和结构配置

离网式光伏发电系统组件包括：太阳能电池、太阳能光伏控制器、蓄电池储能系统、太阳能光伏逆变器、充电机、配电柜。离网式光伏发电系统的结构配置如图3所示。

5 结语

船舶应用太阳能光伏发电系统，在进行方案设计时需重点关注影响系统应用的要素，结合文中提及的设计关键要点，重点评估系统应用的可行性。

在科学技术不断更新发展的浪潮下，全球引发的气候、污染等问题，也使得人们愈来愈关注绿色环保和智能生活。随着太阳能光伏系统技术的不断发展，系统的容量在船舶总用电量中所占比例逐渐增多，电池阵列的安装模式越来越节约高效。占据甲板大面积的问题得到改善后，光伏发电系统与船电系统的并网使用必将成为目前船舶动力发展的趋势。经118 m引航船应用证明了更多的公务用船已在考虑绿色能源的应用，从而达到降低能耗的目的。

图3 离网式光伏发电系统的结构配置

参考文献:

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