纯太阳能驱动的豪华游艇分析

张辉

摘  要：随着节能环保理念的加强和太阳能光伏发电技术的成熟，太阳能驱动及储能系统得到了较为广泛的应用，太阳能驱动的豪华游艇为太阳能驱动系统的应用场合之一。该文主要分析了太阳能驱动的豪华游艇的特点以及豪华游艇的动力系统、储能系统和控制系统等。

关键词：太阳能;豪华游艇;控制系统

中图分类号：TK511                文献标志码：A

0 引言

目前，大多数城市旅游船都是由柴油发动机动力系统驱动的。尤其是一些水库，它们还担负着城市供水水源地的作用，这导致一些城市在开发利用水资源、发展城市水上旅游业与城市水资源污染方面产生矛盾。

如今多个国家都在解决资源问题。我国面临的现状是大部分燃料是不可再生资源，因此许多科学家现在将注意力转向太阳能。与不可再生资源相比，太阳能可以说是绿色能源。综合游艇行业的发展现状，“漂浮在黄金水道上的巨大商机”必将再一次改变游艇产业的格局，而随着对新能源游艇的深入研究，最终太阳能会作为燃料的替代能源已是业内权威人士公认的实事。然而，由于太阳能电池板的效率不足，所需的面积太大，并且玻璃封装的太阳能电池板太厚、太重并且形状有限。大多数国内太阳能游艇仍然是混合动力游艇。采用太阳能驱动系统的游艇具有节能环保无污染等特点，为此该文对纯太阳能驱动的豪华游艇进行了深入的分析。

1 豪华游艇的设计理念及特点

豪华游艇的设计理念应做到4点，一是游艇造型时尚大方，拥有简洁柔和的外部线条。二是利用太阳能减少湖泊水污染。三是在内湖应用还需考虑噪声污染，太阳能船被公认为是新能源中最为安全，也是噪声最低的。第四是使用磷酸铁锂电池并使用低功率负载。

在太阳能豪华游艇中，船体的主要结构甲板和舱壁由玻璃纤维增强塑料（通常称为FRP）与PVC材料采用层压方式压合而成。2个车体之间采用箱形结构，形成船体，其结构具有连续性和完整性，用以确保船体的强度。太阳能驱动的豪华游艇中现有舱内面积约为40 ㎡，主要用于商务接待。房间配有空调、沙发、储物柜、卫星液晶电视和音响系统等。室外设有休闲桌椅，甲板部分铺设高档游艇柚木。同时还有油漆保护，太阳能驱动的豪华游艇水线以下均涂有防腐漆。对于舾装部分，内饰豪华装修，采用高档樱桃木面板装饰，高档软包，地面选用高级阻燃地毯，围壁选用高档软包装饰。灯具采用长寿命LED、高透光率的亚克力及散热效果极佳的铝合金材质，外观简洁大方，光线晶莹剔透，并针对其长期在湖泊等恶劣环境下航行做了密封及防锈处理。

2 太阳能豪华游艇驱动系统设计

2.1 太阳能驱动系统设计

对于太阳能驱动的豪华游艇，主要采用太阳能电池板，太阳能电池板主要可分为晶体硅电池和薄膜涂层电池，该豪华游艇主要采用晶体硅电池作为太阳能电池板的主要材料。其中可弯曲单晶硅太阳能电池是以高分子材料背板作为支撑体使用特殊的层压工艺将背板、EVA、太阳能电池芯片及高分子聚合物前膜等材料复合制备而成。可弯曲单晶硅太阳能电池板具有可弯曲、重量轻、无玻璃、厚度薄、转换效率高等特点。

在太阳能驱动系统中，核心为PLC控制中心，通过太阳能控制器将太阳能作为动力驱动电机，从而带动游艇前进。由于太阳能为不稳定的电源，因此需要配置48 V的蓄电池组，以达到为游艇提供稳定的动力电源的目的。在太阳能驱动系統中，由于还具有一部分直流负载，因此还需要配备交直流变换模块，以为游艇中的直流负载供电。

2.2 太阳能储能系统设计

该艇在左右2舱体内各装有4组蓄电池组作为动力电源及常规（日用）供电。电池组的规格都为：48 V/200 Ah，每组电池由30个3.4 V/100 Ah的磷酸铁锂电池串并组成。每组电池组都装在定制的电池箱内，电池箱包括电池监控系统、保险丝和排风扇。4组电池都可以供电，生活用电常规由第3组供电，第3组没电的情况下优先切换到第4组。在特殊情况下，电池组优先考虑功耗问题。

对于太阳能供电系统，顶盖上铺设了12.4 kW太阳能电池板，分为4组，每组太阳能电池板3 000 W，每组配备一个太阳能控制器。当太阳能控制器有充电电流输出时，PLC控制器会根据电池组电压自动选择一组电池组进行充电，充电完成后PLC控制器自动切换到其他电池组。对于涡轮机设备，2个直流无刷变频电机安装在船体的左右舱室中，每个电机额定功率为7.5 kW。根据芜湖游艇试验结果，电机功率全速为11 kW，实际运行时电机功率为2.4 kW。

2.3 太阳能控制系统设计

对于太阳能控制系统，整个电力系统由PLC控制器自动控制，遇紧急情况也可通过应急开关人工控制。当太阳能板有充电电流输出时，PLC控制器会根据电池组电压自动选择一组电池组进行充电，充电完成后PLC控制器自动切换到其他电池组。PLC控制器是在自动控制领域中广泛应用的控制技术之一，由于太阳能为一种不稳定的电源，当太阳光照较为强烈的时候，可以对蓄电池进行充电，但当没有太阳光照时，则需要通过蓄电池进行放电来为游艇提供持续不断的动力。在这个动力过程中，主要需要采用PLC控制器进行能量控制，表1为太阳能游艇的主要参数。

对于船用变频空调，采用直流供电方式，低频启动，启动电流小。内含耐腐蚀高效镍铜换热器，其中紧固件采用不锈钢铆接螺母。并配备独有的变频控制器，专为无发电机的船艇设计，是一种可用于48 V直流电源频率的新型船用空调，适用于太阳能船艇。根据太阳能游艇的实际运行数据，太阳能板发电在春季和冬季足够5.9 h。在夏秋季节行驶10.7 h，因此能够为太阳能游艇提供稳定的动力。

3 太阳能游艇发展前景展望

太阳能船由直流电机驱动，在航行期间噪声低，乘客舒适性高，对周围环境无噪声污染。太阳能游艇具有显著的经济效益和社会效益。此外，太阳能游艇具有显著的节能减排效果。中国许多河流和大多数湖泊使用的燃料船，如果按照我国1 000艘太阳能游船的数量计算，无论是燃料消耗还是污染物排放量，这都是一个非常惊人的数字。

但太阳能游艇也存在以下需要改善和提高的问题，一是控制系统相比传统游艇复杂，远程监控及维护智能化程度需要提高;二是安装太阳能板面积有限，大动力游艇无法全靠太阳能提供动力;三是在连续阴雨天的情况下，需要岸上充电来提供电力;四是电池管理需要不断优化，应设多重保护，出现故障应设有声光等智能化报警系统。

4 结语

随着全球能源形势的不断严峻，未来以太阳能为代表的新能源的应用领域将会不断拓宽。太阳能豪华游艇采用太阳能作为游艇的动力，具有节能环保无污染等一系列优点，在未来的游艇市场中将具有较大的应用空间，该文主要对太阳能驱动的游艇的动力系统、储能系统和控制系统等关键环节进行了较为详细的分析，对于推广使用太阳能游艇具有一定的意义和价值。

参考文献

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