光伏發電系統在遠洋船舶上的應用分析

馬久明　靳有　秦紅　宋士虎

摘 要：全球每年二氧化碳排放量中航運業的排放占很大一部分，把太陽能光伏發電技術應用到船舶上，是降低二氧化碳排放、提高能源利用率的新的研究方向。本文通過論述分析，擬在遠洋船舶上搭載一套太陽能光伏發電系統與船舶主電網構成并網發電系統，為太陽能光伏技術在船舶上的應用進行初步探索。著重論述光伏系統種類、安裝位置選取、安裝容量計算。

關鍵詞：光伏發電；遠洋船舶；位置選擇；容量計算

中圖分類號：U665.1 文獻標識碼：A

1 前言

隨著全球經濟由“重碳經濟”向“低碳經濟”轉型，作為國民經濟重要組成部分的航運業溫室氣體排放問題日益受到國際社會關注。根據國際油輪船東協會的研究報告，目前航運業每年消耗20億桶燃油，排放超過12億t的二氧化碳，約占全球總排放量的6%。有預測認為，到2020年全球航運業將需要40億t燃油，溫室氣體排放也將在目前基礎上增長75%?？梢?，航運業承擔著低碳減排的社會責任和歷史使命，各主要航運國家和地區開始高度重視發展安全、環保、節能的“綠色船舶”，倡導“綠色航運”。太陽能是一種可再生能源，不污染環境，被認為是替代石油能源的理想能源。太陽能光伏發電技術在船舶上應用近年來得到發展，尤其在內河小型船舶、游艇上已有初步的應用成功的案例。但在遠洋船舶方面，太陽能光伏發電技術應用還不成熟，許多國家正在致力于此技術的開發和完善。本文通過分析，擬在常規船舶上建立一套太陽能光伏發電系統，為船舶提供部分電力支持，達到節能減排的目的。

2 光伏系統介紹

2.1 光伏系統的組成及原理

光伏系統由三部分組成：太陽電池組件；充放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監控等電力電子設備；蓄電池或其他蓄能和輔助發電設備。圖1為直流負載太陽能光伏系統原理圖。

太陽能光伏發電基本工作原理就是在陽光照射下，將太陽電池組件產生的電能通過控制器給蓄電池充電或者在滿足負載需求的情況下直接給負載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負載供電，對于交流負載，還要增加逆變器，將直流電轉換成交流電。

2.2 光伏系統的分類

一般將光伏系統分為獨立系統、并網系統、混合系統三類。

2.2.1 獨立（離網）型光伏系統

獨立型光伏系統，又稱為離網型光伏發電系統，獨立給用電設備供電，但整體能量利用比較低，系統的供電穩定性和可靠性比較差，需要儲能設備（蓄電池）穩定供電電網電壓和平衡發電與負載。

2.2.2 并網型光伏系統

并網型光伏系統的最大特點是太陽電池組件產生的直流電，經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網，并網系統光伏方陣所產生的電力除了供給交流負載外，多余的電力反饋給電網，不足時由電網補充，但系統中需要專用的并網逆變器。這種系統可降低整個系統負載缺電率，而且可以對公共電網起到調峰作用。

2.2.3 混合型光伏系統

混合型光伏系統中除了使用太陽能電池組件陣列之外，還使用了燃油發電機等作為備用電源。這種系統控制比較復雜，比獨立系統需要更多的維護，而且因為系統中使用了柴油機，這樣就不可避免地產生噪聲和污染。很多偏遠地區的通信電源盒民航導航設備電源，因為對電源的要求很高，都采用混合系統供電，以達到最好的性價比。

在遠洋船舶上選用何種類型光伏發電系統，要綜合考慮船舶結構、性能、航線、經濟性等因素確定，本文將在下節詳細論述。

3 光伏陣列安裝位置的確定

3.1 目標船型的確定

典型的遠洋船舶通常包括以下六種類型：集裝箱船；特種船；雜貨船；客滾船；干散貨船；大型運油船。在船上敷設光伏發電系統，要求目標船舶主甲板及以上某些位置具有足夠的安裝光伏陣列的空間。經計算，平均輸出功率1 kW的單晶硅太陽能電池陣列需要10㎡左右的布置面積[1]（組件效率13%左右）。一般遠洋船舶整船系統功率都在100kW以上，有的甚至幾千千瓦，若以100kW為參考，則大約需要1 000㎡的布置面積?？紤]到集裝箱船、雜貨船及特種船的主甲板上及主甲板以外的其它位置不具有提供大面積安裝電池陣列的可能性，而油船主甲板雖有較大面積，但因主甲板管路紛繁復雜，其所運輸的石油類燃料易揮發出可燃易爆性氣體，對電器要求的絕緣防護等級較高，所以以上四種船舶不適合安裝光伏發電系統?？蜐L船的主甲板駕駛臺后的區域附屬甲板機械設備較少，擁有較大的可利用空間，其與油船相比對易燃易爆性物質的安全防護等級較低，因而可以搭載光伏系統。對于干散貨船，其主甲板上若干貨艙蓋占有很大的一部分面積，除部分船型有輔助克令吊外，大多數船舶的甲板上屬于平整區域，其有利于太陽能電池陣列的安裝。因此，滾裝客貨船和散貨船是搭載光伏陣列的理想船型。

3.2 光伏系統類型選擇及用電負荷確定

遠洋船舶航程較遠，每一航次歷經天數較長，且海洋環境、天氣復雜多變，在此條件下不宜建立獨立型（離網型）和混合型光伏發電系統[1]。對于并網光伏發電系統，光伏陣列只需提供部分負載的用電需求，多余的電能反饋給主電網，不足時就由主電網供電，故此類型發電系統適合于安裝在船舶上。

船舶在航行中動力和機械等設備要求供電系統能持續、穩定地供電，而光伏發電量依賴于天氣條件，供電穩定性達不到動力設備用電要求，所以不適合為動力設備和機械設備供電。選擇目標供電系統為上建的生活用電部分，經查76 000DWT某散貨船上建的電力系統圖，上建部分生活用電總功率在200 kW左右。顯然，如果200 kW的電量全部由光伏系統提供，需要為光伏陣列提供約2 000 m2的敷設面積，這在目標船上是無法實現的。由電力系統圖可知，空調系統壓縮機在機艙，可不考慮為其供電，只考慮風機部分供電20kW；廚房電器功率60kW；全部房間照明功率4kW。這三部分合計功率84 kW，我們把光伏系統的設計容量定位在100kW，為這三部分系統供電。除去傳輸損耗及遮擋引起的功率減少（約10%～15%），光伏系統也可以提供足夠的電量。白天有太陽輻射時，光伏系統直接為這三部分系統供電，多余的電能可以反饋給主電網，晚上或白天太陽輻射不足時，轉換成船舶主電網供電，這樣100kW的光伏系統可以承擔船舶部分用電要求，起到節約能源的作用。

3.3 安裝位置的選擇

以76 000DWT散貨船為例， 100kW的光伏陣列至少需要1 000m2的敷設面積，經查總布置圖，有三處位置區域開闊，即艙口蓋、主甲板上艙口圍與欄桿之間的區域、欄桿處，適合搭建光伏系統，可以初步確定為光伏陣列的安裝位置。

3.3.1 直接安裝于艙口蓋上

兩個艙口蓋合在一起可供安裝面積為15x14=210㎡， 7個艙口合計14個艙口蓋可供安裝的面積為210x7=1470㎡。但因No.7艙靠近上建，不可避免在一天當中會受到遮擋，所以總體輸出功率會因遮擋而減少；而No.4艙蓋為直升機坪，不允許安裝其他部件，所以從總面積中減去420㎡。考慮上述因素后剩余面積為1050㎡>1000㎡，可以滿足安裝面積需求。

該安裝位置在裝卸貨物時可能會遭受墜落物的撞擊，故要在上面安裝防護裝置，此防護裝置在裝卸貨物時要能閉合，起到保護作用；在航行時敞開，不影響光伏陣列發電。

3.3.2 安裝于主甲板上艙口圍與欄桿之間

將光伏電池板安放于支承艙蓋的導軌之間，在垂直高度上低于艙口蓋，安裝面積與上述方案基本相同，同時在裝卸貨物時因有艙蓋保護，可有效避免船裝卸貨物過程中掉落的雜物破壞電池板，如圖2所示。

3.3.3 安裝于代替主甲板欄桿位置

本安裝要求電池組件垂直于主甲板，且電池安裝要達到船舶建造規范對欄桿安裝的相關要求，如圖3。

已知船舶總長225 m，型寬32 m，沿船舶周長布置電池組件總長225x2+32x2=514 m，去除中間導纜孔、絞纜機等預留寬度20 m，取總長494 m，則安裝面積為494x1.58=780㎡<1000㎡，此方案不能滿足預設的100 kW的用電要求。主要原因有二：

（1）電池組件敷設面積不夠，直接影響輸出功率；

（2）電池板垂直安裝，接受太陽輻射的面積相較于水平敷設時要小，從而導致輸出功率降低。

但可以采取一定方法規避此不足。在選取電池組件上，可選用雙面太陽電池組件[2]，這種太陽電池正反兩面都可以接受輻射，所以可以區別于傳統單面太陽電池組件的朝南傾斜安裝而可以垂直于地面安裝，經試驗驗證，雙面太陽電池比單面晶硅太陽電池相同條件下發電效率提高30%[3]。采用雙面太陽電池，輸出功率可達 78x1.3=101.4 kW，剛好滿足預設功率要求。同等面積的雙面太陽電池比單面太陽電池貴三分之一，所以這種布置成本較高，經濟性不如前兩種方案。三種安裝位置的對比分析如表1所列，通過對比分析綜合考慮，位置一、位置二可操作性較大。

4 光伏陣列容量確定

4.1 太陽能電池的選擇

國內光伏太陽能電池市場主要提供單晶硅和多晶硅兩種類型的電池板。根據船舶運行特點，非晶硅太陽電池[4]不適合在船舶上安裝，而在晶硅太陽電池中，相同面積情況下單晶硅發電效率比多晶硅高，在實驗室里單晶硅太陽電池最高的轉換效率為24.7%，規模生產時的效率為15%[5]。而型號、輸出功率、封裝質量及防護等級相同的單晶硅電池板和多晶硅電池板相比，前者的價格稍高，但差別不大，所以單晶硅太陽電池是較合適的選擇。

4.2 光伏組件方陣容量計算

太陽電池組件容量設計的指導思想，就是滿足年平均日負載的用電需求。計算太陽電池組件的基本方法是用負載平均每天所需要的能量（安時數）除以一塊太陽電池組件在一天中可以產生的能量（安時數），這樣就可以算出系統需要并聯的太陽電池組件數，使用這些組件并聯就可以產生系統負載所需的電流。將系統的標稱電壓除以太陽電池組件的標稱電壓，就可以得到太陽電池組件需要串聯的太陽電池組件數，使用這些太陽電池組件串聯就可以產生系統負載所需要的電壓。

在船舶運行過程中，由于海區環境的復雜多變，電池組件表面會附著灰塵、結晶的海鹽，再加上組件性能慢慢衰變，會使降低電池組件輸出。我們采取在計算時減少太陽電池組件的輸出8%～10%（衰減因子）來加以修正[6]，也可以看作是光伏系統設計時需要考慮的工程上的安全系數。此外，設計時還要將負載功率增加10%，以應對在船舶營運期限內額外增加的用電設備。

5 總結

太陽能光伏發電在船舶上的應用目前還處于初步探索階段，小型內河船、游艇已有不少成功案例，但在大型遠洋船舶上的應用較少。本文在常規的遠洋船舶上，擬搭載一套太陽能光伏發電系統，介紹了光伏發電系統類型，光伏陣列在船舶上的安裝位置選擇、光伏陣列的容量計算。

本文未對經濟性做深入研究，相關內容另文討論。

參考文獻

[1] 孫玉偉.船用太陽能光伏發電系統設計及性能評估[D].武漢理工大學， 2010， 5.

[2]王寧. 雙面太陽電池垂直安裝發電性能測試分析[J]. 太陽能學報， 2008， 29， （8）.

[3] 杜永超， 劉春明. 空間用雙面發電硅太陽電池[A]. 第八屆光伏論文集. [C]深圳， 中國太陽能 學會， 2007.

[4]V.V. Tyagi etc. Progress in solar PV technology： Research and achievement[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews20.2013.

[5] Jianhua Zhao. Recent advances of high-efficiency single crystalline silicon solar cells in processing technologies and substrate materials[J].Solar Energy Materials & Solar Cells 82.2004（5）.

[6] 沈輝， 曾祖勤. 太陽能光伏發電技術[M]. 北京： 化學工業出版社， 2005.