太陽能光伏電力推進在船舶上的應用研究

陳立劍，徐建勇

(中國船級社 武漢規范研究所，武漢430022)

1 光伏系統及電力推進概述

船用太陽能光伏發電裝置主要包括太陽能電池板、控制設備、儲能設備等。太陽能電池板主要由單晶硅、多晶硅、砷化鎵等半導體材料構成，其發電原理基本上是:當太陽光照到硅表面時，一部分光子的能量被硅原子吸收，使原子內的電子發生躍遷，從而在材料內部形成一定的電位差［1］，反復此過程，光能得以轉化為電能通過控制設備供給船用負載直接使用，或者儲存到儲能設備中在日照不足或者夜間進行使用。電壓等級相當的直流負載可以直接使用，對于含有交流負載的電力系統而言，還需要增加逆變器轉換為交流電使用。

電力推進系統主要包括調速裝置、電動機、控制設備等，采用電動機帶艉軸的方式驅動螺旋槳。一般還配備功率管理系統，在不同負荷工況下靈活增加在網發電機組數量，以保證柴油機可以高效運行。

制約太陽能光伏電力推進船舶應用的關鍵技術有以下幾個方面:①光電轉換率，太陽能光伏發電系統能量密度低，提高轉換率至關重要，船舶上可用于安裝光伏電池板的面積有限，除非特殊設計;②儲能裝置，太陽能光伏所發的電能與氣象條件密切相關，儲能裝置的設計思路是保證在太陽光照連續低于平均值的情況下，負載仍可以正常工作。目前儲能裝置大部分為普通鉛酸蓄電池，但儲存能量密度不大，使用壽命有限，重量大［2］。這些制約因素已有望得到解決，2009年5月上海第三屆國際太陽能光伏大會亮相6大頂尖技術中有3項就與新型光伏電池有關。目前，受太陽能光伏技術限制，在實船上應用太陽能光伏系統主要問題仍是可用的太陽能及其儲能裝置提供的電力較小。本文將按照船舶大小分別敘述其使用設計情況。

2 小型太陽能電力推進船規范分析及設計

太陽能電力推進船舶應用之初，就是在小型船舶上進行應用。目前國內應用較多的主要集中在旅游觀光船、游艇等。這類船舶所在航區一般水文條件較好，排水量小，沒有嚴格的航速要求，航程較短且固定。例如2010年在臺灣高雄下水營運的太陽能游船(見圖1)，主要在小型河流內營運。船長13 m，太陽能充電系統達到3 kW，配置54 kW·h鋰蓄電池組，2臺20 kW電動機，最高航速9 km/h，可載36名乘客以3 km/n航速行駛9 h，還可接岸電充電使用。

圖1 臺灣高雄太陽能游船

在《內河小型船舶檢驗技術規則》(以下簡稱《小船規范》)中對內河小型船舶的電源方面有如下規定:主電源可以采用獨立驅動的發電機或推進主機驅動的發電機或蓄電池組;當設有電動或電動液壓動力源的操舵裝置時，應至少設置1臺與主機獨立的發電機組和一組蓄電池;對于船舶正常航行其全船動力設備不依靠電力供應時，應設置2組蓄電池作為船舶主電源。

目前常規的小型太陽能船舶，除了少量照明和航行設備外，沒有其它大功率用電設備［3］。舵機一般為機械式或手動油壓式。如2007年我國沈陽泰克太陽能應用有限公司研制的“00l號”太陽能旅游船，船體長6.2 m、寬l.9 m、可載9人，航速可達10 km/h。這樣，根據《小船規范》，太陽能光伏系統(配蓄電池儲能)可作為主電源獨立使用，在日照較好的情況下光伏系統帶推進負載的同時將富余電能儲存在蓄電池中，夜間則由蓄電池帶推進負載運行。推進方式一般采用直流電機帶艉軸的型式驅動。

這類船舶電氣設計一般較為簡單，船舶的調速通常采用電樞回路串電阻調速，使電動機運行于不同的轉速，串入電阻后，轉速降低，損耗增大，特別是串入電阻越大，電動機機械特性越軟，在低速運行的時候，轉速穩定性不高。隨著電力電子的發展，也有采用PWM斬波控制技術的調速方式，調節電源端電壓，不僅易于實現無極調速，也易于在調速器內集成對蓄電池的監控功能，對蓄電池的過放電等故障進行保護。2008年北京頤和園內迎奧運的太陽能游船就是采用這種調速方式。該船船長11.8 m，寬3.6 m，額定載客30人，最大航速8 km/h，配備光伏發電系統，儲能電池采用400 Ah/220 V蓄電池，配備PWM調速器和直流電動機帶艉軸進行推進。其優點在于電動機的機械特性硬度不變，與串電阻調速相比更易于實現穩定的低速運行，效率也更高。

這類船舶的一個設計關鍵點在于太陽能電池板和蓄電池組的布置，一般游船的頂部都可以作為太陽能板布置區域，如何更有效增大可布置區域成為關鍵。如2006年英國在海德公園正式運營的太陽能船(見圖2)，該船搭建了大量不銹鋼架，安裝了多達27塊太陽能板，使得這艘船長約14.5 m的船完全靠太陽能發電的最大航速達到8 km/h。蓄電池組的布置也是調研中較為關心的問題，這類船舶盡管用電功率不大，但由于推進全部依靠電力供應，一般蓄電池所配備的容量甚至還高于普通主機推進的船舶。蓄電池的安裝和通風也應符合規范設計，由于蓄電池充放電會產生有害氣體，故電池艙應與客艙和機艙完全隔離，做到氣密。如果電池艙做不到與機艙的隔離，則應將機艙內的電氣設備選擇為防爆類型。這里建議電池艙在有條件的情況下應采用完全封閉設計，采用通風管、風機使電池艙實現有效的通風，還應嚴格防止電池有害氣體擴散到通風條件不好的客艙(如安裝了空調的客艙)，危害人體健康。

圖2 英國太陽能觀光船

3 大型太陽能電力推進船規范分析及設計

大型船舶中的客滾船、散貨船、客輪一般具有較大面積可供安裝，具有應用太陽能光伏系統的前景。由于太陽能光伏系統發電量有限，對于大型船舶，太陽能發電系統只能作為輔助推進用電或生活用電。現在大型船舶的太陽能應用實例也比較多，最為著名的有:2008年日本的太陽能貨船“御夫座領袖(AurigaLeader)”號(見圖3)，其有328塊太陽光板組成電池陣列，電能輸出功率可達40 kW，能滿足6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的動力需求，獲2009全球年度船舶獎。2010年瑞士制造的“星球陽光”太陽能電力推進船，船長31 m，寬15 m，排水量60 t，最高時速可達15 kn，可以搭載50人航行。船體上方裝有500 m2的太陽能電池板，是世界上最大的太陽能動力船。

圖3 日本的太陽能貨船

3.1 大型船舶主電源設置的規范分析

大型船舶使用太陽能光伏發電供推進使用，一般分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統兩種形式。對于船長超過2 0 m 的船舶，《鋼制內河船舶建造規范》(以下簡稱《內規》)對船舶電源有如下規定:主電源可以采用獨立驅動的發電機或推進主機驅動的發電機或蓄電池組;對于動力操舵設備、輔機、泵等船舶正常運行所必需的設備均為電力供電時，應至少設置2臺獨立驅動的發電機;對于舵機油泵、為主機服務用輔機、泵由推進主機帶動且船舶安全所需用電設備能由蓄電池供電時，可只設1臺獨立驅動的發電機;對于全船動力設備不依靠電力供電時，應設置2組蓄電池作船舶主電源。一般來講大型船舶出于安全和操作的需要，用電設備眾多，如電動操舵裝置、各種電動輔機、泵等。根據規范要求，具備動力操舵設備的船舶必須采用發電機進行供電，而且各種輔機、泵，如采用蓄電池組進行供電，則需要使用直流電動機，其重量、體積、可靠性、經濟性都不如交流電動機實用，因此多數大型船舶電網一般采用交流供電方式。

在《鋼制海船入級規范》(以下簡稱《鋼規》)中對主電源有如下規定:主電源應至少由2臺發電機組組成，而在《內規》2012修改通報中更是直接明確提出太陽能電池只應作為船舶的輔助電源。因此大型船舶光伏電能的應用應考慮并網的發電系統，使光伏電能和柴油發電機組并網對推進或其它用電設備供電。而且相關統計表明，冬季和陰天產電能不到夏天的25%，而推力與航速呈三次方關系，僅依靠太陽能難以保證較大型船舶的全部推進動力，故采用并網供電方式，是比較合適的，同樣也能達到減少燃料消耗，降低排放污染的效果。

3.2 船舶光伏電力推進系統優化設計分析

隨著近年來電力電子設備的廣泛應用，光伏交直流并網技術有了船用化的趨勢。光伏發電系統配備光伏逆變器可將太陽能電池板產生的直流電能轉化為與電網電壓同頻率、同相位的交流電并網供負載使用，如光伏發電系統帶有儲能電池，還可以起到不間斷電源的作用。這類太陽能發電系統交流并網提供動力的船舶目前僅在國外有實船應用。如德國Alster河上的太陽能動力游艇，長27 m，重42 t，可載運100名游客，停靠時還可以將多余的電并網到岸上電網使用。此外還可以考慮直流并網的方式，電力推進船舶一般配備變頻傳動系統，公共直流母線變頻系統是一種較新的、廣泛應用于多電機傳動場合的變頻傳動系統，有利于合理利用制動過程中產生的再生能源，也是一種新的節能方式。光伏發電系統配備充放電裝置，將光伏發電的直流電轉換成與主發電機整流后電壓相同的直流電并網供負載使用，這也是電力推進船舶使用光伏能源的一種設計思路。在設計時，應考慮到使直流母線電壓在可能的波動范圍內，充放電裝置均能向直流母線提供額定功率或額定電流的能量。

由于電力變頻設備的使用，會在交流電網上產生大量高次諧波，對發配電系統及用電設備造成一定影響。在光伏電力推進系統的負載饋電的設計上，對重要負載供電可以采用從直流母線取電經逆變器和濾波器的方式，而對非重要的負載通過發電機經過濾波屏進行供電。這樣，重要負載采用的是直流逆變濾波的方法，直流電網本身沒有交流電網固有的諧波和電流畸變的問題，通過高頻逆變的方式產生的高頻干擾和高次諧波相比于工頻更容易通過濾波環節來濾除干擾，這樣的配置方案可更有效地保證對重要負載的供電品質。

太陽能光伏系統在連續陰天的氣象條件下，會存在太陽能發電補充不及時的情況，有可能需要以電池作為主要供給負載。一般在進行蓄電池容量設計時，會考慮自給天數這個參數，如果自給天數考慮過大，則會使得蓄電池的容量、體積增大，因此在設計時可考慮運用多種方式對蓄電池進行補充，如采用光伏系統直流并網方式，或在停航時通過岸電整流到直流母線上由充放電柜給蓄電池組充電。

我國類似這樣的船舶有2010年建造完成的“尚德國盛號”太陽能混合動力游船(見圖4)，該船是中國第一艘由國內集成商自主集成的太陽能混合動力電力推進系統的船舶，總長31.85 m，寬9.8 m，高7 m，可容納150余名游客。其垂直太陽能板高10 m，寬5 m，裝有高效太陽能電池約70片，總計額定發電功率可達20 kW。配2臺140 kW主發電機P1、P2，1臺125 kW輔發電機和2組112塊單體容量180 AH的太陽能充電的鋰電池組作能源系統［4］。

該船電力系統單線圖見圖5。主交流電網主電源為P1、P2兩臺柴油發電機組，交流母線經QF3、QF4接入整流柜，通過整流單元為直流母線提供能量，直流母線額定電壓為直流540 V。同時左右片體電池充放電柜通過快熔連接到整流柜的直流母線。左、右機逆變柜從直流母線取電，為推進系統提供電源，逆變電源柜接入直流母線為航行負載提供電源。系統非重要負載由柴油發電機組P3供電，當P3故障時，也可以由交流母線通過QF6為非重要負載供電。

圖4 尚德國盛號混合動力推進游船

圖5 系統單線圖

該船設計航行工況主要有3種:①純電池模式。在駛入開闊航道后，電池組電量充足的情況下，可使用電池組供電推進，該模式下最大設計航速5 kn;②純柴電工作模式。在靠離碼頭或純電池模式電池電量不足時，使用純柴電工作模式。該模式下最大航速8.5 kn，還可根據當前剩余功率選擇是否對電池提供充電能量;③混合模式。當駛入開闊航道后，且電池組充滿的情況下，可以采用該模式，高速航行時鋰電池組作為太陽能發電的儲能裝置，與柴油發電機組一同通過公共直流母線方式為推進負載及航行負載供電。

該船在太陽能光伏系統與柴電并網轉移負荷上還采用了獨創的無縫切換技術，為實現無縫切換，在充放電柜中設計了功率調節環節，當柴發機組與太陽能光伏系統之間需要進行無縫切換時，充放電柜通過控制自身放電電流的大小，實現與機組間的負載轉移，保證機組負載平穩變化，不致對柴發機組造成沖擊。

3.3 大容量蓄電池的使用建議

實船調研表明，大型船舶在使用太陽能光伏系統時，蓄電池要比小型船舶容易布置，一般都有專門的艙室，在電池的安裝條件、間隔固定方式、通風條件等方面按照《鋼規》執行即可。太陽能光伏發電系統對蓄電池的基本要求為自放電率低、使用壽命長、深放電能力強、充電效率高、工作溫度范圍寬，規范中對蓄電池的種類一般要求為鉛酸電池或堿性鎳板電池，或經同意使用的電池。國內外目前選用的替代鉛酸電池的還有高性能的動力鋰離子電池，其優點在于高能量密度、長循環壽命、無污染。在使用蓄電池建議不要在串聯電池組內抽取一部分電池帶額外的負載，這會造成該部分電池老化速度加快，并且對于船用蓄電池一般采用串聯整組的充電方式來說，終止充電是以整組蓄電池電壓為限制，若某一部分電池老化速度加快，容易在充電過程中發生過充，進一步對電池造成損傷，造成惡性循環。嚴重的過充甚至會造成鋰電池發生爆炸，應嚴格避免這種情況發生。建議有條件的船舶對鋰電池的使用設置一套獨立的監控系統，檢測個體電池的使用情況，如電壓、溫度等。

3.4 控制系統的設計

在控制系統和安全方面設計建議參照規范中電力推進和太陽能光伏系統的相關章節進行，特別建議在進出港或通航水域航道狹窄、水流湍急的情況下，推進動力還是應以柴發機組供電為宜，以保障供電可靠性和船舶有較高的機動性。在電氣系統選擇性保護方面應按照相關指南進行設計，特別注意《鋼規》中對重要負載供電要求直接由主/應急配電板供電規定，或采用完全選擇性保護供電。因而如光伏逆變器向重要負載均應使供電系統獲得完全選擇性保護，保證船舶正常航行。

4 結論

隨著近年來光伏系統的進步，太陽能電力推進船舶上的應用越來越多。根據前述的分析，小型船舶上太陽能電力作為主動力的船舶數量日益增長，這方面設計主要考慮如何增加太陽能板布置及轉換效率，以及蓄電池的合理布置使用;大型船舶太陽能電力主要作為輔助動力的一種，應考慮各種并網技術、新型電池技術等的船用化研究，目前國內船舶在這些方面特別是大功率的交流并網實例很少，是一個值得深入研究的方向。

［1］袁成清，趙亮亮，孫玉偉，等.船用太陽能電池可靠性分析［J］.船海工程，2010，39(6):129-131.

［2］李 進.太陽能在船舶動力裝置中的應用前景［J］.船海工程，2010，39(4):70-72.

［3］林 杰，袁成清，孫玉偉，等.太陽能電池板在不同類型船舶上的布置優化［J］.船海工程，2010，39(6):116-120.

［4］張 軼，郭 棟，潘國平，等.一種游船多模混合推進動力系統設計［J］.船電技術，2012，32(1):22-24.