淺析以太陽能為動力的遠洋貨船系統

徐燕銘， 滕憲斌， 葛 濤， 王冉然

(天津海運職業學院， 天津 300350)

淺析以太陽能為動力的遠洋貨船系統

徐燕銘， 滕憲斌， 葛 濤， 王冉然

(天津海運職業學院， 天津 300350)

通過新能源技術，針對船舶日益嚴重的排放，建造“親環境”的船舶，以保護海洋環境，減少大氣污染。以太陽能作為能源的船舶，利用新型技術，通過合理的設計和方法，保證船舶安全航行，滿足人員需求，并提高船舶安全性和可靠性。

太陽能 遠洋貨船 PMS MPPT

1 前言

世界上很多航海區域面臨著越來越嚴重的環境污染問題，減少船舶廢氣排放已經成為保護海洋環境的重要手段，因此選用無危害的新型綠色能源已成為造船行業的首選，其中被廣泛推廣的是LNG和太陽能。在排放方面相比于LNG，太陽能可以直接做到零排放；在能源開發方面，太陽能取用也比較方便，具有更廣闊的應用空間。

2 太陽能能源

全世界都在找尋可替代的低碳能源，而太陽能正是地球上最為豐富的能源。太陽能是由太陽輻射所產生的，目前在工業領域的應用主要是發電，其轉換和利用方式有太陽能的光熱轉換、光電轉換以及光化學轉換三種方式。

光熱轉換是指通過接受并聚集太陽輻射的能量，使之轉化為熱能，直接為我們所使用。

光電轉換是指直接將太陽光的能量儲存在電池中，從而給一些設備進行供電，原理是利用半導體材料的光伏效應來進行光電轉換。

光化學轉換是指利用太陽能電解水、光解水及熱解水等各種化學方法來制氫，制得的氫可以用于燃料電池系統發電等。

對于這種新型的可再生能源，雖然已有應用于船舶的失例，但是在遠洋貨輪的使用方面還處于實驗階段。

3 太陽能船舶簡介

目前，關于太陽能船舶可行性方案可以分為兩種。第一種是將太陽能面板直接以平板的方式安裝在船舶上，如著名船舶Turanor PlanetSolar，如圖1所示。2010年9月第一次以太陽能供電的方式完成了在世界各地的旅行，在這艘世界上最大的太陽能雙體船上，安裝有537 m2的光伏面板，用以轉換成電能，提供船舶日常的航行和人員生活需要。當然，它還配備有巨大的鋰電池，用以在沒有太陽的時候，船舶能夠繼續航行。這種船舶的優點是巨大的太陽能面板與船舶融為一體，沒有占用太多船舶以外的空間，提高了船舶的穩性和安全性；且在船舶運行過程中，即使海況惡劣，也不會有太大的阻力影響船舶航行。同時由于采用了太陽能發電，能顯著減少船舶在航行或者靠泊過程中產生的各種對海洋、大氣和人體的不良影響，這也是所有太陽能船舶共同的優勢。當然，這樣設計的船舶也存在著缺陷。由于所有的太陽能面板須安裝于船體，這就意味著只有在船體較大的情況下，才能安裝太陽能面板，這點顯然不適用于散貨船舶。航行于世界各地的散貨船舶，噸位越大所需要的推進動力也越大，然而用于安裝面板的船體空余面積有限，因此，散貨船舶的動力就會受到影響，從而制約太陽能的使用。

圖1 Turanor PlanetSolar

第二種是將太陽能面板以集中的形式整體安裝于船舶甲板之上。這種船舶上的太陽能面板數目不受船體大小的限制，可以安裝多塊以提高其動力，同時作為安裝在遠洋貨船上的太陽能面板，利用一定的機械裝置改變其面板迎向太陽的角度，可以顯著提高太陽能的利用率。當然，缺點也是顯而易見的：①將巨大的面板安裝于甲板之上，無形之中增加了船舶在航行過程中的阻力；②面板的高度如果過高，將直接影響駕駛臺的視線，增加了船舶在航行過程的中不安全因素；③面板的重量增加了船舶在航行過程中的不穩定性，尤其在惡劣海況下，船舶本身搖晃劇烈，穩性會受到巨大的考驗。

總結以上兩種情況，現代新型太陽能遠洋船舶必須要具有以下特點。

(1) 要具有足夠的動力來完成遠洋航行，即使遇上惡劣海況，也不能影響船舶的安全航行，這對目前已經投入運行的太陽能船舶提出了更高的要求。

(2) 完全能夠滿足人員生活需求和船舶貨物裝卸的需要。在船舶高速化發展的今天，對于一些用電量特別大的船舶，如冷藏船，要設計切實可行的方案滿足其用電需要。

(3) 太陽能面板的安裝不能影響船舶的正常航行，須保證駕駛臺足夠視野，船舶在航行過程中具有足夠的穩性和安全性。

(4) 對于安裝在甲板之上的太陽能面板，在船舶靠港期間及進行裝卸貨的過程中，如能收進到全封閉的艙室內，這樣既可以保護太陽能面板，使其不會被碰傷、污染；同時，也可以減少裝卸貨過程中，碼頭工人視線受到太陽能面板遮擋的不良影響。

(5) 太陽能船舶航行后，須能夠切實有效地抑制海洋環境的繼續惡化，且不能對人體造成任何危害。

圖2和圖3所設計的船舶首先要安裝足夠數量的面板；其次，面板的角度要隨著太陽的角度不同而可調，始終需能夠接受最多太陽光照射；其次，在考慮太陽照射的因素后，還要能夠以最小的阻力航行，以達到較高的經濟性；最后，在碼頭靠泊期間，完全有巨型電池進行供電，太陽能面板可收縮放進甲板兩側的密閉空間內。

4 船舶系統

太能能船舶的動力完全由太陽能來提供，通過一系列的轉換，將太陽能轉換成電能，并儲存起來，輸送至電動馬達來驅動船舶，并提供必要的電力，以供人員生活和貨物運輸。采用電力來推進船舶，能夠使船舶實現良好的機動控制，減少機艙噪音，更為重要的是，電力推進有利于船舶控制環境污染，降低排放。

圖3 安裝可旋轉太陽能面板的船舶

太陽能船舶系統由光伏陣列(見圖4，由多個太陽能面板組成)、蓄電池組、升壓轉換器、可逆變頻器、逆變器、充電控制、放電控制和用于管理能量的計算機(能量管理控制器)組成。

圖4 太陽能船舶系統

4.1 電源管理系統

電源管理系統(Power Management System,簡稱PMS)主要用來管理船舶使用的電能，幫助船長實現正確的航行和管理。在PMS中，重要的是電源的存儲裝置即蓄電池組，它被用來平衡輸入能量和輸出能量之間的差值。同時，在天氣狀況不佳或夜晚時，用以提供足夠的電能。蓄電池中，由于電能的流入和流出，易對蓄電池組的容量和性能產生影響，造成過早的衰減(如圖5所示)，因此，必須有一個精確的能源管理策略來進行控制。安全可靠的航行關鍵在于了解電池組中真正儲存的電能。

4.2 MPPT控制

MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制技術被廣泛應用于太陽能發電，如圖6所示。通過設置太陽能面板的輸出電壓來獲得最大輸出功率。如果工作點在最大輸出功率的左側，則dP/dV>0；反之，如果工作點在最大輸出功率的右側，則dP/dV<0。

根據圖6的特性，控制方法如下：建立一個太陽能面板的工作電壓，形成一些周期性擾動的電容，通過調節升壓轉換器，與前一個的輸出功率進行比較。如果輸出功率增加，意味著工作點在最大輸出功率的左側，這時候應繼續維持以增加輸出電壓；反之，如果輸出功率減小，則工作點在最大輸出功率的右側工作，會慢慢偏離最大功率點，應改變擾動方向，降低太陽能面板的輸出電壓。

4.3 充放電控制器

通過接收到的信息進行管理控制，能量來自太陽能面板。在充電過程中，充電控制器可以測量流入到蓄電池組的能量，當蓄電池組完成充電，能量會被發送到另外一組需要充電的電池組中。放電控制器控制一個單一的蓄電池組進行完全放電過程，在

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圖5 電池容量衰減圖

放電過程中，放電控制器測量能量流并加以控制，和前一個充電過程的數據進行比較，通過這一比較，可以建立電池老化的標準，用以確定蓄電池組中真正存儲的能量。

4.4 管理控制

管理控制系統的作用主要是確定真正可用于航行的能量和提供船舶的自主性信息。為了實現這一分配，系統保存了能量流的信息和蓄電池組完整充放電的過程數據，所有電氣系統的性能都通過管理系統來監控，它還管理著蓄電池組充放電的時間。通過這種管理策略，不僅可以檢查電池的壽命，還可對蓄電池組充電/放電的數量進行限制。

5 結論

圖6 太陽能面板輸出特性曲線

不是所有的船舶都適合采用太陽能為動力，它的先決條件是船舶必須有足夠大的甲板，并且采用太陽能以后能夠對海洋環境污染切實起到限制作用。但隨著全球能源危機的不斷加劇，使用可再生能源來提供船舶所需的動力和電力必將是趨勢，如何更加精確地制造和管理是以后“親環境”型太陽能船舶需重點考慮的問題。

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[3] 孫忠玉，陳順懷，陸潮立.太陽能在小型旅游船舶上的應用研究[J].船海工程,2010,6:132-134.

[4] 張敏敏，康偉.一種混合動力電動船舶能源管理系統的設計[J].中國水運：下半月，2011，12：67-69.

Analysis of Ocean Going Vessel System Powered by Solar Energy

XU Yan-ming， TENG Xian-bin， GE Tao， WANG Ran-ran

( Tianjin Maritime College, Tianjin 300350， China)

In order to protect the marine environment and to reduce the atmospheric pollution, the new energy technology is applied to build environmentally-friendly ship. Using new technologies in shipbuilding, mechanical and electrical design, solar-powered ship can satisfy the seamen′s needs and improve the safety and reliability.

Solar energy Ocean going vessel PMS MPPT

天津市教委高校科技發展基金計劃項目(編號20110425)。

徐燕銘(1987-)，男，講師。

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