太陽能光伏系統(tǒng)成功用于內(nèi)河商品汽車滾裝船

上海安盛汽車船務有限公司 忻堅敏 范仲林 武漢理工大學能源與動力學院 湯旭晶 孫玉偉

眾所周知，大型船舶能耗巨大，是港口和沿海地區(qū)NOX、SO2和PM等污染物排放的重要來源，受到世界各國越來越多的重視。近年，IMO制定了更加嚴苛的防污染公約，各大船級社也均提出綠色船舶規(guī)范體系，綠色船舶技術日益成為造船航運業(yè)競爭力的關鍵。隨著光伏發(fā)電技術的逐步成熟，太陽能在船舶應用得到了海事界的極大關注。

太陽能船舶，或應用太陽能光伏發(fā)電技術的船舶，是在船舶電力系統(tǒng)中集成零污染、零排放的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為基本技術方案，通過在航行中最大程度地利用光伏電能，降低柴油發(fā)電機組輸出功率，實現(xiàn)船舶在壽命周期內(nèi)燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降。當前，國內(nèi)外應用于各型船舶平臺上的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)容量不斷提升，集成方案不斷推陳出新，已使太陽能船舶成為最具推廣和應用潛力的綠色船舶技術之一。

發(fā)電系統(tǒng)運行模式

根據(jù)船用型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行模式，可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種。離網(wǎng)型系統(tǒng)單獨帶載運行，通常設置容量較大的蓄電池儲能裝置以平衡光伏系統(tǒng)輸出功率與負載功率，其與船舶電網(wǎng)之間不存在電能交匯，船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性主要取決于在網(wǎng)同步發(fā)電機組的電力輸出特性，因而對電力系統(tǒng)的安全性和可靠性基本沒有影響較低。離網(wǎng)型系統(tǒng)的適用性問題在于：設置大容量蓄電池組導致系統(tǒng)成本提高；低負荷運行時，離網(wǎng)型逆變器運行效率下降顯著。

并網(wǎng)型系統(tǒng)輸出的電能（交流電）并入船舶主電網(wǎng)，由綜合電力管理系統(tǒng)在全船范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度，因而具有較高的能源利用效率，通常需設置與光伏組件容量相同的蓄電池儲能裝置以實現(xiàn)動態(tài)的電能供需平衡。并網(wǎng)系統(tǒng)的適用性問題在于：并網(wǎng)型逆變器屬于電流源，無法對電網(wǎng)電壓起到支撐作用；其與船舶同步發(fā)電機組之間存在直接的電能耦合，因而會影響到發(fā)電機組的暫態(tài)穩(wěn)定性，需重新計算電網(wǎng)潮流和短路保護。

就技術實用而言，離網(wǎng)型太陽能發(fā)電技術在民用商船相對成熟，而并網(wǎng)型應用則需解決船舶電力系統(tǒng)某些負載大幅變化工況下穩(wěn)定并網(wǎng)逆變技術。

離網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)設計

為了最大限度發(fā)揮光伏發(fā)電的效能，保證其在船舶電力系統(tǒng)中集成應用的可靠性。首先，對安盛汽車船務所屬的800車位PCC系列在營姊妹船電力系統(tǒng)進行實船調(diào)研，并對航線上日均有效太陽輻照強度與離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能、蓄電池容量、負載日均能耗等進行了匹配優(yōu)化計算，完成了離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)總體設計，總體結構見圖1。

圖1 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)總體結構圖

系統(tǒng)由太陽能電池陣列、光伏控制器、鋰離子蓄電池組、光伏逆變器和電力管理系統(tǒng)等組成。

該離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池裝機容量為37.125kWp；光伏控制具有最大功率跟蹤控制功能，具有100A×1.2倍電流通斷能力；蓄電池組總容量為128kWh；光伏逆變器容量為20kVA。可實現(xiàn)三種運行模式：1）光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行狀態(tài)：光伏發(fā)電大于負載消耗時，多余電能經(jīng)BMS充入蓄電池；光伏發(fā)電小于負載消耗時，無縫切換為光伏和蓄電池組儲能經(jīng)光伏逆變后向負載供電。2）光伏發(fā)電系統(tǒng)長期出力不足狀態(tài)：長期陰雨天光伏陣列電力輸出不足，且蓄電池組剩余容量降到設定下限，系統(tǒng)自動切換至船電旁路向負載供能。3）光伏系統(tǒng)故障：可手動切換聯(lián)鎖斷路器，由船電向負載供能。

研究開發(fā)的太陽能電力管理裝置可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)各模塊狀態(tài)參數(shù)實時采集，根據(jù)一定的策略對系統(tǒng)運行進行監(jiān)測和顯示報警，另外，通過提取存儲的歷史數(shù)據(jù)，可對系統(tǒng)發(fā)電量、穩(wěn)定性等指標進行評估，以便于對系統(tǒng)設備相關工作參數(shù)進行優(yōu)化，有利于系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定地運行。

系統(tǒng)安裝聯(lián)調(diào)和測試檢驗

根據(jù)中國船級社（CCS）《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2015）》和《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南（2014）》的相關要求，系統(tǒng)中的光伏控制器、蓄電池組及BMS、光伏逆變器和太陽能電力管理系統(tǒng)等關鍵性設備，均通過CCS嚴格檢驗，并取得相應的船用產(chǎn)品證書。

實船實施中充分考慮到最大化利用太陽輻射能、便于船員監(jiān)控管理和降低蓄電池艙室安全風險等問題，具體措施包括：（1）光伏電池陣列設置安裝于羅經(jīng)甲板層，采用小傾角結構設計方案；（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電氣設備和蓄電池分別安裝于船員居住甲板層上的電氣設備間和蓄電池間；（3）針對大容量鋰離子電池散熱和消防滅火問題，設置獨立通風機和七氟丙烷滅火報警系統(tǒng)；（4）太陽能電力管理系統(tǒng)增設至駕控室和集控室的延伸報警板。系統(tǒng)所有設備均于2015年9月在長航江東船廠完成安裝，圖2為該船光伏發(fā)電系統(tǒng)實船安裝布置實景，圖3為太陽能電力管理系統(tǒng)界面。

圖2 “安吉204”輪光伏系統(tǒng)實景

圖3 太陽能電力管理系統(tǒng)登陸界面和主界面

2015年10月16日試航期間，由船級社、船廠和船東組織了對整套系統(tǒng)的運行測試，主要包括：1）太陽能電池組件的輸出特性；2）光伏控制器輸入低電壓保護和恢復電壓閾值、短路保護、充滿斷開（HVD）、欠壓斷開（LVD）和恢復功能試驗；3）太陽能電力管理系統(tǒng)參數(shù)顯示、報警、記錄功能試驗，蓄電池間和電氣設備間環(huán)境溫度控制試驗；4）光伏逆變器直流端欠壓保護、短路保護和光伏電能與船電雙向切換試驗。并對系統(tǒng)進行了四小時滿載效用試驗。運行測試結果表明：該系統(tǒng)能在滿載工況下穩(wěn)定運行，電能質(zhì)量滿足CCS規(guī)范要求，鋰電池儲能系統(tǒng)能實現(xiàn)自動充放電管理，光伏電能/船電雙模式自動切換可靠，狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)測功能完善。

上海安盛汽車船務有限公司聯(lián)合武漢理工大學新能源船舶項目組進行多次考察調(diào)研，并在武漢理工大學牽頭承擔工業(yè)及信息化部高技術船舶項目多項技術積累的基礎上，根據(jù)內(nèi)河汽車滾裝船型結構和電力系統(tǒng)的具體特點，研究形成內(nèi)河汽車滾裝船離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術方案。在上述實施過程中，得到了CCS、設計院和船廠大力支持和幫助，針對安裝工藝和系統(tǒng)功能完善提出了合理化建議。經(jīng)一年余的努力后，完全具有完全自主知識產(chǎn)權的船用離網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)成功應用于“安吉204”內(nèi)河汽車滾裝船，且各項技術指標及性能均滿足船舶規(guī)范要求。本系統(tǒng)投入運行可實現(xiàn)年均發(fā)電約45000kWh（按每年300天有效運行時間計算），可節(jié)約燃油約90000 kg，降低CO2排放量約28500kg，SOX約630kg和NOX約50kg。這必將成為我國長江黃金水道綠色航運的示范和引領。