太陽能光伏系統(tǒng)在船舶中應(yīng)用特點(diǎn)分析

占文偉

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太陽能光伏系統(tǒng)在船舶中應(yīng)用特點(diǎn)分析

占文偉

（中國船級(jí)社廈門分社， 福建廈門361006）

利用太陽能等新能源發(fā)電技術(shù)和電力推進(jìn)技術(shù)組成船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)已成為船舶上最被關(guān)注的綠色技術(shù)之一。針對(duì)太陽能光伏系統(tǒng)在船舶中應(yīng)用，在介紹太陽能光伏系統(tǒng)的原理及使用模式基礎(chǔ)上，分析太陽能光伏系統(tǒng)及其部件在船舶中應(yīng)用特點(diǎn)，探討和歸納了基于太陽能光伏系統(tǒng)的船舶電網(wǎng)的重要特性，為今后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了依據(jù)。

太陽能 光伏系統(tǒng) 發(fā)電系統(tǒng) 電能質(zhì)量 綠色船舶

0 引言

隨著旅游事業(yè)的發(fā)展和湖泊、景區(qū)等水上項(xiàng)目旅游資源的開發(fā)，游船作為一種親近大自然的載體，已逐漸成為人們旅游度假的娛樂方式。但從游船動(dòng)力系統(tǒng)中排放的油水、廢氣和噪聲所引發(fā)的水體和空氣、噪聲污染問題已日益嚴(yán)重，使得綠色船舶的開發(fā)研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。太陽能是一種可再生能源，易于得到，且取之不盡、用之不竭，將太陽能應(yīng)用于游船上，其污染問題將迎刃而解。因此，太陽能光伏系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用被越來越多，太陽能能源的應(yīng)用技術(shù)就成為船舶最被關(guān)注的船舶綠色技術(shù)之一。

1 當(dāng)前太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)太陽能光伏技術(shù)的應(yīng)用已有相關(guān)的要求，但主要是針對(duì)其作為船舶輔助能源的使用；而根據(jù)調(diào)研資料和研究結(jié)果，業(yè)界對(duì)于船舶主要能源應(yīng)用太陽能光伏技術(shù)有了一定的需求，目前國內(nèi)應(yīng)用較多的主要集中在觀光游船、游艇等，這類船舶所在航區(qū)水文條件較好，航程較短且固定，排水量較小，對(duì)航速要求無特別要求。例如2006年英國海德公園運(yùn)營的太陽能觀光往返船；2008年北京頤和園內(nèi)迎奧運(yùn)的太陽能游船；2010年上海世博會(huì)上具餐飲娛樂、商務(wù)會(huì)議等多種功能的“尚德國盛”號(hào)太陽能游船，如圖1；同年在臺(tái)灣高雄用作小型河流內(nèi)營運(yùn)的太陽能游船[1]；2013年廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船，如圖2。盡管有2008年日本的太陽能貨船“御夫座領(lǐng)袖(AurigaLeader)”號(hào)；2011年被制造商稱為世界上最大的太陽能動(dòng)力船的德國“星球太陽能”號(hào)，如圖3；及我國首艘大型光伏太陽能汽車滾裝船“中遠(yuǎn)騰飛”號(hào)，如圖4。但由于太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量有限[3]，且技術(shù)要求高，目前在大中型船舶中僅能作為輔助推進(jìn)及生活用電。

2 太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)分析

2.1使用模式分析

太陽能光伏系統(tǒng)在船舶上使用，根據(jù)用戶的需求和負(fù)載的不同，可分為獨(dú)立和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種形式。

2.2太陽電池組件技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1太陽系統(tǒng)發(fā)電與安裝的特點(diǎn)

太陽能光伏板有多種安裝方式，不同朝向安裝下的太陽電池的發(fā)電量如圖7所示。在考慮安裝和朝向的同時(shí)，還應(yīng)考慮遮擋問題，如晶體硅太陽電池，很小的遮擋會(huì)引起很大的功率損失；但遮擋對(duì)于薄膜電池的影響會(huì)小得多。另外，通風(fēng)條件對(duì)于太陽電池組件的冷卻很重要，隨著溫度升高，發(fā)電量將減少；且組件溫度對(duì)安裝方式也有一定的影響[4]。

2.2.2 太陽電池的I-V特性及功率曲線

太陽電池特性曲線相當(dāng)于太陽電池在外接一個(gè)0～∞變化的電阻時(shí)，輸出的電流、電壓以及功率曲線，如圖8。從圖中可知當(dāng)電池在最大電流（IMAX）和電壓（VMAX）值時(shí)，將產(chǎn)生最大功率（PMAX）；曲線下方的面積表示不同電壓下電池能夠產(chǎn)生的最大輸出功率。

2.2.3 溫度的影響

太陽電池的性能也受溫度的影響，其開路電壓隨著溫度升高而呈線性下降。在20～100°C間，每升高1°C每片電池的電壓約減少2 mV，但光電流卻略有上升。綜合分析可知當(dāng)溫度升高時(shí)，太陽電池的功率將下降，如圖9。典型功率溫度系數(shù)為-0.35%/°C，即太陽電池溫度每升高1°C，功率下降0.35%。

2.2.4 “熱斑效應(yīng)”的形成及預(yù)防

太陽電池組件是由多個(gè)太陽電池連接（串聯(lián)或并聯(lián)）和封裝而成的，為了提高轉(zhuǎn)換效率，理論上應(yīng)選用相似特性的單體電池；但實(shí)際使用的太陽電池間存在著微小差異或被遮擋，使其特性在電路中失諧，且失諧的電池不僅對(duì)組件輸出貢獻(xiàn)低，且消耗了一部分其他電池所產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致局部過熱，出現(xiàn)這種現(xiàn)象即為熱斑效應(yīng)[5-8]，如圖10。據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱斑效應(yīng)使太陽電池組件的實(shí)際使用壽命至少減少10%。為了預(yù)防和解決熱斑現(xiàn)象，系統(tǒng)中將引入旁路二極管，使太陽電池片在出現(xiàn)異常情況不能發(fā)電時(shí)，起到旁路的作用，使其它電池片所產(chǎn)生的電流可由二極管流出，則太陽能發(fā)電系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)電，從而有效的遏制有害過熱點(diǎn)的產(chǎn)生。

2.3 光伏控制器的技術(shù)特點(diǎn)

太陽能控制器是在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，用來控制太陽電池方陣對(duì)蓄電池進(jìn)行充電以及蓄電池給太陽能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備，且具有對(duì)反接、短路、過流等進(jìn)行有效的保護(hù)功能。

太陽電池板輸出能力隨光照的不同而改變的，見圖11所示，光伏陣列工作點(diǎn)的控制主要有恒電壓控制（CVT）和MPPT這2種方式。CVT控制簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但受溫度影響大。MPPT是是一種自主尋優(yōu)方式，動(dòng)態(tài)性能較好，但穩(wěn)定性不如CVT[9]。

2.3.1 孤島效應(yīng)（僅并網(wǎng)型逆變器）

孤島效應(yīng)是指在主電網(wǎng)中并入了發(fā)電裝置，但在主電網(wǎng)斷電的情況下，該發(fā)電裝置仍向主電網(wǎng)供電，且檢測(cè)不到或根本沒有相應(yīng)檢測(cè)方法。孤島效應(yīng)的出現(xiàn)，將對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響。危害電力維修人員的生命安全；影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開關(guān)動(dòng)作程序；孤島區(qū)域所發(fā)生的供電電壓與頻率的不穩(wěn)定性質(zhì)會(huì)對(duì)用電設(shè)備帶來破壞；當(dāng)供電恢復(fù)時(shí)造成的電壓相位不同步將會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，可能會(huì)引起再次跳閘或?qū)夥到y(tǒng)、負(fù)載和供電系統(tǒng)帶來損壞；光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相負(fù)載的欠相供電問題[10]。

2.3.2 并網(wǎng)功能（僅并網(wǎng)型逆變器）

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中， 需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位和頻率以控制并網(wǎng)逆變器， 使其輸出電流與電網(wǎng)電壓相位及頻率保持同步，即同步鎖相。同步鎖相是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 其控制精確度直接影響到系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行性能。倘若鎖相環(huán)電路不可靠， 在逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)工作切換中會(huì)產(chǎn)生逆變器與電網(wǎng)之間的環(huán)流，對(duì)設(shè)備造成沖擊，縮短設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還將損壞設(shè)備。目前，對(duì)基于DSP 的數(shù)字鎖相環(huán)的應(yīng)用較多，使用DSP芯片的CAPTURE口進(jìn)行捕獲。軟件檢測(cè)得到電網(wǎng)頻率和相位，并調(diào)整并網(wǎng)電流的頻率和相位，從而使得并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻，相位差180°[11]。

3 太陽能光伏系統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

由于太陽能光伏受晝夜、季節(jié)及氣候等條件的影響[12]，需要在良好的光照條件下才能正常工作發(fā)電，如圖12。當(dāng)采用光伏發(fā)電無蓄電池方案時(shí)，若區(qū)域氣候變化幅度大，將造成電力負(fù)荷的大幅波動(dòng)；若空氣質(zhì)量差比如空氣污染，或能見度差比如霧霾天或陰天等，都將使光伏發(fā)電在線或?qū)崟r(shí)出力下降。

圖13是一份國家電網(wǎng)光伏發(fā)電的統(tǒng)計(jì)圖表，圖中表明由于光照條件的不同，可導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的的出力差值達(dá)到額定功率的25%，且瞬間的出力變化可達(dá)到大于60%。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力減少時(shí)，將造成大量的功率損失；因此，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電容量比例增大，將直接影響到電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

3.1 孤島效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)（僅對(duì)于并網(wǎng)系統(tǒng)而言）

電網(wǎng)中孤島的危害很大，不僅在主電網(wǎng)斷電時(shí)檢修會(huì)帶來危險(xiǎn)，還會(huì)破壞孤島中的部分電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。因此，當(dāng)發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)，應(yīng)快速準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)逆變器，同時(shí)應(yīng)從電站管理系統(tǒng)上進(jìn)行有效的控制或抑制。

3.2 與常規(guī)能源等效性比較及應(yīng)用建議

綜合分析，太陽能的應(yīng)用上應(yīng)考慮其不穩(wěn)定、易突變以及置信度低等特點(diǎn)，因此在船舶上使用，建議以下兩類情況：

3.2.1 離網(wǎng)光伏系統(tǒng)

由于太陽能受氣候、光照條件的影響，發(fā)電量存在波動(dòng)現(xiàn)象，因此，離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)向負(fù)載供電時(shí)，通常情況下會(huì)配備輔助能源蓄電池。其用途有兩方面：其一，用作光伏發(fā)電富余時(shí)儲(chǔ)能，當(dāng)光伏發(fā)電作為主電源時(shí)，蓄電池?zé)o法通過其他方式充電，此時(shí)可利用儲(chǔ)備的能源在光伏發(fā)電匱乏時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。該蓄電池的容量應(yīng)根據(jù)全天光伏發(fā)電內(nèi)的有效時(shí)間與比重的要求決定，同時(shí)考慮一定的自給天數(shù)，從而使得光伏發(fā)電系統(tǒng)能滿足全天的負(fù)載使用。其二，對(duì)于蓄電池可通過其他方式充電的，可根據(jù)實(shí)際需求，合理設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)。

3.2.2 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)并非獨(dú)自向負(fù)載供電，而是作為主電網(wǎng)能量的來源型式向負(fù)載供電，因此，蓄電池儲(chǔ)存能源的配置，蓄電池的功率和容量以及自給天數(shù)等情況不列入考慮范圍，僅需并網(wǎng)輸出即可。但需引起注意的是，由于光伏系統(tǒng)發(fā)電受晝夜的更替及氣象等條件的影響，在計(jì)算電力負(fù)荷時(shí)，一般發(fā)電設(shè)備總發(fā)電量中不計(jì)入光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。

4 結(jié)論

由于太陽能光伏發(fā)電供電系統(tǒng)自身的性能特點(diǎn)，決定了其在應(yīng)用中具有其特有的優(yōu)勢(shì)和相關(guān)制約。特別應(yīng)用于船舶電網(wǎng)，為了能得到連續(xù)、穩(wěn)定的太陽能，且最終成為能與常規(guī)能源相競(jìng)爭的替代能源，這就需要解決蓄能問題，即把晴天的太陽能儲(chǔ)備起來，滿足夜間或陰雨天的使用需求；同時(shí)應(yīng)致力于預(yù)防熱斑效應(yīng)、孤島效應(yīng)及電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究。目前這些問題正是太陽能在船舶紅應(yīng)用中最為薄弱的環(huán)節(jié)，也成為我們今后船舶太陽能應(yīng)用設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮的問題，本文所做的分析為太陽能光伏系統(tǒng)在船舶應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。

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Analysis of Application of Solar Photovoltaic System to Ships

Zhan Wenwei

(China Classification Society Xiamen Branch, Xiamen 361006, China)

TM914.4

A

1003-4862（2015）01-0016-05

2014-07-14

占文偉(1980-), 男, 工程師。研究方向：光伏電池。