船舶太陽能光伏系統的探討

【摘 要】隨著全球石油能源逐漸減少，燃油價格不斷上漲，船舶運營成本持續增加，如何進一步開發綠色船舶，實現節能減排已迫在眉睫。開發可再生新能源是減小環境污染和溫室氣體排放的重要手段，尤其是船舶可再生動力能源技術的研發，對船舶科技可持續發展有著深遠的意義。文章分析了大型遠洋運輸船舶太陽能光伏系統運行模式，基于某實船構建了太陽能光伏系統，并估算了系統構建成本，展望了太陽能資源開發的美好前景。

【關鍵詞】船舶 太陽能 光伏系統

隨著全球石油能源逐漸減少，開發可再生新能源著深遠的意義，本文搜集并初步研討太陽能這一重要可再生資源在船舶電力系統中的應用。

1 特點

從太陽能獲得電力，需通過太陽能電池板進行光電轉換來實現。它同以往其他電源發電原理完全不同，具有以下幾大特點：

（1）太陽能資源不會枯竭，資源分布廣泛，受地域限制小；（2）太陽能電池主要材料——硅，原材料豐富；（3）無需機械傳動部件，無噪音，穩定性高；（4）維護保養簡單，維護費用低。太陽能電力系統也有其不足之處，原材料成本較高，轉換效率低；較難精確預測及控制系統發電量；發電時間受季節、晝夜、陰晴等氣象狀況影響較大等。當然，上述技術瓶頸是可以逐步突破的，太陽能的開發利用必將成為全球最熱門的課題。

2 結構原理

太陽能發電是利用電池組將太陽能直接轉變為電能的裝置。太陽能電池組件是利用半導體材料的電子學特性實現P-V轉換的固體裝置。太陽能發電系統主要包括：太陽能電池組件（板）、蓄電池、控制器、逆變器、照明等負載組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。

太陽能電池（板）與蓄電池組成系統的電源單元，由此可見，電池板及蓄電池性能將直接影響著系統的工作特性。控制器的主要功能是使太陽能發電系統始終處于發電的最大功率點附近，以獲得光伏電池組件最大輸出功率。逆變器主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電，通過調制、濾波、升壓等，得到與負載頻率，額定電壓等匹配的正弦交流電。上述控制器及逆變器構成控制保護系統，具備以下功能：蓄電池充放電控制、直交流逆變控制、并網控制、最大功率跟蹤控制、信號檢測、設備保護、故障診斷定位、運行狀態檢測指示。下圖1 為家用太陽能供電系統。

3 船舶太陽能系統

參照陸用太陽能光伏系統基本原理與組成，分析大型遠洋運輸船舶太陽能光伏系統運行模式，制定船舶太陽能系統初步方案，提供設計思路。根據不同場合電氣設備負荷要求不同，以及成本控制等實際情況，船舶太陽能系統由易到難一般可分三大類型：獨立供電的光伏發電系統、并網光伏發電系統、混合型光伏發電系統。

（1）獨立供電的光伏發電系統如圖2所示：太陽能電池板作為系統中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉換為直流形式的電能，一般只在白天有太陽光照射的情況下輸出能量。根據負載需要，系統一般選用鉛酸蓄電池作為儲能單元，當發電量大于負載時，太陽能電池通過充電器對蓄電池充電；當發電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時對負載供電。

圖2 獨立供電的光伏發電系統

（2）并網光伏發電系統如圖3所示：一般帶有蓄電池儲能環節的成為可調度式并網光伏發電系統。

上述的并網模式是指光伏發電系統直接與船舶電網進行并網，通過船舶電站向全船供電，簡單來講，并網模式配合逆變器，并將電力通過逆變器輸出側接入電網，此時要求逆變器輸出電流波形符合電網要求。其構建的主導思想是將光伏系統相對獨立，在電力匹配中，太陽能光伏系統相當于一臺發電機。

（3）混合型太陽能光伏系統如圖4所示：是指光伏電能與其他形式來源的電能進行混合調度使用，不存在并網關系。與上述兩個系統的區別在于增加了一臺備用發電機，當光伏陣列發電不足或蓄電池儲量不足時，可以啟動備用發電機組，既可以直接給交流負載供電，又可以經整流器給蓄電池充電。

圖4 混合型光伏發電系統

當然，船用太陽能光伏系統的構建，不局限于上述三種類型，可以根據船型及經濟性等各方因素進行優化組合。

4 實船案例

（1）2012年，由日郵集團投資，三菱重工建造的全球首制混合電力系統汽車滾裝船交付使用，該船發電系統由三臺1，150kW柴油發電機及一套容量為480kW的太陽能光伏鋰電池組供電系統組成，系統圖及布置圖如圖5所示。

圖5 系統圖及布置圖

*該系統中逆變控制單元PWM Inverter Panel由TAIYO提供，太陽能光伏電池供電系統由Panasonic提供，船型基本信息如下：

船名：Emerald Ac 容納：6，400輛客車 L.O.A.： 199.99m Beam： 32.26m Depth： 34.52m Draft： 9.725m

5 NACKS 6，200PCC實船應用

5.1 船型比對

參考NYK實船案例，以我司6，200PCC汽車滾裝船為基礎，初步研討太陽能系統的可行性，船型基本信息如下：

L.O.A.： 199.90m

Beam： 32.26m

Depth： 34.35m

Draft： 8.9m

D/G： 1，200kWx3

E/G： 150kWx1

5.2 系統構建

根據測量，該船上甲板暴露部分面積為：Garage Top-2340㎡， 居住區-650㎡， 艏部-400㎡，暴露部分面積總計達到了3390㎡，均可用于布置太陽能電池板。另設置一空艙以布置控制單元及蓄電池電源單元，經初步檢查，該船Bosun store內空間余量較大，且離居住區較近，方便提供日常基本生活所需的電力，故將太陽能控制屏及蓄電池布置于Bosun store，系統如圖6所示。

5.3 問題難點

該系統僅作初期構建，若進入實船應用階段，需要挖掘并解決上述特點介紹中提到的幾點問題：原材料成本較高，轉換效率低；較難精確預測及控制系統發電量；發電時間受季節、晝夜、陰晴等氣象狀況影響較大；相關法規規范的研究；其它諸多因素（待查）。

以上幾點問題，看似與配套廠家密切相關，船廠掌握的主動權不大，但船廠若能掌握系統原理，熟悉各種原材料特性，并選好合作廠商，就能先人一步領先開發。下面針對問題準備/收集了市場信息/系統原理如下：

（1）原材料成本有多高，轉換效率水平又如何；據《太陽能光伏產業現狀與發展研究報告》調查（2010年）：目前光伏發電的成本是火電的10倍，利用國產設備健在一個50兆瓦的太陽能熱（光熱）電站，投資預計在10億元（含土地成本），單位設備投資在1.5萬元/kW左右，同等規模的光伏發電站則需要20多億元平均4萬元/kW左右（其他一些機構估算最高達到了6萬元/kW左右）；據《太陽能動力船舶發展綜述》調查（2008年）：現在單晶硅光伏裝置的實驗室效率已經達到了24.7%，大規模生產的硅太陽能電池的效率為13%～18%，而砷化鎵多結太陽能電池的實驗室最高效率已經達到37%左右（成本較昂貴，多用于航空軍事領域），可見，太陽能光伏裝置即光伏電池的能量轉換效率對船舶太陽能系統至關重要，亦可見光伏電池占整個系統的成本、戰略比重；逆變器、蓄電池也占據部分成本比例。據《太陽能光伏產業現狀與發展研究報告》調查（2010年）：逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載；

此外，在逆變系統中也存在一定的功率損耗，其效率指標據《太陽能光伏發電原理及關鍵設備》調查， 逆變器的轉換效率達到了95%以上，如下表1。

（2）如何精確預測及控制系統發電量；預測及控制系統發電量的目的即從光伏電池中獲取更多的電能，充分利用光伏電池組件的能量，目標光伏組件盡可能地工作在最大功率點，這就引入了MPPT技術概念，MPPT-Maximum Power Point Tracking（最大功率點跟蹤）技術是充分利用光伏電池組件能量必備的技術，通過不斷對PV的電壓（電壓控制）或電流（電流控制）進行小幅度的擾動，實時計算其輸出功率的變化，從而逐漸實現最大功率點的跟蹤，如表2。

表2 最大功率點的跟蹤

（3）發電時間的限制；太陽能的獲取受制于四季、晝夜、陰晴、航線等條件，系統無法持續穩定地發電，但根據太陽的輻射強度，是可以估算出單位面積時間內太陽年平均輻射強度的，根據百度百科提供的《太陽能發電》調查所得：地球軌道上的平均太陽輻射強度為1369w/㎡，地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW，在海平面上的標準峰值強度為1kw/㎡，地球某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/㎡。由此也印證了上表2 某研發機構提供的數據，即峰值發電量為1000w/㎡，平均發電量為200w/㎡。

（4）法規規范的研究及其它；太陽能船舶系統的研究，首先要基于滿足相關法規規范的要求，部分行業標準及國家標準如下：

IEC_61646-1996 Thin-film terrestrial photovoltaic （PV） modules

IEC_61730-1_（2004-10） Photovoltaic （PV） module safety qualification –Part 1 Requirements for construction

IEC_61730-2_（2004-10）Photovoltaic （PV） module safety qualification –Part 2 Requirements for testing

GB 11009-1989 太陽電池光譜響應測試方法，GB 11011-1989 非晶硅太陽電池電性能測試的一般規定，GB 12632-1990 單晶硅太陽電池總規范，GBT 14008-1992 海上用太陽電池組件總規范，此外，系統安全性、船舶穩性、結構強度等其它問題點也需要考慮。

5.4 成本估算

基于我司6，200PCC汽車滾裝船，并根據上述系統構建及部分難點的突破，進行太陽能電力系統的成本初期估算如表3：

根據表3 中6，200PCC實際電力消耗，并由太陽能系統效率轉換，推算出太陽能發電系統總發電量，進而估算出系統中太陽能光伏電池的數量、單位用電量的成本投入等。

表3 陽能電力系統的成本初期估算

從表3 中可見，本船裝備了側推器，在靠離港及裝卸貨工況下電力負荷較大，考慮此種情況可以借助柴油發電機及岸電等設備，沒有使用太陽能電力系統的必要，故僅考慮Normal sea going及In port工況，對比可得，系統需要的最大電量為830.4kW，擬將太陽能光伏系統逆變環節效率定為95%，光伏電池效率為18%，從而推算出系統的最大發電量為4856kW，由單位面積太陽輻射量0.2kW/㎡可得，需要太陽能光伏電池的面積為24280㎡，遠遠超出本船暴露部分的面積總和3390㎡，由此也可知，就目前的技術水平來講，大型遠洋船舶上，太陽能完全取代傳統的柴油發電機還有很長的路要走。反之，由全船暴露部分的面積3390㎡可得，系統最大發電量為115.9kW，已完全能夠滿足包括照明系統、電梯、日用設備、通導無線設備等的使用，根據每千瓦4～6萬元成本估算，該系統總投入約460～700萬元人民幣區間內。

6 前景

當然，上述算法偏保守，在如今科技飛速發展的時代，相信不遠的未來太陽能系統的各個環節都將逐步改善升級，比如對高效率低成本光伏電池的開發、太陽能跟蹤裝置的開發、對多船體船體平臺的開發等等。由百度百科提供的《太陽能發電》中則提到了一個更加激動人心的計劃，即日本提出的創世紀計劃——其準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發電，并通過超導電纜將全球太陽能發電站聯成統一電網以便向全球供電，據測算，到2050年、2100年，即使全用太陽能發電供給全球資源，占地也不過為186.79萬平方公里、829.19萬平方公里，而829.19萬平方公里才占全部海洋面積的2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%，因此這一方案是有可能實現的。

7 結語

全球資源越發枯竭，未來國際社會對能源的競爭必定越來越激烈，提倡節能環保是每個人必須思考的課題，目前全球對太陽能的利用率還不高，研究太陽能具有重大理論和實際意義，對可再生能源船舶的研發更具有迫切性，要堅持對綠色新能源的研究開發。

參考文獻：

[1] 魏喬，孫玉偉，袁成清，嚴新平.大型遠洋運輸船舶太陽能光伏系統的構建[J].船海工程，2010（6）：138-140.

[2] 太陽能光伏產業現狀與發展研究報告.possible.

作者簡介：張東清（1985—），男，江蘇如東人，本科，畢業于蘇州大學，工程師，研究方向：船舶電氣。