光伏并網發電系統在船舶上的應用

◎ 石浛錕 交通運輸部水運科學研究院

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光伏并網發電系統在船舶上的應用

◎ 石浛錕 交通運輸部水運科學研究院

摘 要：當前，隨著國際社會對節能減排的日益重視以及船舶運輸行業對能源需求的日趨上漲，將光伏并網發電系統應用到船舶上是解決目前環境污染和能源危機問題的一種重要途徑。針對船舶電網的特點，給出一套結合船舶的光伏并網發電系統的設計方案，并闡述該系統在船舶上的具體應用及可能遇到的問題。

關鍵詞：光伏并網 船舶 總體設計 應用

目前船舶運輸行業中，柴油機是船舶的主要動力源，近些年來船舶柴油機無論從技術還是產量方面都取得了較快地發展；化石能源總存儲量的局限性迫使船舶必須尋找新的動力能源和新能源動力設備才能滿足日益增長的能源消耗需求，新能源的開發利用與新能源船舶的研究設計便成為亟需研究解決的問題。其中太陽能船舶是新能源船舶中的領頭羊，將太陽能作為太陽能船舶的輔助或主要動力源，既能節約化石能源的消耗，又可保證船舶的正常航行。

圖1 太陽能光伏電池板

1.太陽能光伏發電系統概述

當前太陽能光伏發電是船舶利用太陽能的主要方式，通過接收太陽輻射，太陽能船舶將輻射能量轉化成光伏電能輸送到船舶電網上或在儲能裝置中儲存起來以供船舶利用。太陽能光伏發電系統主要包括：太陽能光伏電池組件、光伏逆變器、光伏控制器以及蓄電池等部分。

太陽能光伏電池組件是光伏系統的核心部件，由太陽能光伏電池組件根據系統的實際需要經過串并聯組成，能將太陽的輻射能量轉變為電能供負載使用。如圖1所示。

光伏逆變器是將太陽能光伏電池產生的直流電轉換為交流電的必須設備，直流電轉變為交流電之后方可供交流負載使用。

光伏控制器負責監測太陽能光伏電池組件的各項參數并參考負載容量對蓄電池進行充放電控制。控制器伴隨著太陽能光伏技術的進步將發揮日益重要的作用，監測系統、控制系統及逆變器三者集成一體化將是未來控制器的研究和發展方向。

蓄電池是太陽能光伏發電系統的能量存儲部件，當輻照強度過低或者太陽能電池組件產生的電能無法滿足負載的實際需求時，蓄電池便將其中存儲的能量輸送給負載使用。目前普遍跟太陽能光伏發電系統配套使用的是鉛酸類型的蓄電池。

太陽能光伏發電系統的基本工作原理：太陽能電池組件在太陽光的照射下將產生的電能經由控制器輸送給蓄電池組或者在滿足負載具體要求的情況下直接供電給負載。當太陽能光照強度過低時，產生的直流電可經由蓄電池直接供電給直流負載；而當太陽能光伏發電系統包含交流負載時，需通過逆變器的逆變作用把直流電變為交流電。

2.船舶光伏并網發電系統的設計方案

船舶太陽能光伏發電系統一般分為光伏離網發電系統、光伏并網發電系統兩種。這里只闡述船舶光伏并網發電系統。

2.1 船舶光伏并網發電系統的設計原理船舶光伏并網發電系統指的是由光伏發電系統轉化成的電能可以直接并進船舶公共電網的電力系統。當太陽能光伏電池板接收到太陽光照射時，該系統把太陽能轉化成電能并經過逆變器的作用，將電流逆變為與公共電網相同頻率和相位的正弦交流電。光伏并網發電系統按照有無蓄電池作為儲能設備可分為不可調度式系統和可調度式系統兩種類別。其中可調度式光伏并網發電系統有較強的靈活性，可隨時根據船舶的實際需要選擇性地將太陽能光伏發電系統并入或者切出電網，并且在公共電網出現斷電故障時，仍能保證系統的正常獨立運行?？烧{度式船舶光伏并網發電系統如圖2所示。

圖2 可調度式船舶光伏并網發電系統

圖3 船舶光伏并網發電系統整體設計思路

2.2 光伏并網發電系統的關鍵技術

最大功率點跟蹤控制技術：一方面，由于光伏發電的最佳工作點會隨著太陽輻射強度的變化而變化，另一方面，太陽能電池組件的電壓與電流呈現出負相關的關系，因此此過程中存在著能夠獲取最大功率的最佳工作點。在電壓和電流的變化過程中，將太陽能電池組件的工作點保持在最大功率點的位置，系統便能夠得到太陽能電池組件的最大輸出功率，解決這個問題的過程我們稱作最大功率點跟蹤控制技術。針對太陽能光伏電池完成最大功率跟蹤的過程，一般是通過升壓電路來完成工作電壓的控制的。

直交流逆變及并網技術：太陽能光伏電池和蓄電池向外輸出的是直流電，需要逆變器的逆變作用將直流電轉變為交流電后才能供給船舶電網使用。逆變器一般可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能光伏發電系統，專門為獨立負載供電。并網逆變器主要用于并網運行的太陽能光伏發電系統，將所產生的電能并入公共電網。并網技術涉及到船舶電網的電壓、頻率穩定度等問題，是目前船舶光伏并網發電領域需要克服的重要難題。

2.3 船舶光伏并網發電系統的設計思路船舶光伏并網發電系統的設計主要包括船舶光伏系統的整體構設、系統的模型搭建以及仿真計算分析、光伏電源的性能測試、并網后船舶主電網的安全供電等。圖3為船舶光伏并網發電系統的整體設計方案和大概思路。

3.光伏并網發電系統在船舶上的應用及問題

3.1 光伏并網發電系統在船舶上的應用

2008年，太陽能光伏發電系統出現在由日本生產的“御夫座領袖”號上，該系統能滿足該船6.9%的照明需求或0.2～0.3%的動力需求。其電能輸出功率為40KW，“御夫座領袖”號是首次直接大規模的以太陽能發電作為整只船舶主電網的新能源船舶。如圖4所示。

2010年上海世博會的高科技展示船“尚德國盛號”高約7米，吃水深度2米多，長度為31.85米，寬度為9.8米。如圖5所示，該船是國內首艘使用太陽能、柴油機組和鋰電池等多種混合動力能源的高科技船舶。在船舶航行過程中，船體可根據輻照強度的大小通過調整太陽能和柴油機組間的功率分配來滿足船舶的穩定運行。

2014年，工信部高技術船舶科研項目設計的“中遠騰飛”號滾裝船正式投入運行，該船舶可以通過“太陽能”照明（多余的電量也可以提供動力），每年節約85萬元燃油費。如圖6。

圖4 “御夫座領袖”號

圖5 “尚德國盛”號

圖6 “中遠騰飛”號

圖7 海水蒸發后覆蓋在太陽能電池板表面的鹽層

3.2 光伏并網發電系統在船舶上會遇到的問題

光伏并網發電系統在船舶上的應用范圍日益廣泛，但也存在以下無法忽視的問題。

（1）復雜的水上工作環境。船舶太陽能光伏電池的電力輸出特性盡管與陸用型不存在本質上的區別，但其復雜的水上工作環境對它的電力輸出特性還是會有相當程度的影響。

水上環境更加復雜多變且難以預測，不同水域的氣象環境各有特點，即使是同一區域的太陽輻射強度、環境溫度和空氣濕度等參數也會在短時間內發生較大變化。氣體污染物、固體顆粒、鹽層覆蓋、強風、濃霧、雨雪和冰雹等都是影響太陽能光伏電池輸出特性的水上環境影響因素。

船舶是一個水上移動平臺，其航行過程中會出現不規律的機械運動，機艙內各種動力旋轉機械在運行過程中會產生低頻振動問題。也就是說，目前一些船舶上所使用的隨著太陽光照射角度的不同而對其進行調節跟蹤的太陽軌跡跟蹤系統對提高光伏系統的能效并不具有明顯的效果。復雜的水上工作環境主要體現在灰塵和鹽粒等顆粒物的遮光效應，覆蓋層的熱斑效應，污染氣體和灰塵的侵蝕作用等方面。圖7為海水蒸發后覆蓋在太陽能電池板表面的鹽層。

（2）孤島效應。在太陽能光伏并網發電的過程中，由于太陽能光伏發電系統與電力系統并網運行，當電力系統由于某種原因發生異常停電時，此時如果太陽能光伏發電系統不能隨之停止工作或與電力系統脫開，則會向電力輸電線路繼續供電，我們把這種運行狀態稱為“孤島效應”。

特別是當太陽能光伏發電系統的發電功率與負載功率平衡時，即使電力系統斷電，光伏發電系統輸出端的電壓和頻率等參數不會過快地隨之變化，使光伏發電系統無法正確判斷電力系統是否發生故障或中斷供電，因而極易導致“孤島效應”現象的發生。如若處理不當，“孤島效應”會對系統造成嚴重的后果。當電網出現故障或者發生供電中斷的事故后，此時因為光伏發電系統仍會繼續往電網送電，電力系統和工作人員的安全會有很大的安全隱患，甚至發生安全事故。不僅妨礙了檢設備的正常恢復，并且會給配電系統及負載設備造成一定的傷害。因此當電力系統停電時，必須保證太陽能光伏系統停止運行或與電力系統自動分離。

4.結束語

太陽能資源在地球上分布廣泛，是現今化石能源最清潔的替代品，太陽能技術的發展關乎著當今社會的可持續發展和人類的生息繁衍。當前太陽能光伏發電技術在非船舶環境中已經有了可觀的普及度，但在船舶上的應用卻還在起步階段，要將其發展成為船舶的主要動力能源還有一段很長的路要走。當前階段，將太陽能光伏發電與船舶自身電網相結合，將太陽能光伏發電技術作為船舶的輔助動力是一個很有前景的研究課題。

參考文獻：

［1］石浛錕.船舶光伏并網發電系統運行特性研究［D］.武漢理工大學，2014.

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［3］嚴新平，孫玉偉，袁成清.太陽能船舶技術應用現狀及展望［J］.船海工程.2015（01）.

［4］孫義存.船舶新能源動力系統現狀與發展趨勢［J］.中國水運.2012（07）.