太陽能船舶技術應用現狀及展望

嚴新平，孫玉偉,袁成清

(武漢理工大學a.能源與動力工程學院可靠性工程研究所；b.國家水運安全工程技術研究中心；c.交通部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

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太陽能船舶技術應用現狀及展望

嚴新平，孫玉偉,袁成清

(武漢理工大學a.能源與動力工程學院可靠性工程研究所；b.國家水運安全工程技術研究中心；c.交通部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

以太陽能船舶為對象，分析船基太陽能光伏系統的應用模式，介紹不同類型太陽船舶的技術發展現狀，針對不同適用對象對其應用趨勢進行展望。

船舶；太陽能；光伏；離網；并網

當前，船舶航運尾氣排放對區域大氣污染的影響引起了國際社會的廣泛重視[1]。為推進綠色航運發展和船舶節能減排，各國不僅投入大量的人力、物力和財力，更是全方位地給予政策扶持，用以研究和發展不同類型的綠色船舶[2-3]。

隨著半導體制造技術的革新和電力電子變換技術的不斷進步，以太陽能光伏電為典型代表的可再生能源在節能減排方面所具有的獨特優勢及其所能產生的效益已經越來越顯著，因而在水路交通運輸行業的應用和推廣正逐漸拓展。太陽能船舶，或稱應用太陽能光伏技術的船舶，是采用在船舶電力系統中集成利用零污染、零排放的太陽能光伏系統為基本技術方案，在降低常規柴油同步發電機組設計功率的同時，通過在航行營運中最大程度地利用光伏電能，實現船舶在壽命周期內燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降。當前，太陽能船舶技術已發展成為最具節能減排潛力的綠色船舶技術之一。

1　太陽能光伏系統的應用模式

太陽能光伏系統作為一種基于電力電子技術的逆變電源，其有功-頻率變化特性、無功-電壓特性、頻率響應特性、功角穩定特性以及故障響應特性等電能質量特征與逆變控制程序直接相關。相對于擁有“大慣性”特性的常規同步發電機組而言，光伏系統可被視為一個“零慣性”的“脆性源”。根據光伏系統容量與全船總負荷需求量之間的比例，太陽能船舶可分為太陽能光伏輔助供電型和太陽能電力推進型2種；根據所應用船舶電力系統電制的不同，船基光伏系統有直流和交流系統2種集成方案；而根據船舶負荷功率需求和運行工況差異，則可將光伏系統設計方案細化為離網型、并網型和離并網混合型3種[4]。

離網光伏系統單獨帶載運行，與船舶電網之間不存在電能交匯，船舶電力系統的暫態穩定性主要取決于在網同步發電機組的電力輸出特性，因而對整個電網的安全性和可靠性影響較低。另一方面，離網型光伏系統通常需要設置容量數倍于光伏組件總容量的儲能裝置，以滿足光伏系統容量與所接負載日均能耗總量之間的匹配關系，并實現供電端和負載端之間動態電能供需平衡以及盡可能降低光伏電-船電切換頻率。特別是，離網逆變器的輸出功率受所擔負負載總功率的牽制，如所接負載長期在低功率水平運行，將造成逆變器運行效率降低和光伏電能浪費問題。

并網光伏系統在任何太陽輻照強度條件下均能夠以相應的最大功率點輸出，僅需設置與光伏組件容量相同的儲能裝置就能夠實現動態的電能供需平衡；并網逆變器輸出的電能并入船舶主電網，可由綜合電力管理系統在全船范圍內統一調度，因而具有較高的能源利用效率[5-7]。與同步發電機組并聯運行方式不同，并網光伏系統有如下顯著特點：(1)光伏系統直流側電氣量與交流側電氣量的控制關系顯著；(2)光伏逆變器并網運行與控制策略和電網電力參數直接相關，不同于常規同步發電機組并聯運行過程中小幅電壓差、頻率差或相位差產生的“環流”將待并機組拉入同步的情況[8]；(3)并網逆變器對電網電壓不具有支撐作用，不能抵御電網上的大擾動沖擊；(4)帶有儲能系統的并網光伏系統通常設定恒功率輸出，船舶負荷工況波動完全由同步發電機組平衡；(5)當某一電網電能質量參數(電壓、頻率、諧波和逆功率等)波動范圍超出并網逆變器設定值后，光伏系統陡停更將進一步加劇整個電力系統的振蕩，該過程相當于降低了暫態過程中系統的穩定裕度。極端情況下，極易導致同步發電機失去同步、機組解列和電網失電。

離并網混合型光伏系統兼顧離網和并網兩種系統的特點，可根據船舶航線輻照強度、負載工況、蓄電池容量以及船舶電網運行狀態，在兩種運行模式下進行切換運行或彼此獨立運行，因而具有較強的獨立性和適用性。相應的，離并網混合型光伏系統的技術安全等級和自動化管理要求也是三者中最高的。

2　太陽能船舶的發展歷程及現狀

國外對太陽能船的研究，開始于1994年的世界太陽能船舶大賽Solar Splash，至2015年共舉辦22屆競賽活動。該賽事由美國電氣電子工程師學會·電力電子學會(IEEE·PELS)和相關企業贊助，現已發展成為面向世界各國大學的太陽能電動船大賽。該比賽對船長、船寬、太陽能電池板額定功率、蓄電池容量、推進電機功率和安全標準等一系列參數都有嚴格的上限規定，如圖1所示Cedarville University(美國)代表隊的競賽太陽能船。

圖1　Cedarville University設計的太陽能船

2000年澳大利亞開發出世界第一艘商用的太陽能/風能混合動力雙體客船，太陽能和風能可單獨作為動力或聯合匹配運行，如圖2所示。

圖2　澳大利亞“Solar Sailor”號

船的每個單體都由艏尖艙、蓄電池艙、機艙和艉尖艙組成，船體和上層建筑為玻璃增強復合材料，每塊太陽能翼板上所采集的太陽輻射能轉換成275 V/6 A的直流電，再儲存到272 V的蓄電池中，用以驅動推進電機。僅使用太陽能電力推進時，航速為6.5 kn，采用風帆模式時則航速有所提高。

2006年10月16日，瑞士太陽能船“太陽21號”從瑞士巴塞爾起航，歷時63天抵達美國紐約港。這是世界上船舶首次依靠太陽能提供的動力能源橫穿大西洋，也驗證了太陽能技術在海上船舶平臺的適用性，如圖3所示。

圖3　瑞士“太陽21”號

2008年8月，日本郵船株式會社與新日本石油公司合作在旗下船長200 m、排水量60 213 t的汽車滾裝船“御夫座領袖(Auriga Leader)”號安裝使用太陽能光伏系統，如圖4所示。該系統由328塊太陽光板組成電池陣列，電能輸出功率約為40 kW，離網模式運行能滿足該船6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的動力需求。

圖4　日本郵船“御夫座領袖(Auriga Leader)”號

圖5　臺灣高雄“太陽能愛之船II”號外觀

2010年2月，臺灣光寶科技旗下光寶動力儲能為高雄市設計建造5艘太陽能觀光船 “太陽能愛之船II”號投入營運(號稱亞洲最大的太陽能船隊)，如圖5所示。該船長13 m，采用雙體船設計，乘載量為36人；船上配備6組蓄電池，每組容量為48 V/90 Ah，總蓄電量為26 kWh；推進系統配置2臺20 kW交流馬達，總動力約38 kW，最高航速可達9 kn，若以3 kn航速運行則至少可行駛9 h。與傳統燃油觀光船相比，能源消耗量僅為同等燃油船的1/4～1/3；在一般日照條件下，附加太陽能板所提供的電力，可再節省25%能源耗量。

2010年6月5日，中國第一艘太陽能動力游船“尚德國盛”號首航，并被確定為上海世博會上海企業聯合館的“移動展館”以及指定用船。“尚德國盛”號船長31.85 m，寬9.8 m，高7 m，吃水深度2.35 m，如圖6所示。

圖6　“尚德國盛”號游船

該船是國內第一艘采用太陽能、鋰電池及柴油機發電機組多種能源混合供電的船舶，在不同的日照情況下，船體行駛所使用的動力可通過計算機在太陽能和柴油機組間進行自動調配，時速可達8.1 kn，節省電力和減排均達到30%以上。

2010年2月25日，世界最大的全太陽能動力船“Turanor Planet Solar”號在德國基爾下水，如圖7所示。

圖7　全太陽能動力船“Turanor Planet Solar”號

該船長31 m，寬15 m，重60 t。船體上方安裝有500 m2總容量為93 kW的太陽能板，采用6組總重約為8.5 t鋰電池作為儲能裝置；單體各安裝1臺60 kW的推進電機，最大航速為14 kn。該船在582天環球航行過程中實現零燃油消耗和廢氣排放。

2011年6月，韓國將設計容量為3.2 kW的太陽能光伏系統安裝于一艘游船上，如圖8所示，其電力系統主要由柴油發電機組構成。該套太陽能光伏系統的特別之處是安裝有2臺光伏逆變器，分別用于：(1)航行狀態下離網帶載運行模式；(2)停泊工況下與柴油發電機組并網運行模式；(3)光伏系統作為電力負載的首要電源，柴油發電機組則用于平衡電網總負載的波動[9]。

圖8　韓國光伏-柴油發電混合能源游船

2012年6月，由日本三菱重工、三洋電機組及商船三井合作開發的一套160 kW太陽能光伏系統(總計768塊光伏電池組件，安裝面積約1 000 m2)在NK旗下60154GT汽車運輸船“Emerald Ace”號上正式投入使用，如圖9所示，其儲能系統由安放于船底壓載艙的324 480塊鋰離子蓄電池組成，容量為2.2 MW·h。蓄電池組充放電支路電纜彼此獨立：放電時，采用DC/DC變換器將蓄電池DC250 V電壓升至DC750 V，后經DC/AC逆變為AC450 V，輸出功率480 kW；充電時，直接由AC450 V船電AC/DC整流后經BMS充電。該系統最顯著的運行特點是：船舶航行時由太陽能電池產生的電能被儲存在鋰離子蓄電池組內，船舶靠港停靠時所需的電力全部由蓄電池組提供，柴油發電機組停車以實現在港零排放。

圖9　“Emerald Ace”號汽車船光伏系統

2013年，武漢理工大學承擔國家工業和信息化部高技術船舶科研項目，設計一套峰值功率為143 kW、蓄電池儲能系統為700 kW·h、典型技術特征在于采用鋰離子蓄電池儲能的船用型離并網一體式太陽能光伏系統，后于2014年3月在5000PCTC汽車運輸船“中遠騰飛”號上完成該套系統的實船安裝調試工作并投入運行，如圖10所示。

圖10　“COSCO TENGFEI”汽車船光伏系統

該套光伏系統最顯著的運行特點是：可根據航線上太陽能輻照強度、負載功率需求、經濟性和安全性要求等因素，進行4種運行模式切換，即：光伏離網運行模式、并網運行模式、光伏出力不足條件下的船舶電網供能模式、光伏系統故障時的船舶電網供能模式。到目前為止，該系統為國內外容量最大的一套基于鋰電池儲能的離并網一體式船舶太陽能光伏系統。

作為技術應用推廣，武漢理工大學于2014年完成首艘長江內河800PCC內河商品汽車滾裝船的太陽能光度系統，如圖11所示。根據中國船級社(CCS)《鋼質內河船舶建造規范(2015)》和《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南(2014)》的相關要求，該系統所用光伏控制器、蓄電池及BMS、光伏逆變器等關鍵性船用光伏設備全部獲得CCS產品認證證書。

圖11　JD800PCC-4#“安吉204”輪光伏系統實景

3　太陽能船舶技術展望

船體結構布置形式、負載大小、運行工況及航行區域等因素，使得適用于不同船型的太陽能光伏系統之間存在顯著區別：

1)對于小型游船而言，離網型光伏系統與電力推進裝置的集成是發展方向，如“星球太陽”號雙體船在航行模式下的系統總負荷約為20 kW(動力系統負載僅為17 kW，通訊導航系統負載約為3 kW)，通過采用側移式電池陣列安裝機構以優化甲板空間即可解決光伏系統容量匹配問題；通過合理設置蓄電池容量即可平衡該船電力推進系統對電能的需求。

2)對于大型遠洋船舶而言，離網型光伏系統作為船舶輔助電源是近年來的主要技術實現途徑，如“Emerald Ace”號汽車船甲板上有足夠的使用空間，但是基于技術風險和成本控制等因素，其光伏系統總容量盡管為目前標稱最高的160 kW，卻仍難以滿足該船主動力系統的負荷需求，且在停泊工況時也需匹配MW·h級蓄電池才能夠滿足全船非動力負荷需求。

3)作為未來發展方向而言，隨著光伏系統容量占船舶電力系統總容量比重的不斷提高，光伏電-船電并網電力系統與電力推進裝置的匹配集成則具有極大的技術發展潛力。如“COSCO TENGFEI”汽車船光伏系統實際上已具備與船舶電網進行并網運行能力，其對于探索研究光伏電-船電并網電力系統穩定性具有直接的借鑒價值。

4)值得注意的是，縱觀清潔能源在船舶上應用的各種技術方案或設計概念，僅利用太陽能或風能等單一能源并非最為優化的應用模式[10-13]。根據船型結構、甲班布置、動力系統、電氣系統、船員配置、航行區域和港口物流等各個要素的不同，多種能源的綜合利用已成為新能源船舶的重要發展方向[14]，如“Solar Sailor”號和“Hornblower Hybrid”雙體客船即為綜合利用風能、太陽能和常規發電機組的典型案例。圖12所示為“Hornblower Hybrid”雙體客船電力系統結構圖。

圖12　“Hornblower Hybrid”能源綜合利用模式

4　結束語

當前，新能源技術和綠色船舶制造技術的不斷發展，為船舶航運業應對日趨嚴格的排放法規并實現節能降耗的目的提供了切實的技術支持，其中以太陽能、風能、核能、生物質能和海洋能等為典型代表的新能源在船舶上的應用最具有革新性和代表性。針對太陽能光伏技術在船舶上的應用，本文總結如下幾點基本觀點：

1)太陽能電池的光伏轉換效率問題是制約其技術推廣的首要因素，有待于新型光電轉換材料的研發和市場化。

2)如何能夠在面積有限的甲板上安裝更多的光伏電池組件是太陽能船舶必須解決的問題，雙體船或多體船在這方面擁有較大的優勢。

3)無論采用離網或者并網模式運行船舶太陽能光伏系統，均需要設置大容量蓄電池作為能量匹配的中間節點，而當前具有較高能量密度的鋰離子蓄電池是較為適宜的選擇。

4)船舶太陽能光伏系統大型化的趨勢已經逐步顯現，并網模式的應用具有極大的發展潛力。

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[14] 嚴新平,徐立,袁成清.船舶清潔能源技術(第二版)[M].北京：國防工業出版社,2015.

Review on the Application Progress of Solar Ship Technology

YAN Xin-ping, SUN Yu-wei, YUAN Cheng-qing

(a. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering; b. National Research Engineering Center for Water Transport Safety; c. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology, Ministry of Communication, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The application status and development trend of the solar ship are discussed. The available application mode of solar photovoltaic system is analyzed and different kinds of solar ship are introduced from the viewpoint of technical interpretation. The future directions of solar ship are prospected with different vessel type taken into the consideration.

ship; solar energy; photovoltaic; off-grid; grid-connected

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.011

2015-12-11

2015-12-15

工業和信息化部高技術船舶科研計劃(工信部聯裝[2012]540號)；湖北省自然科學基金創新群體項目(2013CFA007)

嚴新平(1959-)，男，博士，教授

U664.8

A

1671-7953(2016)01-0050-06

研究方向:船舶動力系統可靠性和綠色技術

E-mail:xpyan@whut.edu.cn