太陽能光伏電力系統在800PCC滾裝船上的應用研究

鄒麗麗

（天海融合防務裝備技術股份有限公司，上海 201612）

太陽能光伏電力系統在800PCC滾裝船上的應用研究

鄒麗麗

（天海融合防務裝備技術股份有限公司，上海 201612）

為使船舶達到綠色、環保的要求，并解決能源緊缺問題，在船上廣泛應用太陽能是一種有效途徑。介紹太陽能在船上應用的現狀和相關規范對太陽能在船上應用的規定。分析在800PCC滾裝船上應用太陽能的優勢，給出該船的基本參數和航線，結合這些基本信息分析該船太陽能光伏電力系統的結構和運行模式。通過研究總結出該船應用太陽能可帶來能效指數提高的積極效應。

太陽能；綠色船舶；滾裝船；能效指數

0 引 言

鑒于石油等傳統不可再生燃料日益減少及其對環境造成的危害日益加劇，世界各國紛紛開始加強對環保措施的研究。太陽能光伏作為目前世界上最具發展潛力的清潔能源之一，在環保和節能方面具有顯著的優勢，將太陽能光伏發電應用到船舶上是目前綠色船舶發展的一個重要方向[1]。在這種背景下，天海融合防務裝備有限公司在其設計的800PCC滾裝船上應用太陽能光伏電力系統具有十分重要的意義，是將太陽能應用到船舶上的一個成功案例。

1 規范對太陽能在船上應用的規定

太陽能光伏電力系統的發電量有限，在大型船舶上只能用于輔助推進和生活供電[2]。此外，《鋼制內河船舶建造規范》2012修改通報中規定，太陽能電池只用作船舶的輔助電源。因此，目前太陽能光伏電力系統作為主動力提供系統或混合動力來源之一，僅應用在小型觀光船、旅游船和渡船等船舶上。因為這類船舶所在航區一般水文條件較好，船舶排水量較小，沒有嚴格的航速要求，航程較短且固定。此外，這類船舶除了設置少量照明和航行設備之外，沒有其他大功率的用電設備。

2 滾裝船利用太陽能的優勢

太陽能主要通過布置在船上的太陽能電池板等裝置來收集，因此是否有足夠的空間布置太陽能電池板及電池板的布置形式是否合理是判斷太陽能光伏電力系統能否應用于船上的兩大因素[3]。例如：集裝箱船、雜貨船及特種船的主甲板上沒有大面積區域來安裝太陽能電池板；油船的上甲板雖然具有大面積區域，但需要考慮電氣設備的防爆性要求，不適宜作為太陽能電池板的安裝平臺；滾裝客貨船的頂部擁有較大的空間，可作為太陽能電池板的安裝平臺；干散貨船、躉船和游艇上也有大面積的空間可用來安裝太陽能電池板?？梢姡?00PCC滾裝船在太陽能利用上有充足的空間條件。該船太陽能電池板安裝布置圖見圖1。

3 太陽能光伏電力系統在800PCC滾裝船上的應用

3.1 800PCC滾裝船基本參數

3.1.1 船舶基本參數和航線

該船為內河商品汽車滾裝船，往返于上海和重慶。船舶主尺度為：總長110.00m，型深5.20m，最大船寬19.20m，設計吃水2.80m，結構吃水3.00m。

3.1.2 船級符號

★ CSAD 滾裝貨船，A級航區、B級航區、C級航區和J2級急流航段。

★ CSMD BRC，太陽能輔助動力能源。

3.2 800PCC滾裝船太陽能光伏電力系統的組成

該船使用的發電系統是離網型光伏發電系統，由光伏陣列、光伏控制器、光伏逆變配電一體機和電力管理系統構成，其與船舶電力系統之間的拓撲關系見圖2，圖中帶箭頭的線為信號線。

當船舶電網為光伏逆變配電一體機供電時，由BUS-A和BUS-B 2路供電，在光伏逆變配電系統一體機內部設置有自動轉換開關。當一路供電出現故障時，可自動轉換到另外一路供電。

太陽能電池陣列共有135塊電池板，按船東的要求，太陽能光伏電池陣列采用15串9并的方案，每塊電池板的峰值功率為275W，理論日均最大發電量167.085kW·h，實際日均最大發電量121.05kW·h。額定輸出電壓為320.0V，SOC設定最低值10%~15%。

3.3 800PCC滾裝船太陽能光伏電力系統磷酸鐵鋰電池應用安全技術要求

中國船級社《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》[4]針對安全問題提出以下要求：

1) 第3.2.2.1條規定，電池間均應采取機械通風或其他溫度調節裝置，以避免蓄電池周圍環境溫度過高，通風口應有防止水和火焰進入的措施。

2) 第3.2.2.4條規定，電池艙（室）、箱、柜內，除電池系統外應避免安裝電氣設備，若必須安裝，應盡可能遠離電池，且應將電氣設備的發熱量計入蓄電池間通風量的計算中。

3) 第3.2.2.6條規定，電池艙（室）內必須設有獨立的溫度探測裝置，當溫度高于設定值時，應能在經常有人值班的處所發出聽覺和視覺報警。

4) 第3.2.2.7條規定，電池艙（室）需要配備固定式滅火系統。

針對以上要求，該船分別對蓄電池和光伏電力系統相關設備設置磷酸鐵鋰電池間、光伏電氣間及七氟丙烷間。在磷酸鐵鋰電池間、光伏電氣間分別設有溫度傳感器和機械通風設施。

3.4 太陽能光伏電力系統的供電模式

3.4.1 光伏系統正常運行狀態

太陽能電池板將光能轉化為直流電，光伏控制器履行最大輸出功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制功能。在光伏陣列輸出功率大于負載功率的情況下，光伏控制器首先將一部分電能經光伏逆變器單元轉換成與船電同壓同頻（400V/50Hz）的正弦交流電，然后經變壓器轉換成220V交流電，為船舶部分照明供電，多余的電能給蓄電池充電；在光伏陣列輸出功率小于負載功率的情況下，切換到為光伏控制器和蓄電池光伏逆變器單元輸電，具體的轉換過程與光伏陣列輸出功率大于負載功率的情況相同。

3.4.2 光伏系統輸出功率不足狀態

在長期陰雨天的情況下，當光伏陣列電力輸出不足且蓄電池能量不足以支撐用電負載正常運行（降到SOC 下限值）時，由船舶電力系統旁路給照明負載供電。同時，為避免鋰離子蓄電池因長期處于虧電狀態而導致儲電特性降低的現象，利用船舶電力系統經充電器單元給蓄電池充電。

3.4.3 光伏系統故障狀態

當光伏系統出現故障時，采用船舶電力系統供電模式，將手動聯鎖斷路器切換至原船舶電力系統，由船舶電力系統旁路給照明負載供電。

以上幾種供電模式中的電流流向見圖3。

3.5 太陽能光伏電力系統部分照明分電箱供電負載表

太陽能光伏電力系統部分照明分電箱供電負載配置見表1。

表1 照明分電箱負載配置

4 能效設計指數和《船舶能效管理計劃》[5]

根據中國船級社《內河船舶能效設計指數（EEDI）評估指南》，該船EEDI的計算完全滿足要求。為積極承擔長江流域環境保護的社會責任，打造綠色航運企業，按照中國海事局和中國船級社等相關管理機構、行業組織的要求，針對該船建立《船舶能效管理計劃》（Ship Energy Efficiency Management Plan，SEEMP）。該計劃是遵照中國船級社《內河綠色船舶規范》和《內河船舶能效計劃（SEEMP)編制指南》等相關導則及國內相關法律法規和文件的要求編制的，明確要求充分利用太陽能光伏輔助發電的功能，為該船的照明系統供電，同時利用鋰電池組進行電能儲備。充分利用太陽能光伏輔助發電為照明系統供電的功能，降低輔機的發電功率，減少燃油消耗及NOx和CO2排放，達到降低船舶能源消耗、提高能源利用效率和促進環境保護的目的，以滿足中國船級社《內河船舶綠色規范》及國內其他相關法律法規的要求。

根據實船測試計算，Attained EEDI=52.878g/(t·n m ile)；根據《內河綠色船舶設計規范》（2013版）的要求，綠色船舶-I的能效設計指數限制為RLV=ab-c=54.163。Attained EEDI

5 結 語

根據太陽能光伏電力系統在800PPC滾裝船上的應用及對該船的能效分析，在該船上應用太陽能可節省船舶輔機的燃油消耗，優化EEDI。太陽能在該船上的成功應用為今后太陽能在該船型乃至其他大型船舶上的應用積累了寶貴經驗。

[1] 盧曉平，魏光普，張文毓. 太陽能動力船舶發展綜述[J]. 海軍工程大學學報，2008, 20 (4): 45-50.

[2] 陳立劍，徐建勇. 太陽能光伏電力推進在船舶上的應用研究[J]. 船海工程，2013, 42 (2): 160-164.

[3] 林杰，袁成清，孫玉偉，等. 太陽能電池板在不同類型船舶上的布置優化[J]. 船海工程，2010, 39 (6): 116-120.

[4] 中國船級社. 太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南[S]. 2014.

[5] 王分良. EEDI時代的船舶減排[J]. 中國船檢，2009 (8): 62-65.

Research on the App lication of Solar Photovoltaic System onboard 800PCC RO-RO Ship

ZOU Li-li
（Bestway Marine & Energy Technology Co., Ltd., Shanghai 201612, China）

Application of solar energy on ship is an effective way to comply w ith the environmental requirements, green ship requirements and the situation of energy shortage. This paper introduces the status quo and the relevant regulations of solar energy on ships; analyzes the advantages of solar energy on an 800PCC RO-RO ship, provides the basic parameters and the routes of the ship; and analyzes the structure and operation mode of the solar photovoltaic system on the ship based on the above given information. The potential improvement of energy efficiency by solar energy on the ship is also summarized in the study.

solar energy; green ship; RO-RO ship; energy efficiency design Index (EEDI)

U674.135；U671.99

A

2095-4069 (2017) 03-0051-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.011

2016-09-12

鄒麗麗，女，工程師，碩士，1983年生。2008年畢業于哈爾濱工程大學控制理論與控制工程專業，現從事船舶與海洋工程電氣技術開發研究及設計工作。