118 m引航船太陽能光伏發電系統的設計

陳 鋒

(江蘇大津重工有限公司, 江蘇 揚中 212221)

0 引言

19世紀中葉，美國制成了實用的單晶硅太陽能電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發電技術。隨著太陽能光伏技術的日趨成熟和完善，太陽能已成為應用較多的清潔能源之一。

目前，航行和停泊時船舶設備通常使用石油燃料來提供動力和發電。使用石油燃料不僅噪聲大，排出的廢氣污染環境，而且經常會發生燃油泄漏事件。因此，新型可再生清潔能源在船舶中的使用已經成為必然的發展趨勢。

本文結合以往應用案例和正在承建的118 m引航船的應用設計，針對太陽能光伏發電系統的特有結構模式，分析影響光伏發電系統在船舶中應用的重要要素，歸納出光伏發電系統在船舶設計時的關鍵要點。

1 太陽能光伏發電系統的實船應用

太陽能是一種可再生能源，主能源是太陽光，不僅具有無噪音、無廢氣排放、無污染特點，還能減少消耗石化能源，保護環境，滿足世界公認的環保要求。根據調研資料顯示，太陽能光伏發電技術在小型觀光游船、游艇等應用相對較多。這類船舶排水量小、航程短且航線固定，最重要的是對航速無特別要求。應用太陽能光伏發電技術的船舶有：英國海德公園的太陽能觀光船、北京頤和園內的太陽能游船、中國第一艘太陽能混合動力游船-上海世博會的“尚德國盛”號、廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船等。“尚德國盛”號外形圖如圖1所示，廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船外形圖如圖2所示。

圖1 “尚德國盛”號游船

圖2 廈門筼筜湖太陽能玻璃鋼雙體游覽船

2 太陽能光伏系統的結構模式

船舶太陽能光伏系統的結構模式一般分為并網式和離網式光伏發電系統兩種。

2.1 并網式光伏發電系統優缺點

并網式光伏發電系統一般不經過蓄電池組儲能，通過并網逆變器直接將電能輸入公共電網，這樣可以減少蓄電池組儲能和釋放的過程，減小其中的能量消耗，因而節約了安裝空間，并降低了配置成本。并網式光伏發電系統一般適用于躉船或長期停泊固定地點的船舶。

2.1.1優點

(1)技術方案簡單成熟。

(2)光伏系統所發電量可全部被電網消納，利用率高。

(3)能量轉換環節少，系統效率高。

(4)無需配置儲能裝置，造價低，維護成本低。

2.1.2缺點

并網式光伏發電系統即發即用，無法存儲，當負載無法消納光伏電能時，存在浪費。

2.2 離網式光伏發電系統優缺點

離網式光伏發電系統是一個獨立的供電系統，主要由太陽能組件、離網逆變器、光伏控制器、蓄電池組、橋架及安裝附件組成。產生的直流電源可直接通過太陽能源儲存在蓄電池組中，供夜間或陰雨天氣使用。離網式光伏發電系統一般用于遠航船的照明系統或近航船舶的動力能源。

2.2.1優點

(1)完全獨立于外界電網，孤島運行，相互之間無任何影響。

(2)通過增加外接電源旁路功能可以提高系統穩定性。

2.2.2缺點

(1)系統復雜，需配置儲能裝置，造價高。

(2)存在多次能量轉換，系統效率低。

(3)蓄電池2～3 a需要更換，維護成本高。

根據船東的要求，118 m引航船采用了離網式光伏發電系統。

3 影響光伏發電系統應用的因素分析

及設計要點

118 m引航船應用太陽能光伏發電系統的影響要素主要包括航行區域、船型、穩性、航速等。

3.1 航行區域的影響

設計船舶使用光伏發電系統，需重點考慮船舶航區太陽能輻射資源。如果航區為多山、峽谷區域，太陽能輻射資源分布不充分，該類船舶設計使用光伏發電系統的可能性不大；太陽能輻射資源每月不均衡，也會導致蓄電池組容量增加和光伏組件陣列規模加大，無形中增加了建造成本。

118 m引航船是引航工作的海上基地，主要工作于長江口南、北槽引航交接區(上海港)，其作業方式為錨泊狀態下接送引航員乘坐引航小艇為進出港船舶領航，是引航員的短期居住驛站。該船航區單一，位置基本固定，正常往返于上海引航站碼頭和錨地。該航區的陽光輻射區域相對比較充分，無山脈遮擋，太陽能輻射資源分布充分，在設計時將太陽能電池板盡可能布置成平面布置，整體光照時間相對較長，讓太陽能電池板充分接受陽光。從以上分析得出，太陽能光伏發電系統可以應用于118 m引航船。

3.2 船型的影響

設計船舶使用光伏發電系統，需同時考慮船舶的船型、露天區域、開放甲板實際可使用的面積，要確認是否有足夠的面積來布置船舶需要的太陽能電池板。

118 m引航船為艉機型，船體結構為鋼質、艏柱前傾、方艉，全船設三層縱通甲板和四層甲板室。在敞開式B甲板有約180 m2和羅經甲板有約60 m2的面積用來放置太陽能電池板。實際可使用面積滿足布置電池板的要求。

3.3 船舶橫搖的影響

設計船舶光伏發電系統時需考慮船舶橫搖及太陽能組件、橋架的布置方案的影響。

118 m引航船型寬19.0 m，型深7.8 m，設計吃水4.5 m，設計載重量為1 700 t。雖然上層建筑層高為2.9～3.0 m，但整體重心在51.0 m(自基線向上)和9.1 m(自艉垂線向前)處，船舶穩性很好；安裝區域對安裝組件進行了必要的加強，加上太陽能組件和電池板橋架采用S316L材質的加工而成，能很好地防止海水對支架的腐蝕，確保整體太陽能板的正常工作。

3.4 航速的影響

小型游艇設計還需考慮航速對光伏發電系統的影響。由于航速與推進系統的功率成立方關系，所以很小的航速需求，會增加很大的推進電機功率，瞬時耗電量會迅速增加，導致對光伏陣列的規模也會增加，從而增加建造成本。

118 m引航船只在照明系統應用了太陽能光伏發電系統，對其他動力方面未涉及到，本船不考慮航速突變對此系統的影響。

4 離網式光伏發電系統的組件和結構配置

離網式光伏發電系統組件包括：太陽能電池、太陽能光伏控制器、蓄電池儲能系統、太陽能光伏逆變器、充電機、配電柜。離網式光伏發電系統的結構配置如圖3所示。

5 結語

船舶應用太陽能光伏發電系統，在進行方案設計時需重點關注影響系統應用的要素，結合文中提及的設計關鍵要點，重點評估系統應用的可行性。

在科學技術不斷更新發展的浪潮下，全球引發的氣候、污染等問題，也使得人們愈來愈關注綠色環保和智能生活。隨著太陽能光伏系統技術的不斷發展，系統的容量在船舶總用電量中所占比例逐漸增多，電池陣列的安裝模式越來越節約高效。占據甲板大面積的問題得到改善后，光伏發電系統與船電系統的并網使用必將成為目前船舶動力發展的趨勢。經118 m引航船應用證明了更多的公務用船已在考慮綠色能源的應用，從而達到降低能耗的目的。

圖3 離網式光伏發電系統的結構配置

參考文獻:

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