【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(xù)增加，如何進一步開發(fā)綠色船舶，實現(xiàn)節(jié)能減排已迫在眉睫。開發(fā)可再生新能源是減小環(huán)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(fā)，對船舶科技可持續(xù)發(fā)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(tǒng)運行模式，基于某實船構(gòu)建了太陽能光伏系統(tǒng)，并估算了系統(tǒng)構(gòu)建成本，展望了太陽能資源開發(fā)的美好前景。

【關鍵詞】船舶 太陽能 光伏系統(tǒng)

隨著全球石油能源逐漸減少，開發(fā)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(tǒng)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(zhuǎn)換來實現(xiàn)。它同以往其他電源發(fā)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?。唬?）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(wěn)定性高；（4）維護保養(yǎng)簡單，維護費用低。太陽能電力系統(tǒng)也有其不足之處，原材料成本較高，轉(zhuǎn)換效率低；較難精確預測及控制系統(tǒng)發(fā)電量；發(fā)電時間受季節(jié)、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(fā)利用必將成為全球最熱門的課題。

2 結(jié)構(gòu)原理

太陽能發(fā)電是利用電池組將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件是利用半導體材料的電子學特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置。太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。

太陽能電池（板）與蓄電池組成系統(tǒng)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(tǒng)的工作特性。控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)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(diào)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(gòu)成控制保護系統(tǒng)，具備以下功能：蓄電池充放電控制、直交流逆變控制、并網(wǎng)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(tài)檢測指示。下圖1 為家用太陽能供電系統(tǒng)。

3 船舶太陽能系統(tǒng)

參照陸用太陽能光伏系統(tǒng)基本原理與組成，分析大型遠洋運輸船舶太陽能光伏系統(tǒng)運行模式，制定船舶太陽能系統(tǒng)初步方案，提供設計思路。根據(jù)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(tǒng)由易到難一般可分三大類型：獨立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

（1）獨立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示：太陽能電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)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(jù)負載需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲能單元，當發(fā)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)

（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示：一般帶有蓄電池儲能環(huán)節(jié)的成為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

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

（3）混合型太陽能光伏系統(tǒng)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(diào)度使用，不存在并網(wǎng)關系。與上述兩個系統(tǒng)的區(qū)別在于增加了一臺備用發(fā)電機，當光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲量不足時，可以啟動備用發(fā)電機組，既可以直接給交流負載供電，又可以經(jīng)整流器給蓄電池充電。

圖4 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)

當然，船用太陽能光伏系統(tǒng)的構(gòu)建，不局限于上述三種類型，可以根據(jù)船型及經(jīng)濟性等各方因素進行優(yōu)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(tǒng)汽車滾裝船交付使用，該船發(fā)電系統(tǒng)由三臺1，150kW柴油發(fā)電機及一套容量為480kW的太陽能光伏鋰電池組供電系統(tǒng)組成，系統(tǒng)圖及布置圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)圖及布置圖

*該系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)測量，該船上甲板暴露部分面積為：Garage Top-2340㎡， 居住區(qū)-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(jīng)初步檢查，該船Bosun store內(nèi)空間余量較大，且離居住區(qū)較近，方便提供日?；旧钏璧碾娏?，故將太陽能控制屏及蓄電池布置于Bosun store，系統(tǒng)如圖6所示。

5.3 問題難點

該系統(tǒng)僅作初期構(gòu)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(zhuǎn)換效率低；較難精確預測及控制系統(tǒng)發(fā)電量；發(fā)電時間受季節(jié)、晝夜、陰晴等氣象狀況影響較大；相關法規(guī)規(guī)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(quán)不大，但船廠若能掌握系統(tǒng)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(fā)。下面針對問題準備/收集了市場信息/系統(tǒng)原理如下：

（1）原材料成本有多高，轉(zhuǎn)換效率水平又如何；據(jù)《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展研究報告》調(diào)查（2010年）：目前光伏發(fā)電的成本是火電的10倍，利用國產(chǎn)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(guī)模的光伏發(fā)電站則需要20多億元平均4萬元/kW左右（其他一些機構(gòu)估算最高達到了6萬元/kW左右）；據(jù)《太陽能動力船舶發(fā)展綜述》調(diào)查（2008年）：現(xiàn)在單晶硅光伏裝置的實驗室效率已經(jīng)達到了24.7%，大規(guī)模生產(chǎn)的硅太陽能電池的效率為13%～18%，而砷化鎵多結(jié)太陽能電池的實驗室最高效率已經(jīng)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(zhuǎn)換效率對船舶太陽能系統(tǒng)至關重要，亦可見光伏電池占整個系統(tǒng)的成本、戰(zhàn)略比重；逆變器、蓄電池也占據(jù)部分成本比例。據(jù)《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展研究報告》調(diào)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(tǒng)。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(tǒng)中也存在一定的功率損耗，其效率指標據(jù)《太陽能光伏發(fā)電原理及關鍵設備》調(diào)查， 逆變器的轉(zhuǎn)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(tǒng)發(fā)電量；預測及控制系統(tǒng)發(fā)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(xiàn)最大功率點的跟蹤，如表2。

表2 最大功率點的跟蹤

（3）發(fā)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(tǒng)無法持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電，但根據(jù)太陽的輻射強度，是可以估算出單位面積時間內(nèi)太陽年平均輻射強度的，根據(jù)百度百科提供的《太陽能發(fā)電》調(diào)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(fā)機構(gòu)提供的數(shù)據(jù)，即峰值發(fā)電量為1000w/㎡，平均發(fā)電量為200w/㎡。

（4）法規(guī)規(guī)范的研究及其它；太陽能船舶系統(tǒng)的研究，首先要基于滿足相關法規(guī)規(guī)范的要求，部分行業(yè)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(guī)定，GB 12632-1990 單晶硅太陽電池總規(guī)范，GBT 14008-1992 海上用太陽電池組件總規(guī)范，此外，系統(tǒng)安全性、船舶穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)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(jù)上述系統(tǒng)構(gòu)建及部分難點的突破，進行太陽能電力系統(tǒng)的成本初期估算如表3：

根據(jù)表3 中6，200PCC實際電力消耗，并由太陽能系統(tǒng)效率轉(zhuǎn)換，推算出太陽能發(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電量，進而估算出系統(tǒng)中太陽能光伏電池的數(shù)量、單位用電量的成本投入等。

表3 陽能電力系統(tǒng)的成本初期估算

從表3 中可見，本船裝備了側(cè)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(fā)電機及岸電等設備，沒有使用太陽能電力系統(tǒng)的必要，故僅考慮Normal sea going及In port工況，對比可得，系統(tǒng)需要的最大電量為830.4kW，擬將太陽能光伏系統(tǒng)逆變環(huán)節(jié)效率定為95%，光伏電池效率為18%，從而推算出系統(tǒng)的最大發(fā)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(tǒng)的柴油發(fā)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(tǒng)最大發(fā)電量為115.9kW，已完全能夠滿足包括照明系統(tǒng)、電梯、日用設備、通導無線設備等的使用，根據(jù)每千瓦4～6萬元成本估算，該系統(tǒng)總投入約460～700萬元人民幣區(qū)間內(nèi)。

6 前景

當然，上述算法偏保守，在如今科技飛速發(fā)展的時代，相信不遠的未來太陽能系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都將逐步改善升級，比如對高效率低成本光伏電池的開發(fā)、太陽能跟蹤裝置的開發(fā)、對多船體船體平臺的開發(fā)等等。由百度百科提供的《太陽能發(fā)電》中則提到了一個更加激動人心的計劃，即日本提出的創(chuàng)世紀計劃——其準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發(fā)電，并通過超導電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電，據(jù)測算，到2050年、2100年，即使全用太陽能發(fā)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(xiàn)的。

7 結(jié)語

全球資源越發(fā)枯竭，未來國際社會對能源的競爭必定越來越激烈，提倡節(jié)能環(huán)保是每個人必須思考的課題，目前全球?qū)μ柲艿睦寐蔬€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(fā)更具有迫切性，要堅持對綠色新能源的研究開發(fā)。

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(tǒng)的構(gòu)建[J].船海工程，2010（6）：138-140.

[2] 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展研究報告.possible.

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