嚴(yán)新平，孫玉偉,袁成清

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

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太陽能船舶技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

嚴(yán)新平，孫玉偉,袁成清

(武漢理工大學(xué)a.能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所；b.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心；c.交通部船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)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(tǒng)的應(yīng)用模式，介紹不同類型太陽船舶的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對不同適用對象對其應(yīng)用趨勢進(jìn)行展望。

船舶；太陽能；光伏；離網(wǎng)；并網(wǎng)

當(dāng)前，船舶航運(yùn)尾氣排放對區(qū)域大氣污染的影響引起了國際社會的廣泛重視[1]。為推進(jìn)綠色航運(yùn)發(fā)展和船舶節(jié)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(fā)展不同類型的綠色船舶[2-3]。

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的革新和電力電子變換技術(shù)的不斷進(jìn)步，以太陽能光伏電為典型代表的可再生能源在節(jié)能減排方面所具有的獨特優(yōu)勢及其所能產(chǎn)生的效益已經(jīng)越來越顯著，因而在水路交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用和推廣正逐漸拓展。太陽能船舶，或稱應(yīng)用太陽能光伏技術(shù)的船舶，是采用在船舶電力系統(tǒng)中集成利用零污染、零排放的太陽能光伏系統(tǒng)為基本技術(shù)方案，在降低常規(guī)柴油同步發(fā)電機(jī)組設(shè)計功率的同時，通過在航行營運(yùn)中最大程度地利用光伏電能，實現(xiàn)船舶在壽命周期內(nèi)燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降。當(dāng)前，太陽能船舶技術(shù)已發(fā)展成為最具節(jié)能減排潛力的綠色船舶技術(shù)之一。

1　太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用模式

太陽能光伏系統(tǒng)作為一種基于電力電子技術(shù)的逆變電源，其有功-頻率變化特性、無功-電壓特性、頻率響應(yīng)特性、功角穩(wěn)定特性以及故障響應(yīng)特性等電能質(zhì)量特征與逆變控制程序直接相關(guān)。相對于擁有“大慣性”特性的常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組而言，光伏系統(tǒng)可被視為一個“零慣性”的“脆性源”。根據(jù)光伏系統(tǒng)容量與全船總負(fù)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(jìn)型2種；根據(jù)所應(yīng)用船舶電力系統(tǒng)電制的不同，船基光伏系統(tǒng)有直流和交流系統(tǒng)2種集成方案；而根據(jù)船舶負(fù)荷功率需求和運(yùn)行工況差異，則可將光伏系統(tǒng)設(shè)計方案細(xì)化為離網(wǎng)型、并網(wǎng)型和離并網(wǎng)混合型3種[4]。

離網(wǎng)光伏系統(tǒng)單獨帶載運(yùn)行，與船舶電網(wǎng)之間不存在電能交匯，船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性主要取決于在網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)組的電力輸出特性，因而對整個電網(wǎng)的安全性和可靠性影響較低。另一方面，離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)通常需要設(shè)置容量數(shù)倍于光伏組件總?cè)萘康膬δ苎b置，以滿足光伏系統(tǒng)容量與所接負(fù)載日均能耗總量之間的匹配關(guān)系，并實現(xiàn)供電端和負(fù)載端之間動態(tài)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(wǎng)逆變器的輸出功率受所擔(dān)負(fù)負(fù)載總功率的牽制，如所接負(fù)載長期在低功率水平運(yùn)行，將造成逆變器運(yùn)行效率降低和光伏電能浪費問題。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)在任何太陽輻照強(qiáng)度條件下均能夠以相應(yīng)的最大功率點輸出，僅需設(shè)置與光伏組件容量相同的儲能裝置就能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的電能供需平衡；并網(wǎng)逆變器輸出的電能并入船舶主電網(wǎng)，可由綜合電力管理系統(tǒng)在全船范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度，因而具有較高的能源利用效率[5-7]。與同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行方式不同，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)有如下顯著特點：(1)光伏系統(tǒng)直流側(cè)電氣量與交流側(cè)電氣量的控制關(guān)系顯著；(2)光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行與控制策略和電網(wǎng)電力參數(shù)直接相關(guān)，不同于常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行過程中小幅電壓差、頻率差或相位差產(chǎn)生的“環(huán)流”將待并機(jī)組拉入同步的情況[8]；(3)并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)電壓不具有支撐作用，不能抵御電網(wǎng)上的大擾動沖擊；(4)帶有儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)通常設(shè)定恒功率輸出，船舶負(fù)荷工況波動完全由同步發(fā)電機(jī)組平衡；(5)當(dāng)某一電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)(電壓、頻率、諧波和逆功率等)波動范圍超出并網(wǎng)逆變器設(shè)定值后，光伏系統(tǒng)陡停更將進(jìn)一步加劇整個電力系統(tǒng)的振蕩，該過程相當(dāng)于降低了暫態(tài)過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。極端情況下，極易導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)失去同步、機(jī)組解列和電網(wǎng)失電。

離并網(wǎng)混合型光伏系統(tǒng)兼顧離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種系統(tǒng)的特點，可根據(jù)船舶航線輻照強(qiáng)度、負(fù)載工況、蓄電池容量以及船舶電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在兩種運(yùn)行模式下進(jìn)行切換運(yùn)行或彼此獨立運(yùn)行，因而具有較強(qiáng)的獨立性和適用性。相應(yīng)的，離并網(wǎng)混合型光伏系統(tǒng)的技術(shù)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(fā)展歷程及現(xiàn)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(xué)會·電力電子學(xué)會(IEEE·PELS)和相關(guān)企業(yè)贊助，現(xiàn)已發(fā)展成為面向世界各國大學(xué)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(jìn)電機(jī)功率和安全標(biāo)準(zhǔn)等一系列參數(shù)都有嚴(yán)格的上限規(guī)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(shè)計的太陽能船

2000年澳大利亞開發(fā)出世界第一艘商用的太陽能/風(fēng)能混合動力雙體客船，太陽能和風(fēng)能可單獨作為動力或聯(lián)合匹配運(yùn)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(jī)艙和艉尖艙組成，船體和上層建筑為玻璃增強(qiáng)復(fù)合材料，每塊太陽能翼板上所采集的太陽輻射能轉(zhuǎn)換成275 V/6 A的直流電，再儲存到272 V的蓄電池中，用以驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)。僅使用太陽能電力推進(jìn)時，航速為6.5 kn，采用風(fēng)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(dá)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(shù)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(lǐng)袖(Auriga Leader)”號安裝使用太陽能光伏系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)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(wǎng)模式運(yùn)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(lǐng)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(shè)計建造5艘太陽能觀光船 “太陽能愛之船II”號投入營運(yùn)(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(shè)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(jìn)系統(tǒng)配置2臺20 kW交流馬達(dá)，總動力約38 kW，最高航速可達(dá)9 kn，若以3 kn航速運(yùn)行則至少可行駛9 h。與傳統(tǒng)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(jié)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(yè)聯(lián)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(nèi)第一艘采用太陽能、鋰電池及柴油機(jī)發(fā)電機(jī)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(jī)在太陽能和柴油機(jī)組間進(jìn)行自動調(diào)配，時速可達(dá)8.1 kn，節(jié)省電力和減排均達(dá)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?cè)萘繛?3 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(jìn)電機(jī)，最大航速為14 kn。該船在582天環(huán)球航行過程中實現(xiàn)零燃油消耗和廢氣排放。

2011年6月，韓國將設(shè)計容量為3.2 kW的太陽能光伏系統(tǒng)安裝于一艘游船上，如圖8所示，其電力系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。該套太陽能光伏系統(tǒng)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(tài)下離網(wǎng)帶載運(yùn)行模式；(2)停泊工況下與柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行模式；(3)光伏系統(tǒng)作為電力負(fù)載的首要電源，柴油發(fā)電機(jī)組則用于平衡電網(wǎng)總負(fù)載的波動[9]。

圖8　韓國光伏-柴油發(fā)電混合能源游船

2012年6月，由日本三菱重工、三洋電機(jī)組及商船三井合作開發(fā)的一套160 kW太陽能光伏系統(tǒng)(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(yùn)輸船“Emerald Ace”號上正式投入使用，如圖9所示，其儲能系統(tǒng)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(jīng)DC/AC逆變?yōu)锳C450 V，輸出功率480 kW；充電時，直接由AC450 V船電AC/DC整流后經(jīng)BMS充電。該系統(tǒng)最顯著的運(yùn)行特點是：船舶航行時由太陽能電池產(chǎn)生的電能被儲存在鋰離子蓄電池組內(nèi)，船舶靠港?？繒r所需的電力全部由蓄電池組提供，柴油發(fā)電機(jī)組停車以實現(xiàn)在港零排放。

圖9　“Emerald Ace”號汽車船光伏系統(tǒng)

2013年，武漢理工大學(xué)承擔(dān)國家工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項目，設(shè)計一套峰值功率為143 kW、蓄電池儲能系統(tǒng)為700 kW·h、典型技術(shù)特征在于采用鋰離子蓄電池儲能的船用型離并網(wǎng)一體式太陽能光伏系統(tǒng)，后于2014年3月在5000PCTC汽車運(yùn)輸船“中遠(yuǎn)騰飛”號上完成該套系統(tǒng)的實船安裝調(diào)試工作并投入運(yùn)行，如圖10所示。

圖10　“COSCO TENGFEI”汽車船光伏系統(tǒng)

該套光伏系統(tǒng)最顯著的運(yùn)行特點是：可根據(jù)航線上太陽能輻照強(qiáng)度、負(fù)載功率需求、經(jīng)濟(jì)性和安全性要求等因素，進(jìn)行4種運(yùn)行模式切換，即：光伏離網(wǎng)運(yùn)行模式、并網(wǎng)運(yùn)行模式、光伏出力不足條件下的船舶電網(wǎng)供能模式、光伏系統(tǒng)故障時的船舶電網(wǎng)供能模式。到目前為止，該系統(tǒng)為國內(nèi)外容量最大的一套基于鋰電池儲能的離并網(wǎng)一體式船舶太陽能光伏系統(tǒng)。

作為技術(shù)應(yīng)用推廣，武漢理工大學(xué)于2014年完成首艘長江內(nèi)河800PCC內(nèi)河商品汽車滾裝船的太陽能光度系統(tǒng)，如圖11所示。根據(jù)中國船級社(CCS)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范(2015)》和《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南(2014)》的相關(guān)要求，該系統(tǒng)所用光伏控制器、蓄電池及BMS、光伏逆變器等關(guān)鍵性船用光伏設(shè)備全部獲得CCS產(chǎn)品認(rèn)證證書。

圖11　JD800PCC-4#“安吉204”輪光伏系統(tǒng)實景

3　太陽能船舶技術(shù)展望

船體結(jié)構(gòu)布置形式、負(fù)載大小、運(yùn)行工況及航行區(qū)域等因素，使得適用于不同船型的太陽能光伏系統(tǒng)之間存在顯著區(qū)別：

1)對于小型游船而言，離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)與電力推進(jìn)裝置的集成是發(fā)展方向，如“星球太陽”號雙體船在航行模式下的系統(tǒng)總負(fù)荷約為20 kW(動力系統(tǒng)負(fù)載僅為17 kW，通訊導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)載約為3 kW)，通過采用側(cè)移式電池陣列安裝機(jī)構(gòu)以優(yōu)化甲板空間即可解決光伏系統(tǒng)容量匹配問題；通過合理設(shè)置蓄電池容量即可平衡該船電力推進(jìn)系統(tǒng)對電能的需求。

2)對于大型遠(yuǎn)洋船舶而言，離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)作為船舶輔助電源是近年來的主要技術(shù)實現(xiàn)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(shù)風(fēng)險和成本控制等因素，其光伏系統(tǒng)總?cè)萘勘M管為目前標(biāo)稱最高的160 kW，卻仍難以滿足該船主動力系統(tǒng)的負(fù)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(fù)荷需求。

3)作為未來發(fā)展方向而言，隨著光伏系統(tǒng)容量占船舶電力系統(tǒng)總?cè)萘勘戎氐牟粩嗵岣?，光伏?船電并網(wǎng)電力系統(tǒng)與電力推進(jìn)裝置的匹配集成則具有極大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?。如“COSCO TENGFEI”汽車船光伏系統(tǒng)實際上已具備與船舶電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行能力，其對于探索研究光伏電-船電并網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)用的各種技術(shù)方案或設(shè)計概念，僅利用太陽能或風(fēng)能等單一能源并非最為優(yōu)化的應(yīng)用模式[10-13]。根據(jù)船型結(jié)構(gòu)、甲班布置、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、船員配置、航行區(qū)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(fā)展方向[14]，如“Solar Sailor”號和“Hornblower Hybrid”雙體客船即為綜合利用風(fēng)能、太陽能和常規(guī)發(fā)電機(jī)組的典型案例。圖12所示為“Hornblower Hybrid”雙體客船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖12　“Hornblower Hybrid”能源綜合利用模式

4　結(jié)束語

當(dāng)前，新能源技術(shù)和綠色船舶制造技術(shù)的不斷發(fā)展，為船舶航運(yùn)業(yè)應(yīng)對日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)并實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的提供了切實的技術(shù)支持，其中以太陽能、風(fēng)能、核能、生物質(zhì)能和海洋能等為典型代表的新能源在船舶上的應(yīng)用最具有革新性和代表性。針對太陽能光伏技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，本文總結(jié)如下幾點基本觀點：

1)太陽能電池的光伏轉(zhuǎn)換效率問題是制約其技術(shù)推廣的首要因素，有待于新型光電轉(zhuǎn)換材料的研發(fā)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(yōu)勢。

3)無論采用離網(wǎng)或者并網(wǎng)模式運(yùn)行船舶太陽能光伏系統(tǒng)，均需要設(shè)置大容量蓄電池作為能量匹配的中間節(jié)點，而當(dāng)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(tǒng)大型化的趨勢已經(jīng)逐步顯現(xiàn)，并網(wǎng)模式的應(yīng)用具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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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(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計劃(工信部聯(lián)裝[2012]540號)；湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目(2013CFA007)

嚴(yán)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(tǒng)可靠性和綠色技術(shù)

E-mail:xpyan@whut.edu.cn