詹 波

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

船舶作為海上運(yùn)輸?shù)妮d體，是污染排放的主要來(lái)源。船舶運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的污染包括二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物及固體顆粒物等，這些污染物主要來(lái)源于為船舶提供動(dòng)力的船用燃料。為減少船舶有害氣體的排放，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過(guò)了一系列強(qiáng)制性規(guī)定，例如近年生效的船舶限硫令，以及正在推進(jìn)中的船舶脫碳要求等。

為實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排，目前各航運(yùn)公司采用不同的方案以作應(yīng)對(duì)，如馬士基集團(tuán)嘗試采用氨、醇類作為船舶燃料；法國(guó)達(dá)飛公司采用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為未來(lái)船舶燃料；日本的一些船舶公司則更多關(guān)注利用氫能源作為船舶動(dòng)力源。在這眾多研究和應(yīng)用方案中，太陽(yáng)能作為一種可利用、可再生的清潔能源也逐步應(yīng)用于船舶。目前，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)主要應(yīng)用于游艇、旅游觀光船、小型渡輪等小型船舶[1]，而在較大型的船舶上尚未得到廣泛應(yīng)用。

本文詳細(xì)介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成、估算選型、應(yīng)用實(shí)例、存在弊端等，探討了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在船舶上的研究方向及應(yīng)用前景。

1 船舶光伏系統(tǒng)介紹

1.1 光伏系統(tǒng)基本構(gòu)成

光伏系統(tǒng)主要部件包括太陽(yáng)能電池板、電源逆變器、控制器、儲(chǔ)能蓄電池以及其他輔助監(jiān)控設(shè)備。光伏系統(tǒng)的基本工作原理：太陽(yáng)能電池板被光照射時(shí)，太陽(yáng)能電池板內(nèi)電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生光伏效應(yīng)。利用電池板產(chǎn)生電能，并借助電源控制器對(duì)電源進(jìn)行管理，充分利用太陽(yáng)能，讓系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。最后通過(guò)電源逆變器直接或間接為船舶上的各負(fù)載進(jìn)行供電，剩余的電能則通過(guò)系統(tǒng)中的蓄電池儲(chǔ)存以備不時(shí)之需。

1.2 船舶上光伏系統(tǒng)分類

根據(jù)應(yīng)用形式的不同，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)通?？煞譃楠?dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)[2]。

對(duì)于用電總負(fù)載較小的小型船舶，可選用獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)，將太陽(yáng)能作為船舶的主要能源。應(yīng)用前需要對(duì)全船的用電負(fù)載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)算船舶實(shí)際用電量，而后計(jì)算并選定船舶太陽(yáng)能電池板面積及其他配套設(shè)備參數(shù)等。

對(duì)于用電量較大的大型船舶，僅通過(guò)太陽(yáng)能光伏發(fā)電提供的電源難以負(fù)擔(dān)全船用電負(fù)載。因此，可選用并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能僅作為船舶的輔助電源使用。采用此系統(tǒng)的船舶電網(wǎng)可能因光伏系統(tǒng)的不穩(wěn)定性而受影響，因此并網(wǎng)型逆變器需要選用更選進(jìn)的控制策略。

獨(dú)立型發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 船舶上光伏系統(tǒng)選型估算

船舶在海上航行時(shí)一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在船舶上安裝的太陽(yáng)能電池板受陽(yáng)光照射的角度一直處于變化中，海上天氣也變化較多。因此，對(duì)船舶上光伏系統(tǒng)的各主要部件選用時(shí)需要結(jié)合船舶航行信息具體分析，通過(guò)數(shù)據(jù)查詢和公式估算的方式獲得需要的數(shù)據(jù)[3]。

固定式光伏系統(tǒng)的發(fā)電量可參考如下步驟計(jì)算

1）計(jì)算太陽(yáng)能電池板組的額定功率P

式中： S為太陽(yáng)能電池板的總面積；T為每平方米太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的功率；?為太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率。

2）計(jì)算固定太陽(yáng)能電池板組的發(fā)電量E

式中：H為太陽(yáng)能電池板受光面的太陽(yáng)輻射量；G為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的太陽(yáng)輻射量。

3）確定光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的有效額定電量E1

式中： ?1為光伏系統(tǒng)至負(fù)載的效率。

在選擇蓄電池的種類時(shí)，可選擇鋰離子蓄電池或免維護(hù)封閉式鉛蓄電池。鋰離子蓄電池具有重量輕、體積小、耐充放性能好、電池壽命相對(duì)更長(zhǎng)等特點(diǎn)，而免維護(hù)封閉式鉛蓄電池則具有價(jià)格低廉，資源豐富、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[4]。選擇時(shí)除關(guān)注不同種類蓄電池的特點(diǎn)外，還要結(jié)合項(xiàng)目船的布置空間，和成本等進(jìn)行全面考慮。

確定系統(tǒng)中蓄電池容量時(shí)，需要滿足供電負(fù)載最大功率的要求，可按式（4）進(jìn)行估算：

式中：B為蓄電池容量；A為安全系數(shù)，取1.1～1.4；QL為負(fù)載耗電量；NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；TO為溫度修正系統(tǒng)；C為電池放電深度。

在船舶中運(yùn)用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)需要對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行科學(xué)布置，將其融入船舶各合適的露天區(qū)域中確保太陽(yáng)能電池板能夠受到陽(yáng)光直射[5]。受太陽(yáng)能電池板光電轉(zhuǎn)換效率的限制，想要從電池板獲得較多的電能輸出，需要盡可能大的面積配置太陽(yáng)能電池板。因此，需要合理利用好船舶的各處空間作為布置和安裝太陽(yáng)能電池板的處所。布置時(shí)還需要考慮船舶航行和裝卸貨物、船舶操作空間及逃生通道的干涉情況，光伏系統(tǒng)維護(hù)方便性等因素。從可供安裝的船型來(lái)看，油船、化學(xué)品船等船型的甲板多屬于危險(xiǎn)區(qū)域，其安裝光伏系統(tǒng)相對(duì)困難。而大型滾裝船、散貨船、海峽渡輪等船型的甲板可利用面積更大，更加適合安裝光伏系統(tǒng)。

3 工程實(shí)例

國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)船舶光伏系統(tǒng)完工案例，本文對(duì)某大型滾裝船的光伏系統(tǒng)進(jìn)行介紹。在確定系統(tǒng)方案前，需要對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行實(shí)船現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，初步測(cè)量出船舶頂層甲板可供太陽(yáng)能電池板安裝的面積范圍。經(jīng)初步勘查，本船可供安裝布置的面積可由 6塊分散區(qū)域組成，可用總面積約1 300 m2，初步勘查可布置的區(qū)域示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 初步勘查可布置的區(qū)域示意圖

在確定最終太陽(yáng)能電池板布置方案時(shí)，對(duì)布置情況進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)主要考慮如下因素：

1）不影響艦橋觀察海況，不影響船舶航行安全。

2） 安裝區(qū)域集中，不影響船舶主甲板的整體美感。

3）不影響甲板設(shè)備的正常工作。

4）便于船員日常巡回檢查電池組件。

5）不影響兩舷安全通道，設(shè)置遮陽(yáng)棚式的電池組件安裝構(gòu)架。

最終，測(cè)量出實(shí)際可用于布置太陽(yáng)能電池板面積，其凈安裝面積約875 m2。為減緩電池板表面積灰，同時(shí)也為了利于雨水吹刷，將太陽(yáng)能電池板設(shè)置5°～8°傾角進(jìn)行鋪設(shè)安裝。

對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行選擇，選用國(guó)內(nèi)某公司的單晶硅太陽(yáng)能電池板，其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的最大功率值為280 W，尺寸為1 650 mm×990 mm×40 mm，計(jì)算得出光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量可達(dá)150 kW。光伏系統(tǒng)與原船的電網(wǎng)按并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)連接，電源接入原船配電板主匯流排，其系統(tǒng)單線圖見(jiàn)圖4。

圖4 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)連接電力系統(tǒng)單線圖

光伏系統(tǒng)中蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備需要較大的容量，根據(jù)船舶受到的有效光照時(shí)間，負(fù)載消耗電能等數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，同時(shí)考慮一定的余量作為冗余，最終為實(shí)船配備的儲(chǔ)能蓄電池容量為750 kW，各數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)能蓄電池容量計(jì)算相關(guān)參數(shù)

整套系統(tǒng)設(shè)備裝船并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試后，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能可與船舶主電網(wǎng)并網(wǎng)，基本達(dá)到最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，在一定程度上降低了船舶運(yùn)行的能耗，提升了船舶供能系統(tǒng)的環(huán)保性。但同時(shí)需要注意，在本項(xiàng)目中光伏系統(tǒng)輸出的電量在原船需求總電量中的占比還很小，產(chǎn)生的電能僅作為輔助電能使用。

要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電作為船舶主電源的目標(biāo)還有許多技術(shù)難題需要解決，如太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率還需要較大提高，以使電池板在有限的船舶甲板空間上產(chǎn)生足夠的電能；蓄能設(shè)備的容量需要足夠大并能穩(wěn)定可靠地工作等。

4 結(jié)論

從光伏系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用還不夠廣泛，僅應(yīng)用于一些小型船舶及少數(shù)大型船舶。雖然單純依靠太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能作為動(dòng)力仍存在一些不足和困難，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)將在船舶上得到更好的應(yīng)用。希望本文可引起相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，為更好利用船舶太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)指明方向。