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(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226010)

船舶電站主要靠燃燒重油發(fā)電，發(fā)電成本較高。將光伏電站大規(guī)模應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶并使之取代燃油電站作為船舶主電源已成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。比較這兩種電站在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)劣具有現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)安裝太陽(yáng)能光伏設(shè)備的船舶混合電力系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，需要在綜合計(jì)算評(píng)估太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、光伏系統(tǒng)投資成本和燃油價(jià)格的基礎(chǔ)上，對(duì)適用性和耐久性(使用壽命)做出科學(xué)合理的分析，以期合理規(guī)避潛在的投資風(fēng)險(xiǎn)。

1 大型遠(yuǎn)洋船舶光伏電站設(shè)計(jì)

大型遠(yuǎn)洋船舶主要有油船、集裝箱船、散貨船和滾裝船,還有一些特種船舶。在主要船型中，只有大型油船和滾裝船有開(kāi)闊的甲板，適宜安放太陽(yáng)能電池板，見(jiàn)圖1。

圖1 太陽(yáng)能滾裝船“御夫座領(lǐng)袖號(hào)”

但是圖1所示的“御夫座領(lǐng)袖號(hào)”上的太陽(yáng)能系統(tǒng)裝機(jī)容量不大，只有40 kW，僅能提供6.9%的照明需求，并未將光伏電站作為主要電源。

本文提出一種新的光伏電站設(shè)計(jì)方案。在大型遠(yuǎn)洋船舶(如散貨船)的兩側(cè)伸出太陽(yáng)能翼板，翼板上布置太陽(yáng)能電池，見(jiàn)圖2。這樣既能吸收太陽(yáng)光發(fā)電，又不影響正常船舶甲板的使用。船體與光伏平臺(tái)的連接結(jié)構(gòu)可以參考單臂起重船“藍(lán)鯨”號(hào)的直升機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)方案，見(jiàn)圖3。

圖2 遠(yuǎn)洋船舶太陽(yáng)能翼板布置示意

圖3 光伏平臺(tái)及連接部分結(jié)構(gòu)示意

采用以上結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生一些可靠性的問(wèn)題。比如,太陽(yáng)能翼板是否會(huì)觸碰到碼頭從而影響船舶的靠岸;碼頭上的各種起重機(jī)械是否會(huì)觸碰到太陽(yáng)能翼板;裝卸時(shí)的掉落物是否會(huì)對(duì)太陽(yáng)能組件產(chǎn)生損傷等。針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，一般碼頭的高度低于甲板高度，而太陽(yáng)能翼板又在甲板之上，真正觸碰碼頭的是支撐太陽(yáng)能翼板的鋼結(jié)構(gòu)部分，只要對(duì)這部分結(jié)構(gòu)加裝橡膠緩沖層即可實(shí)現(xiàn)正常靠岸。第二個(gè)問(wèn)題，可以將碼頭延伸或是將這些機(jī)械布局作相應(yīng)調(diào)整避免太陽(yáng)能翼板觸碰到這些機(jī)械。第三個(gè)問(wèn)題，解決的辦法是在裝卸時(shí)對(duì)太陽(yáng)能翼板做一定的保護(hù)，比如在特定部位鋪一層防護(hù)外衣等方法防止裝卸時(shí)的掉落物對(duì)太陽(yáng)能翼板的損傷，裝卸完畢后再去掉那層外衣。

2 光伏電站與船舶電力負(fù)荷的匹配

以76 000 t級(jí)散貨船為例，分析安裝新型光伏電站之后的電力系統(tǒng)匹配關(guān)系。

該級(jí)散貨船載重76 000 t。船長(zhǎng)225 m，寬32.26 m，型深19.7 m，設(shè)計(jì)吃水14.25 m。兩側(cè)各裝一幅太陽(yáng)能翼板，估算其翼板長(zhǎng)為200 m，寬20 m，總面積為2×200×20=8 000 m2，當(dāng)前最新技術(shù)太陽(yáng)能組件效率約為162 W/m2，則總裝機(jī)容量約為1 296 kW。該型散貨船的電力負(fù)荷計(jì)算見(jiàn)表1[3]，同時(shí)使用系數(shù)為0.4。

表1 某76 000 t級(jí)散貨船電力負(fù)荷簡(jiǎn)表 kW

假設(shè)某航線船舶航行中每天峰值日照時(shí)數(shù)為5 h[4]，則一天總發(fā)電量為1 296×5=6 480 kW·h，航行中持續(xù)耗電量為377.5×24=9 060 kW·h，該光伏電站能提供該船72%的電力供應(yīng)；而在拋錨時(shí)光伏電站能提供全船的電力供應(yīng)。為了保險(xiǎn)，可以考慮將光伏電站作為主電源的同時(shí)，將柴油發(fā)電機(jī)組作為輔助電源以備不時(shí)之需。如果在大型油船的甲板安裝太陽(yáng)能電池以外再安裝太陽(yáng)能翼板就可提供全船航行時(shí)的電力供應(yīng)?？梢?jiàn)，該光伏電站的設(shè)計(jì)在電力負(fù)荷匹配上是可行的。

3 光伏發(fā)電與燃油發(fā)電的成本比較

大多數(shù)船用柴油發(fā)電機(jī)使用180和380號(hào)燃料油，盡管在啟動(dòng)和機(jī)動(dòng)操作中也使用船用柴油,但是使用量與所消耗重油相比可忽略不計(jì)。以180號(hào)燃料油為例，最新價(jià)格約為5 200元/t。180號(hào)燃料油約可發(fā)電4 200 kW·h/t，則燃油發(fā)電成本約為1.23元/(kW·h)。

光伏系統(tǒng)中光伏組件價(jià)格在2011年出現(xiàn)了大幅度下降，并在低位徘徊。目前約為6元/W。逆變器、蓄電池及其它電氣部分成本為5元/W，支架鋼結(jié)構(gòu)等成本約為9元/W，合計(jì)成本約為20/W。按某型76 000 t級(jí)船的電站設(shè)計(jì)，總裝機(jī)容量為1 296 kW，總成本為20×1 296 000=2 592萬(wàn)元。設(shè)計(jì)壽命為20 a，該電站壽命期內(nèi)總發(fā)電量為1 296×5×360×20=4 665.6萬(wàn)kW·h，見(jiàn)表2。

表2 光伏電站成本核算

可算出光伏發(fā)電成本約為0.55元/ kW·h，比燃油發(fā)電具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。隨著石油價(jià)格的步步高升和光伏成本的節(jié)節(jié)下降，這種優(yōu)勢(shì)還將進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 結(jié)論

新提出的光伏電站的設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新性和使用上的匹配性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性上也具有一定的優(yōu)勢(shì)。希望此方案可為太陽(yáng)能光伏發(fā)電在遠(yuǎn)洋船舶上的大規(guī)模應(yīng)用提供借鑒。

[1] 李 進(jìn).太陽(yáng)能在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用與前景[J].船海工程,2010，39(4):70-72.

[2] 嚴(yán)新平.新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望[J].船海工程,2010，39(6):111-115.

[3] 陳紅霞,李增焱木.76 000 DWT散貨船發(fā)電機(jī)容量的確定[J].上海造船,2006(67):21-23.

[4] 孫玉偉,嚴(yán)新平,袁成清，等.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋船舶應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析[J].船海工程,2010，39(6):124-128.