陳立劍，徐建勇

(中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢430022)

1 光伏系統(tǒng)及電力推進(jìn)概述

船用太陽能光伏發(fā)電裝置主要包括太陽能電池板、控制設(shè)備、儲能設(shè)備等。太陽能電池板主要由單晶硅、多晶硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其發(fā)電原理基本上是:當(dāng)太陽光照到硅表面時(shí)，一部分光子的能量被硅原子吸收，使原子內(nèi)的電子發(fā)生躍遷，從而在材料內(nèi)部形成一定的電位差［1］，反復(fù)此過程，光能得以轉(zhuǎn)化為電能通過控制設(shè)備供給船用負(fù)載直接使用，或者儲存到儲能設(shè)備中在日照不足或者夜間進(jìn)行使用。電壓等級相當(dāng)?shù)闹绷髫?fù)載可以直接使用，對于含有交流負(fù)載的電力系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器轉(zhuǎn)換為交流電使用。

電力推進(jìn)系統(tǒng)主要包括調(diào)速裝置、電動機(jī)、控制設(shè)備等，采用電動機(jī)帶艉軸的方式驅(qū)動螺旋槳。一般還配備功率管理系統(tǒng)，在不同負(fù)荷工況下靈活增加在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組數(shù)量，以保證柴油機(jī)可以高效運(yùn)行。

制約太陽能光伏電力推進(jìn)船舶應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個(gè)方面:①光電轉(zhuǎn)換率，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)能量密度低，提高轉(zhuǎn)換率至關(guān)重要，船舶上可用于安裝光伏電池板的面積有限，除非特殊設(shè)計(jì);②儲能裝置，太陽能光伏所發(fā)的電能與氣象條件密切相關(guān)，儲能裝置的設(shè)計(jì)思路是保證在太陽光照連續(xù)低于平均值的情況下，負(fù)載仍可以正常工作。目前儲能裝置大部分為普通鉛酸蓄電池，但儲存能量密度不大，使用壽命有限，重量大［2］。這些制約因素已有望得到解決，2009年5月上海第三屆國際太陽能光伏大會亮相6大頂尖技術(shù)中有3項(xiàng)就與新型光伏電池有關(guān)。目前，受太陽能光伏技術(shù)限制，在實(shí)船上應(yīng)用太陽能光伏系統(tǒng)主要問題仍是可用的太陽能及其儲能裝置提供的電力較小。本文將按照船舶大小分別敘述其使用設(shè)計(jì)情況。

2 小型太陽能電力推進(jìn)船規(guī)范分析及設(shè)計(jì)

太陽能電力推進(jìn)船舶應(yīng)用之初，就是在小型船舶上進(jìn)行應(yīng)用。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的主要集中在旅游觀光船、游艇等。這類船舶所在航區(qū)一般水文條件較好，排水量小，沒有嚴(yán)格的航速要求，航程較短且固定。例如2010年在臺灣高雄下水營運(yùn)的太陽能游船(見圖1)，主要在小型河流內(nèi)營運(yùn)。船長13 m，太陽能充電系統(tǒng)達(dá)到3 kW，配置54 kW·h鋰蓄電池組，2臺20 kW電動機(jī)，最高航速9 km/h，可載36名乘客以3 km/n航速行駛9 h，還可接岸電充電使用。

圖1 臺灣高雄太陽能游船

在《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(以下簡稱《小船規(guī)范》)中對內(nèi)河小型船舶的電源方面有如下規(guī)定:主電源可以采用獨(dú)立驅(qū)動的發(fā)電機(jī)或推進(jìn)主機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)或蓄電池組;當(dāng)設(shè)有電動或電動液壓動力源的操舵裝置時(shí)，應(yīng)至少設(shè)置1臺與主機(jī)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)組和一組蓄電池;對于船舶正常航行其全船動力設(shè)備不依靠電力供應(yīng)時(shí)，應(yīng)設(shè)置2組蓄電池作為船舶主電源。

目前常規(guī)的小型太陽能船舶，除了少量照明和航行設(shè)備外，沒有其它大功率用電設(shè)備［3］。舵機(jī)一般為機(jī)械式或手動油壓式。如2007年我國沈陽泰克太陽能應(yīng)用有限公司研制的“00l號”太陽能旅游船，船體長6.2 m、寬l.9 m、可載9人，航速可達(dá)10 km/h。這樣，根據(jù)《小船規(guī)范》，太陽能光伏系統(tǒng)(配蓄電池儲能)可作為主電源獨(dú)立使用，在日照較好的情況下光伏系統(tǒng)帶推進(jìn)負(fù)載的同時(shí)將富余電能儲存在蓄電池中，夜間則由蓄電池帶推進(jìn)負(fù)載運(yùn)行。推進(jìn)方式一般采用直流電機(jī)帶艉軸的型式驅(qū)動。

這類船舶電氣設(shè)計(jì)一般較為簡單，船舶的調(diào)速通常采用電樞回路串電阻調(diào)速，使電動機(jī)運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速，串入電阻后，轉(zhuǎn)速降低，損耗增大，特別是串入電阻越大，電動機(jī)機(jī)械特性越軟，在低速運(yùn)行的時(shí)候，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不高。隨著電力電子的發(fā)展，也有采用PWM斬波控制技術(shù)的調(diào)速方式，調(diào)節(jié)電源端電壓，不僅易于實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，也易于在調(diào)速器內(nèi)集成對蓄電池的監(jiān)控功能，對蓄電池的過放電等故障進(jìn)行保護(hù)。2008年北京頤和園內(nèi)迎奧運(yùn)的太陽能游船就是采用這種調(diào)速方式。該船船長11.8 m，寬3.6 m，額定載客30人，最大航速8 km/h，配備光伏發(fā)電系統(tǒng)，儲能電池采用400 Ah/220 V蓄電池，配備PWM調(diào)速器和直流電動機(jī)帶艉軸進(jìn)行推進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)在于電動機(jī)的機(jī)械特性硬度不變，與串電阻調(diào)速相比更易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低速運(yùn)行，效率也更高。

這類船舶的一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于太陽能電池板和蓄電池組的布置，一般游船的頂部都可以作為太陽能板布置區(qū)域，如何更有效增大可布置區(qū)域成為關(guān)鍵。如2006年英國在海德公園正式運(yùn)營的太陽能船(見圖2)，該船搭建了大量不銹鋼架，安裝了多達(dá)27塊太陽能板，使得這艘船長約14.5 m的船完全靠太陽能發(fā)電的最大航速達(dá)到8 km/h。蓄電池組的布置也是調(diào)研中較為關(guān)心的問題，這類船舶盡管用電功率不大，但由于推進(jìn)全部依靠電力供應(yīng)，一般蓄電池所配備的容量甚至還高于普通主機(jī)推進(jìn)的船舶。蓄電池的安裝和通風(fēng)也應(yīng)符合規(guī)范設(shè)計(jì)，由于蓄電池充放電會產(chǎn)生有害氣體，故電池艙應(yīng)與客艙和機(jī)艙完全隔離，做到氣密。如果電池艙做不到與機(jī)艙的隔離，則應(yīng)將機(jī)艙內(nèi)的電氣設(shè)備選擇為防爆類型。這里建議電池艙在有條件的情況下應(yīng)采用完全封閉設(shè)計(jì)，采用通風(fēng)管、風(fēng)機(jī)使電池艙實(shí)現(xiàn)有效的通風(fēng)，還應(yīng)嚴(yán)格防止電池有害氣體擴(kuò)散到通風(fēng)條件不好的客艙(如安裝了空調(diào)的客艙)，危害人體健康。

圖2 英國太陽能觀光船

3 大型太陽能電力推進(jìn)船規(guī)范分析及設(shè)計(jì)

大型船舶中的客滾船、散貨船、客輪一般具有較大面積可供安裝，具有應(yīng)用太陽能光伏系統(tǒng)的前景。由于太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量有限，對于大型船舶，太陽能發(fā)電系統(tǒng)只能作為輔助推進(jìn)用電或生活用電?，F(xiàn)在大型船舶的太陽能應(yīng)用實(shí)例也比較多，最為著名的有:2008年日本的太陽能貨船“御夫座領(lǐng)袖(AurigaLeader)”號(見圖3)，其有328塊太陽光板組成電池陣列，電能輸出功率可達(dá)40 kW，能滿足6.9%的照明需求或0.2%～0.3%的動力需求，獲2009全球年度船舶獎。2010年瑞士制造的“星球陽光”太陽能電力推進(jìn)船，船長31 m，寬15 m，排水量60 t，最高時(shí)速可達(dá)15 kn，可以搭載50人航行。船體上方裝有500 m2的太陽能電池板，是世界上最大的太陽能動力船。

圖3 日本的太陽能貨船

3.1 大型船舶主電源設(shè)置的規(guī)范分析

大型船舶使用太陽能光伏發(fā)電供推進(jìn)使用，一般分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種形式。對于船長超過2 0 m 的船舶，《鋼制內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(以下簡稱《內(nèi)規(guī)》)對船舶電源有如下規(guī)定:主電源可以采用獨(dú)立驅(qū)動的發(fā)電機(jī)或推進(jìn)主機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)或蓄電池組;對于動力操舵設(shè)備、輔機(jī)、泵等船舶正常運(yùn)行所必需的設(shè)備均為電力供電時(shí)，應(yīng)至少設(shè)置2臺獨(dú)立驅(qū)動的發(fā)電機(jī);對于舵機(jī)油泵、為主機(jī)服務(wù)用輔機(jī)、泵由推進(jìn)主機(jī)帶動且船舶安全所需用電設(shè)備能由蓄電池供電時(shí)，可只設(shè)1臺獨(dú)立驅(qū)動的發(fā)電機(jī);對于全船動力設(shè)備不依靠電力供電時(shí)，應(yīng)設(shè)置2組蓄電池作船舶主電源。一般來講大型船舶出于安全和操作的需要，用電設(shè)備眾多，如電動操舵裝置、各種電動輔機(jī)、泵等。根據(jù)規(guī)范要求，具備動力操舵設(shè)備的船舶必須采用發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，而且各種輔機(jī)、泵，如采用蓄電池組進(jìn)行供電，則需要使用直流電動機(jī)，其重量、體積、可靠性、經(jīng)濟(jì)性都不如交流電動機(jī)實(shí)用，因此多數(shù)大型船舶電網(wǎng)一般采用交流供電方式。

在《鋼制海船入級規(guī)范》(以下簡稱《鋼規(guī)》)中對主電源有如下規(guī)定:主電源應(yīng)至少由2臺發(fā)電機(jī)組組成，而在《內(nèi)規(guī)》2012修改通報(bào)中更是直接明確提出太陽能電池只應(yīng)作為船舶的輔助電源。因此大型船舶光伏電能的應(yīng)用應(yīng)考慮并網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)，使光伏電能和柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對推進(jìn)或其它用電設(shè)備供電。而且相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，冬季和陰天產(chǎn)電能不到夏天的25%，而推力與航速呈三次方關(guān)系，僅依靠太陽能難以保證較大型船舶的全部推進(jìn)動力，故采用并網(wǎng)供電方式，是比較合適的，同樣也能達(dá)到減少燃料消耗，降低排放污染的效果。

3.2 船舶光伏電力推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

隨著近年來電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，光伏交直流并網(wǎng)技術(shù)有了船用化的趨勢。光伏發(fā)電系統(tǒng)配備光伏逆變器可將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的交流電并網(wǎng)供負(fù)載使用，如光伏發(fā)電系統(tǒng)帶有儲能電池，還可以起到不間斷電源的作用。這類太陽能發(fā)電系統(tǒng)交流并網(wǎng)提供動力的船舶目前僅在國外有實(shí)船應(yīng)用。如德國Alster河上的太陽能動力游艇，長27 m，重42 t，可載運(yùn)100名游客，?？繒r(shí)還可以將多余的電并網(wǎng)到岸上電網(wǎng)使用。此外還可以考慮直流并網(wǎng)的方式，電力推進(jìn)船舶一般配備變頻傳動系統(tǒng)，公共直流母線變頻系統(tǒng)是一種較新的、廣泛應(yīng)用于多電機(jī)傳動場合的變頻傳動系統(tǒng)，有利于合理利用制動過程中產(chǎn)生的再生能源，也是一種新的節(jié)能方式。光伏發(fā)電系統(tǒng)配備充放電裝置，將光伏發(fā)電的直流電轉(zhuǎn)換成與主發(fā)電機(jī)整流后電壓相同的直流電并網(wǎng)供負(fù)載使用，這也是電力推進(jìn)船舶使用光伏能源的一種設(shè)計(jì)思路。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到使直流母線電壓在可能的波動范圍內(nèi)，充放電裝置均能向直流母線提供額定功率或額定電流的能量。

由于電力變頻設(shè)備的使用，會在交流電網(wǎng)上產(chǎn)生大量高次諧波，對發(fā)配電系統(tǒng)及用電設(shè)備造成一定影響。在光伏電力推進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)載饋電的設(shè)計(jì)上，對重要負(fù)載供電可以采用從直流母線取電經(jīng)逆變器和濾波器的方式，而對非重要的負(fù)載通過發(fā)電機(jī)經(jīng)過濾波屏進(jìn)行供電。這樣，重要負(fù)載采用的是直流逆變?yōu)V波的方法，直流電網(wǎng)本身沒有交流電網(wǎng)固有的諧波和電流畸變的問題，通過高頻逆變的方式產(chǎn)生的高頻干擾和高次諧波相比于工頻更容易通過濾波環(huán)節(jié)來濾除干擾，這樣的配置方案可更有效地保證對重要負(fù)載的供電品質(zhì)。

太陽能光伏系統(tǒng)在連續(xù)陰天的氣象條件下，會存在太陽能發(fā)電補(bǔ)充不及時(shí)的情況，有可能需要以電池作為主要供給負(fù)載。一般在進(jìn)行蓄電池容量設(shè)計(jì)時(shí)，會考慮自給天數(shù)這個(gè)參數(shù)，如果自給天數(shù)考慮過大，則會使得蓄電池的容量、體積增大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮運(yùn)用多種方式對蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充，如采用光伏系統(tǒng)直流并網(wǎng)方式，或在停航時(shí)通過岸電整流到直流母線上由充放電柜給蓄電池組充電。

我國類似這樣的船舶有2010年建造完成的“尚德國盛號”太陽能混合動力游船(見圖4)，該船是中國第一艘由國內(nèi)集成商自主集成的太陽能混合動力電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，總長31.85 m，寬9.8 m，高7 m，可容納150余名游客。其垂直太陽能板高10 m，寬5 m，裝有高效太陽能電池約70片，總計(jì)額定發(fā)電功率可達(dá)20 kW。配2臺140 kW主發(fā)電機(jī)P1、P2，1臺125 kW輔發(fā)電機(jī)和2組112塊單體容量180 AH的太陽能充電的鋰電池組作能源系統(tǒng)［4］。

該船電力系統(tǒng)單線圖見圖5。主交流電網(wǎng)主電源為P1、P2兩臺柴油發(fā)電機(jī)組，交流母線經(jīng)QF3、QF4接入整流柜，通過整流單元為直流母線提供能量，直流母線額定電壓為直流540 V。同時(shí)左右片體電池充放電柜通過快熔連接到整流柜的直流母線。左、右機(jī)逆變柜從直流母線取電，為推進(jìn)系統(tǒng)提供電源，逆變電源柜接入直流母線為航行負(fù)載提供電源。系統(tǒng)非重要負(fù)載由柴油發(fā)電機(jī)組P3供電，當(dāng)P3故障時(shí)，也可以由交流母線通過QF6為非重要負(fù)載供電。

圖4 尚德國盛號混合動力推進(jìn)游船

圖5 系統(tǒng)單線圖

該船設(shè)計(jì)航行工況主要有3種:①純電池模式。在駛?cè)腴_闊航道后，電池組電量充足的情況下，可使用電池組供電推進(jìn)，該模式下最大設(shè)計(jì)航速5 kn;②純柴電工作模式。在靠離碼頭或純電池模式電池電量不足時(shí)，使用純柴電工作模式。該模式下最大航速8.5 kn，還可根據(jù)當(dāng)前剩余功率選擇是否對電池提供充電能量;③混合模式。當(dāng)駛?cè)腴_闊航道后，且電池組充滿的情況下，可以采用該模式，高速航行時(shí)鋰電池組作為太陽能發(fā)電的儲能裝置，與柴油發(fā)電機(jī)組一同通過公共直流母線方式為推進(jìn)負(fù)載及航行負(fù)載供電。

該船在太陽能光伏系統(tǒng)與柴電并網(wǎng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷上還采用了獨(dú)創(chuàng)的無縫切換技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)無縫切換，在充放電柜中設(shè)計(jì)了功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，當(dāng)柴發(fā)機(jī)組與太陽能光伏系統(tǒng)之間需要進(jìn)行無縫切換時(shí)，充放電柜通過控制自身放電電流的大小，實(shí)現(xiàn)與機(jī)組間的負(fù)載轉(zhuǎn)移，保證機(jī)組負(fù)載平穩(wěn)變化，不致對柴發(fā)機(jī)組造成沖擊。

3.3 大容量蓄電池的使用建議

實(shí)船調(diào)研表明，大型船舶在使用太陽能光伏系統(tǒng)時(shí)，蓄電池要比小型船舶容易布置，一般都有專門的艙室，在電池的安裝條件、間隔固定方式、通風(fēng)條件等方面按照《鋼規(guī)》執(zhí)行即可。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池的基本要求為自放電率低、使用壽命長、深放電能力強(qiáng)、充電效率高、工作溫度范圍寬，規(guī)范中對蓄電池的種類一般要求為鉛酸電池或堿性鎳板電池，或經(jīng)同意使用的電池。國內(nèi)外目前選用的替代鉛酸電池的還有高性能的動力鋰離子電池，其優(yōu)點(diǎn)在于高能量密度、長循環(huán)壽命、無污染。在使用蓄電池建議不要在串聯(lián)電池組內(nèi)抽取一部分電池帶額外的負(fù)載，這會造成該部分電池老化速度加快，并且對于船用蓄電池一般采用串聯(lián)整組的充電方式來說，終止充電是以整組蓄電池電壓為限制，若某一部分電池老化速度加快，容易在充電過程中發(fā)生過充，進(jìn)一步對電池造成損傷，造成惡性循環(huán)。嚴(yán)重的過充甚至?xí)斐射囯姵匕l(fā)生爆炸，應(yīng)嚴(yán)格避免這種情況發(fā)生。建議有條件的船舶對鋰電池的使用設(shè)置一套獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，檢測個(gè)體電池的使用情況，如電壓、溫度等。

3.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)和安全方面設(shè)計(jì)建議參照規(guī)范中電力推進(jìn)和太陽能光伏系統(tǒng)的相關(guān)章節(jié)進(jìn)行，特別建議在進(jìn)出港或通航水域航道狹窄、水流湍急的情況下，推進(jìn)動力還是應(yīng)以柴發(fā)機(jī)組供電為宜，以保障供電可靠性和船舶有較高的機(jī)動性。在電氣系統(tǒng)選擇性保護(hù)方面應(yīng)按照相關(guān)指南進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別注意《鋼規(guī)》中對重要負(fù)載供電要求直接由主/應(yīng)急配電板供電規(guī)定，或采用完全選擇性保護(hù)供電。因而如光伏逆變器向重要負(fù)載均應(yīng)使供電系統(tǒng)獲得完全選擇性保護(hù)，保證船舶正常航行。

4 結(jié)論

隨著近年來光伏系統(tǒng)的進(jìn)步，太陽能電力推進(jìn)船舶上的應(yīng)用越來越多。根據(jù)前述的分析，小型船舶上太陽能電力作為主動力的船舶數(shù)量日益增長，這方面設(shè)計(jì)主要考慮如何增加太陽能板布置及轉(zhuǎn)換效率，以及蓄電池的合理布置使用;大型船舶太陽能電力主要作為輔助動力的一種，應(yīng)考慮各種并網(wǎng)技術(shù)、新型電池技術(shù)等的船用化研究，目前國內(nèi)船舶在這些方面特別是大功率的交流并網(wǎng)實(shí)例很少，是一個(gè)值得深入研究的方向。

［1］袁成清，趙亮亮，孫玉偉，等.船用太陽能電池可靠性分析［J］.船海工程，2010，39(6):129-131.

［2］李 進(jìn).太陽能在船舶動力裝置中的應(yīng)用前景［J］.船海工程，2010，39(4):70-72.

［3］林 杰，袁成清，孫玉偉，等.太陽能電池板在不同類型船舶上的布置優(yōu)化［J］.船海工程，2010，39(6):116-120.

［4］張 軼，郭 棟，潘國平，等.一種游船多?；旌贤七M(jìn)動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù)，2012，32(1):22-24.