吳笑風(fēng)，文蓋雄

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京100012)

0 引言

可再生能源正在全球范圍內(nèi)發(fā)揮日益重要的作用。光伏技術(shù) (PV)是可再生能源技術(shù)中的重要組成部分。光伏技術(shù)的應(yīng)用場景日趨多樣，除了涵蓋陸基光伏電站、航天器光伏帆板等傳統(tǒng)領(lǐng)域，已經(jīng)開始向海洋擴(kuò)展。隨著全球海洋資源開發(fā)和海洋軍事力量的快速發(fā)展，以自主水下航行器和水下環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)為代表的水下設(shè)備和設(shè)施成為新的研究熱點(diǎn)。這類水下設(shè)備和設(shè)施可應(yīng)用于中長期水下預(yù)警、目標(biāo)偵測、水文和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等用途，在軍用和民用領(lǐng)域均可發(fā)揮重要作用。

水下設(shè)備的長期自主運(yùn)行需要高效、穩(wěn)定、可靠且經(jīng)濟(jì)的電源作為保障。目前的電能驅(qū)動方案都難以滿足這一要求。光伏電池較長的使用壽命和較低的成本使其有望成為有效的電源 (或補(bǔ)充電源)方案。然而光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率對環(huán)境條件較為敏感。水下環(huán)境中較低的日光透射率 (即較弱的光照強(qiáng)度)、較窄的光譜寬度以及溫度等環(huán)境條件都成為限制光伏電池轉(zhuǎn)換效率的外部因素。這要求使用者在研發(fā)水下光伏系統(tǒng)時(shí)，引入專用的設(shè)計(jì)和優(yōu)化手段，以應(yīng)對這類限制條件帶來的影響。

本文通過建立光伏電池的電子學(xué)模型和水下環(huán)境的光學(xué)模型分析水下環(huán)境對光伏電池電能輸出的影響，并對國內(nèi)外光伏技術(shù)水下應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行討論，旨在探究光伏技術(shù)在水下裝備中應(yīng)用的可行性和發(fā)展趨勢。

1 光伏電池

光伏電池是光伏系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心部件，通常具有20年以上 (陸基)的使用壽命?，F(xiàn)今，晶硅光伏電池技術(shù)已日趨成熟。此外，薄膜光伏電池、有機(jī)物光伏電池等新技術(shù)在近年來也有明顯的發(fā)展［1］。多結(jié)電池通過光譜匹配等技術(shù)可顯著提高電池效率，但受限于復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和較高的成本，目前僅在聚光光伏系統(tǒng)和航天領(lǐng)域中應(yīng)用較多。目前，基于二極管等效模型的建模和仿真技術(shù)被廣泛用于對各類光伏電池的電子學(xué)特性的描述。環(huán)境條件對電能輸出的影響也可通過等效模型進(jìn)行研究。

1.1 電子學(xué)特性和等效電路模型

光伏電池的電子特性通常由電流密度－電壓(J－V)曲線描述。二極管等效模型可用于對J－V特性的建模。本文采用集總式單二極管模型，其示意圖和表達(dá)式如圖1和式(1)。

圖1 光伏電池的集總式單二極管等效電路模型Fig.1 Lumped single-diode equivalent circuit model for PV cells

式中:J為端口電流密度;V為端口電壓;Jph為光電流密度;JD為二極管支路電流密度，即式(1)右端第2項(xiàng);Jsat為二極管飽和電流密度;n為二極管理想因子;Rs為等效串聯(lián)電阻;Jsh為并聯(lián)電阻支路電流，即式(1)右端第3項(xiàng);Rsh為等效并聯(lián)電阻;T為溫度;q為電子電量;k為玻爾茲曼常數(shù)。

1.2 環(huán)境條件對電能輸出的影響

光伏電池的工作環(huán)境主要考慮輻射照度(irradiance，用G表示)和溫度。對應(yīng)式(1)，前者體現(xiàn)在Jph參數(shù)上;后者體現(xiàn)在Jsat和T參數(shù)上。JV特性的標(biāo)準(zhǔn)測試條件 (STC)為G=1 000 W/m2、T=25℃及AM1.5(大氣質(zhì)量因數(shù))［2］。光伏電池的標(biāo)稱指標(biāo)多采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

G可由分光照度 (spectral irradiance，SI)計(jì)算得出，見式(2):

式中:λ為光波長;s(λ)為SI。

二極管等效電路建模中，可近似認(rèn)為Jph與G具有正比關(guān)系:

式中:G0，Jph0為已知光照 －光電流數(shù)據(jù)，如 STC下，G0=1 000 W/m2，Jph0可由標(biāo)稱 JSC0近似［3］。

若更嚴(yán)格地考慮光伏電池對各波長光子的利用效率，可使用光譜響應(yīng) (spectral response，SR)描述［4］。由G和SR計(jì)算Jph或JSC的方法見式(4):

式中:SR(λ)為電池的SR;A為光伏電池的有效面積。

溫度影響主要反映在等效二極管特性上。除式(1)中的指數(shù)項(xiàng)外，Jsat受T影響的情況由式(5)給出［4］:

式中:B為與溫度無關(guān)的常數(shù);γ為與材料特性有關(guān)的修正系數(shù);Eg0為絕對0度時(shí)的材料能隙。

文獻(xiàn)［5］結(jié)合式(1)對溫度對J－V特性中各項(xiàng)指標(biāo)的影響進(jìn)行推導(dǎo)，并以圖表形式給出了功率－電壓 (P－V)曲線受光照和溫度變化影響的趨勢。

2 水下光學(xué)條件

光伏電池的電能輸出對環(huán)境條件較敏感。水下環(huán)境中較低的日光透射率 (即較弱的光照強(qiáng)度)、較窄的光譜寬度以及溫度和鹽度等環(huán)境條件都可能成為限制光伏電池效能的因素。結(jié)合所收集文獻(xiàn)中的應(yīng)用狀況，本文中的水下環(huán)境指淺水環(huán)境 (0～30 m)，這一深度范圍內(nèi)溫度－深度變化差異較小，故不展開討論溫度條件的影響。在海洋環(huán)境中，鹽度是表征海水特性的重要指標(biāo)，而Wang等［6］的研究表明，海水鹽度對日光透射無顯著影響。因此本文僅將光學(xué)條件作為主要因素進(jìn)行討論。

根據(jù) Muaddi和 Jamal［7－8］對水下日光光譜與深度的關(guān)系進(jìn)行研究，并給出了一種數(shù)值計(jì)算模型。研究表明，光照強(qiáng)度隨深度增加呈指數(shù)關(guān)系衰減。對于波長為λ的單色光，式(6)可表示光照強(qiáng)度隨水深的變化衰減的情況。

式中:I(x)為深度x處的照度;I0為水面處的照度;u(λ)為水體的消光系數(shù)。

對于完整光譜，輻照度G(x)可由式(7)表示。對于海洋環(huán)境，海平面處SI通常由AM1.5條件描述［9］。

考慮水面反射［10］，式(7)可擴(kuò)展為式(8)的形式。

式中r(λ)為水面反射系數(shù)。

Jenkins，Tina 和 Rosa － Clot等［9，11－12］的研究均驗(yàn)證了這一模型的合理性。Steward在文獻(xiàn)［13］中對日光在各類水質(zhì)中的透射情況進(jìn)行了更詳細(xì)的闡釋。圖2顯示了日光在水下環(huán)境中衰減的趨勢。圖2(a)根據(jù)文獻(xiàn)［13］重繪;圖2(b)根據(jù)文獻(xiàn)［9］重繪。

圖中，I～I(xiàn)II分別為依據(jù)Jerlov分類法確定的潔凈遠(yuǎn)洋海水、熱帶海水和中緯度海水三類水體;1～5代表渾濁程度依次上升的沿岸海水樣本。結(jié)果顯示各類水質(zhì)的透射系數(shù)差異較大。遠(yuǎn)海水域水體清澈，對400 nm以下波段光的透射能力明顯強(qiáng)于近海水域。結(jié)合式(6)中的指數(shù)關(guān)系并參照圖2(b)的示例 (Ⅲ類水質(zhì))可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水深大于2 m后，700 nm以上波段的絕大部分光被吸收。水深大于20 m后，有效譜段僅剩余400～600 nm范圍。該特性在文獻(xiàn) ［11］中也有討論。Jenkins等［9］在11.5 m深度測得約50 W/m2的輻照強(qiáng)度。這一強(qiáng)度僅為海面處強(qiáng)度的5%，但對于光伏電池仍處于有效強(qiáng)度范圍。作為例證，Jenkins等指出美國Juno木星探測器裝備的光伏陣列工作在約54 W/m2的輻照強(qiáng)度下，仍能輸出足夠的電能供系統(tǒng)使用［9］。

圖2 日光在水下環(huán)境中的衰減趨勢Fig.2 Figures show the attenuation of sunlight underwater

3 光伏技術(shù)水下應(yīng)用情況

從收集的文獻(xiàn)情況來看，光伏技術(shù)的水下應(yīng)用可分為以下幾類:1)常規(guī)光伏電池的浸入式應(yīng)用:這類應(yīng)用針對陸基光伏陣列易受環(huán)境變化影響的問題而提出，通過適當(dāng)配置水下環(huán)境，可提供穩(wěn)定的光照和溫度條件，對電池輸出進(jìn)行優(yōu)化;2)針對水下應(yīng)用的專用電池能效研究:通過將電池SR和水下SI的匹配，使電池的輸出在一定深度下仍能夠滿足設(shè)備的用電需求;3)水下自主航行器應(yīng)用:采用光伏電池和適當(dāng)?shù)呢?fù)載優(yōu)化技術(shù)，提供滿足自主航行器長航時(shí)需求的電源設(shè)計(jì)方案。

3.1 常規(guī)光伏電池水下應(yīng)用

在常規(guī)陸基應(yīng)用中，光伏陣列的輸出常受光線遮擋 (如灰塵、污染等因素)或反射的影響產(chǎn)生衰減。根據(jù)Asl－Soleimani等［14］的研究，由遮擋 (如污染的長期累積)引起的電能損失可高達(dá)60%。Krauter［15］指出，日光被光伏電池面板反射引起的電能輸出損失可達(dá)到8%～15%甚至更高。此外，高溫環(huán)境也對光伏陣列的運(yùn)行效率有負(fù)面影響。適當(dāng)配置水下工作環(huán)境 (如水幕、湖泊、和人工水池等)可在一定程度上消除上述負(fù)面因素。Lanzafame等人［16］通過光學(xué)和熱學(xué)建模和仿真，做出定性結(jié)論，認(rèn)為浸入式水下環(huán)境的引入:1)可以控制光伏組件的工作溫度 (減少熱漂移影響);2)可以在一定程度上減小日光反射影響;3)必然導(dǎo)致日光入射強(qiáng)度衰減。

Krauter［15］報(bào)告了1999年3月21日在里約熱內(nèi)盧 (約北緯23°)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。Krauter在試驗(yàn)組單晶硅 (mc－Si)電池組件的玻璃面板上施加約1mm厚度的流動水幕，對照組為未做處理的同型號電池組件。水幕使面板免受污染，介于玻璃和空氣之間的折射率使日光的反射減少2%～3.6%，并且使試驗(yàn)組組件工作溫度相比對照組下降最高達(dá)22℃ (正午12時(shí))。在9～14時(shí)之間，試驗(yàn)組電池轉(zhuǎn)換效率高于對照組1.5%～2%。試驗(yàn)組全天電能輸出提高10.3%?？紤]制造水幕的電能開銷，增長仍可達(dá)到8%～9%。然而報(bào)告中對水幕的厚度的影響未展開研究，僅提出水幕的不均勻 (如波紋)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)際輸出略低于理論值。該研究中也未涉及對不同種類電池、地理因素、長期氣候條件等因素的分析。

Lanzafame等［16］討論了2008年4－10月分別在比薩 (北緯43.6°)和卡塔尼亞 (北緯38.0°)兩處進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用20 Wp小型mc－Si電池組件，在人造水池和人工玻璃水箱中1～15 cm深度采集數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，置于水下環(huán)境的組件比未做處理的對照組，電能輸出增加10%～15%。Lanzafame等指出電能輸出增加幅度與深度有關(guān)，但并未進(jìn)行量化，僅報(bào)告了其變化趨勢與仿真結(jié)果相符。Lanzafame等也指出，水下環(huán)境對組件輸出的提升程度與時(shí)間、地理、大氣、電池材料等因素都有直接關(guān)系，并提出開展更長期 (1年以上)的系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［11－12］也報(bào)告了相似的實(shí)驗(yàn)，結(jié)論與文獻(xiàn)［16］相符。

Wang等［17］報(bào)告了未封裝的硅基聚光電池浸入不同種類液體中的輸出變化。該研究旨在評估6種液體 (包括極化的乙醇和甘油、非極化的苯和硅油，以及蒸餾水和普通自來水)作為聚光電池冷卻介質(zhì)的可行性。電池樣品分別置于3 mm，6 mm和9 mm的深度，用于研究深度對輸出的影響。光源為強(qiáng)度為999 W/m2的碘鎢燈。研究發(fā)現(xiàn)，液體中可極化的離子和分子會在電池正反表面形成與電場，方向與內(nèi)建電場相同，有抑制表面復(fù)合的作用;但同時(shí)也導(dǎo)致Rsh的下降，產(chǎn)生漏電流。結(jié)果表明非極化的硅油在減少入射光反射和提高轉(zhuǎn)換效率的綜合效果最佳。此外，加速老化實(shí)驗(yàn)顯示，硅油具有良好的穩(wěn)定性，適合使用在電池的封裝工藝中。研究還指出，由于液體深度對入射光的反射和透射有相反作用，因此目前尚無實(shí)現(xiàn)深度最優(yōu)化的通用方法。

3.2 水下專用光伏電池技術(shù)研究

3.1節(jié)的內(nèi)容表明，適當(dāng)引入水幕或淺水 (小于15 cm)環(huán)境可提高陸基光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和輸出能力。而專用水下系統(tǒng)的工作深度通?？蛇_(dá)數(shù)米至數(shù)十米以下，這對光伏電源系統(tǒng)的效能提出了更高要求。

Stachiw發(fā)表的文獻(xiàn)［18］是目前可知的最早關(guān)于專用于水下系統(tǒng)的光伏技術(shù)研究報(bào)告。報(bào)告中提出光伏電池可用作淺海海底設(shè)施、浮標(biāo)和遙控?zé)o人水下航行器的臨時(shí)或永久電源。報(bào)告分析了0.76～28.96 m(2.5～95 ft)深度范圍內(nèi)水平放置的光伏電池的輸出數(shù)據(jù)，并與水面以上的對照組進(jìn)行比對。結(jié)果顯示，處于28.96 m深度 (注:該水域的視覺對比極限深度，由12 ft塞齊透明JP?度盤測定)的光伏電池產(chǎn)生的電能為對照組的5%～10%。該報(bào)告提出了簡要的結(jié)論:位于視覺對比極限深度以上的水下設(shè)備，使用光伏電池作為電源具有可行性。

Jenkins等［19］首次提出，選用高能隙光伏電池進(jìn)行SR和水下SI的匹配，優(yōu)化電池的轉(zhuǎn)換效率，并在后續(xù)發(fā)表的文獻(xiàn)［9］中對研究內(nèi)容進(jìn)行了完善。Jenkins等選用單結(jié)磷化鎵銦 (GaInP)電池作為樣本，并使用mc－Si電池作為對照。GaInP電池具有約1.75 eV的能隙 (對應(yīng)光子波長709 nm)，在400～700 nm波段具有較高的量子效率，與水下SI相匹配 (見圖2(b))。此外，GaInP電池暗電流較小，有利于在低光照強(qiáng)度下提高電壓和轉(zhuǎn)換效率。海洋環(huán)境 (Jerlov－Ⅲ類水質(zhì))測試結(jié)果顯示，GaInP電池在9.1 m水深處可以收獲7 W/m2電能，仍足以驅(qū)動水下傳感器一類電子設(shè)備。SR與SI匹配效果顯著。在9.1 m水深處，mc－Si樣本與水面環(huán)境相比有高達(dá)28%的工作電壓損失;而GaInP樣品的電壓損失僅有10%。這一研究對水下設(shè)備電源方案的選取和光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有參考意義。

3.3 水下航行器應(yīng)用

水下航行器，特別是自主無人航行器，可應(yīng)用于中長期水下預(yù)警、目標(biāo)偵測、水文和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等多種軍用和民用用途，正在成為海洋工程技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一。電力推進(jìn)技術(shù)在小型水下航行器中有廣泛應(yīng)用［5］。但長航時(shí)的實(shí)現(xiàn)要求高效、穩(wěn)定、可靠且經(jīng)濟(jì)的電源作為保障，目前的電力推進(jìn)技術(shù)在這一點(diǎn)上都存在明顯不足。光伏電池較長的使用壽命和較低的成本使其成為潛在的電源 (或補(bǔ)充電源)方案。而在水下環(huán)境，如何高效利用有限的光能是重要課題。

Joshi等［10］報(bào)告了使用無定形硅 (a－Si)薄膜光伏電池作為水母形仿生自主航行器 (AJV)電源的實(shí)驗(yàn)情況。柔性光伏材料能夠較好地適應(yīng)航行器的幾何外形并緊密貼合航行器表面。A－Si電池的有效SR譜段在300～800 nm范圍［20］，基本覆蓋了1 m水深以下的 SI譜段 (參考圖 2)。Joshi等在Muaddi［7］報(bào)告的 SI－深度關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，對0～100 m深度的SI進(jìn)行仿真，并提出了一套評估水下光能采集能力的通用模型。除SI外，該模型還考慮了AJV的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動角度，使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際工況。這一成果可為各類水下航行器光伏電源系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)提供參考。

王家軍［21－22］和張謀等［5］在無人水下航行器光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)上開展研究。文獻(xiàn)［5］指出，在光伏電池向蓄電池充電過程中，采用MPPT技術(shù)可有效減少電能的浪費(fèi)。文中提出了采用變步長擾動觀察法實(shí)現(xiàn)MPPT，并給出了軟件實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)［21］中提出了一種變步長擾動控制策略，通過仿真驗(yàn)證了方法的合理性。文獻(xiàn)［22］中進(jìn)一步提出了一種基于改進(jìn)擾動控制法的均衡充電電路的設(shè)計(jì)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

4 結(jié)論與發(fā)展趨勢探討

水下環(huán)境SI和深度的關(guān)系模型［式(6)～式(8)］表明，日光強(qiáng)度在水中呈指數(shù)衰減。因此，達(dá)到一定深度后，輻照強(qiáng)度將不足以支持光伏電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行。精確計(jì)算某指定水下坐標(biāo)的光學(xué)特征需考慮水質(zhì)、水面光照強(qiáng)度、光線入射角度等多種因素，目前尚無通用模型。但根據(jù)文獻(xiàn)中報(bào)告的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，采用式(6)～式(8)近似水下SI特性是可行的。而對電能輸出能力的評估，除SI外，還需考慮光伏電池的SR特性。SI和SR的匹配可優(yōu)化光伏系統(tǒng)的輸出能效。

文獻(xiàn)中涉及的三類研究方向技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同。將薄水幕或淺水環(huán)境引入光伏系統(tǒng)，可減少反射、減少熱漂移和優(yōu)化SI，并可期獲得高于同型陸基系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和能量輸出。有研究指出，硅油在輸出能效試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)中均有較好的表現(xiàn)，適合作為浸入式應(yīng)用的液體介質(zhì)。當(dāng)應(yīng)用深度增加時(shí)，SI衰減明顯。實(shí)驗(yàn)表明使用高能隙GaInP電池進(jìn)行SR與SI的匹配有助于充分利用有限的光能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示GaInP電池在9.1 m水深處可以收獲7 W/m2電能，仍足以驅(qū)動水下傳感器一類電子設(shè)備。相比于靜態(tài)應(yīng)用，光伏驅(qū)動的水下自主航行器在光能采集過程中還需考慮載體的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方向等因素。文獻(xiàn)中報(bào)告的一種通用光能采集能力評估模型和有關(guān)MPPT技術(shù)的研究可為各類水下航行器光伏電源系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)提供參考。

通過本文的回顧可發(fā)現(xiàn)，水下光伏技術(shù)的可行性為解決水下應(yīng)用中的供電瓶頸問題提供了新思路。光伏電池的較長壽命可支持水下設(shè)備實(shí)現(xiàn)長期自主工作。這一特性適用于工作于淺水 (以低于視覺對比極限深度為粗略判斷標(biāo)準(zhǔn))的自主航行器和水下傳感器網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備和設(shè)施。更高效光伏電池的研發(fā)可期提高光伏電源系統(tǒng)的工作深度。但受制于光強(qiáng)的指數(shù)衰減，光伏電源系統(tǒng)仍難以為深潛設(shè)備或設(shè)施提供持續(xù)有效的電能，故有必要控制深潛設(shè)備定期上浮，為電源系統(tǒng)中諸如鋰電池等儲能設(shè)備充電，或?qū)⒐夥娫醋鳛檠a(bǔ)充與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)集成。此外不容忽視的是，光伏系統(tǒng)在長期運(yùn)行中或長期處于海洋高鹽度環(huán)境中出現(xiàn)的衰退 (degradation)現(xiàn)象增加了系統(tǒng)輸出的不確定性。在評估系統(tǒng)能效時(shí)，建議應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行中長期電能采集能力的預(yù)測分析，以考查光伏電源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

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