吳笑風，文蓋雄

(中國船舶重工集團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發(fā)揮日益重要的作用。光伏技術 (PV)是可再生能源技術中的重要組成部分。光伏技術的應用場景日趨多樣，除了涵蓋陸基光伏電站、航天器光伏帆板等傳統(tǒng)領域，已經開始向海洋擴展。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)絡為代表的水下設備和設施成為新的研究熱點。這類水下設備和設施可應用于中長期水下預警、目標偵測、水文和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等用途，在軍用和民用領域均可發(fā)揮重要作用。

水下設備的長期自主運行需要高效、穩(wěn)定、可靠且經濟的電源作為保障。目前的電能驅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 (或補充電源)方案。然而光伏電池的光電轉換效率對環(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，引入專用的設計和優(yōu)化手段，以應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模型和水下環(huán)境的光學模型分析水下環(huán)境對光伏電池電能輸出的影響，并對國內外光伏技術水下應用的最新進展進行討論，旨在探究光伏技術在水下裝備中應用的可行性和發(fā)展趨勢。

1 光伏電池

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

1.1 電子學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;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;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特性的標準測試條件 (STC)為G=1 000 W/m2、T=25℃及AM1.5(大氣質量因數(shù))［2］。光伏電池的標稱指標多采用該標準進行測定。

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

式中:λ為光波長;s(λ)為SI。

二極管等效電路建模中，可近似認為Jph與G具有正比關系:

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可由標稱 JSC0近似［3］。

若更嚴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 (spectral response，SR)描述［4］。由G和SR計算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)項外，Jsat受T影響的情況由式(5)給出［4］:

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

文獻［5］結合式(1)對溫度對J－V特性中各項指標的影響進行推導，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。結合所收集文獻中的應用狀況，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，而Wang等［6］的研究表明，海水鹽度對日光透射無顯著影響。因此本文僅將光學條件作為主要因素進行討論。

根據(jù) Muaddi和 Jamal［7－8］對水下日光光譜與深度的關系進行研究，并給出了一種數(shù)值計算模型。研究表明，光照強度隨深度增加呈指數(shù)關系衰減。對于波長為λ的單色光，式(6)可表示光照強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］的研究均驗證了這一模型的合理性。Steward在文獻［13］中對日光在各類水質中的透射情況進行了更詳細的闡釋。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［13］重繪;圖2(b)根據(jù)文獻［9］重繪。

圖中，I～III分別為依據(jù)Jerlov分類法確定的潔凈遠洋海水、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。結果顯示各類水質的透射系數(shù)差異較大。遠海水域水體清澈，對400 nm以下波段光的透射能力明顯強于近海水域。結合式(6)中的指數(shù)關系并參照圖2(b)的示例 (Ⅲ類水質)可發(fā)現(xiàn)，當水深大于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 ［11］中也有討論。Jenkins等［9］在11.5 m深度測得約50 W/m2的輻照強度。這一強度僅為海面處強度的5%，但對于光伏電池仍處于有效強度范圍。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 光伏技術水下應用情況

從收集的文獻情況來看，光伏技術的水下應用可分為以下幾類:1)常規(guī)光伏電池的浸入式應用:這類應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，對電池輸出進行優(yōu)化;2)針對水下應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備的用電需求;3)水下自主航行器應用:采用光伏電池和適當?shù)呢撦d優(yōu)化技術，提供滿足自主航行器長航時需求的電源設計方案。

3.1 常規(guī)光伏電池水下應用

在常規(guī)陸基應用中，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到8%～15%甚至更高。此外，高溫環(huán)境也對光伏陣列的運行效率有負面影響。適當配置水下工作環(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面因素。Lanzafame等人［16］通過光學和熱學建模和仿真，做出定性結論，認為浸入式水下環(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)必然導致日光入射強度衰減。

Krauter［15］報告了1999年3月21日在里約熱內盧 (約北緯23°)進行的實驗。Krauter在試驗組單晶硅 (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%，并且使試驗組組件工作溫度相比對照組下降最高達22℃ (正午12時)。在9～14時之間，試驗組電池轉換效率高于對照組1.5%～2%。試驗組全天電能輸出提高10.3%?？紤]制造水幕的電能開銷，增長仍可達到8%～9%。然而報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)可能導致系統(tǒng)的實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°)兩處進行的實驗。實驗使用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，但并未進行量化，僅報告了其變化趨勢與仿真結果相符。Lanzafame等也指出，水下環(huán)境對組件輸出的提升程度與時間、地理、大氣、電池材料等因素都有直接關系，并提出開展更長期 (1年以上)的系列實驗進行研究。文獻［11－12］也報告了相似的實驗，結論與文獻［16］相符。

Wang等［17］報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，方向與內建電場相同，有抑制表面復合的作用;但同時也導致Rsh的下降，產生漏電流。結果表明非極化的硅油在減少入射光反射和提高轉換效率的綜合效果最佳。此外，加速老化實驗顯示，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研究

3.1節(jié)的內容表明，適當引入水幕或淺水 (小于15 cm)環(huán)境可提高陸基光伏電池的轉換效率和輸出能力。而專用水下系統(tǒng)的工作深度通?？蛇_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［18］是目前可知的最早關于專用于水下系統(tǒng)的光伏技術研究報告。報告中提出光伏電池可用作淺海海底設施、浮標和遙控無人水下航行器的臨時或永久電源。報告分析了0.76～28.96 m(2.5～95 ft)深度范圍內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行比對。結果顯示，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)的光伏電池產生的電能為對照組的5%～10%。該報告提出了簡要的結論:位于視覺對比極限深度以上的水下設備，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行SR和水下SI的匹配，優(yōu)化電池的轉換效率，并在后續(xù)發(fā)表的文獻［9］中對研究內容進行了完善。Jenkins等選用單結磷化鎵銦 (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，有利于在低光照強度下提高電壓和轉換效率。海洋環(huán)境 (Jerlov－Ⅲ類水質)測試結果顯示，GaInP電池在9.1 m水深處可以收獲7 W/m2電能，仍足以驅動水下傳感器一類電子設備。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%。這一研究對水下設備電源方案的選取和光伏電源系統(tǒng)設計方法具有參考意義。

3.3 水下航行器應用

水下航行器，特別是自主無人航行器，可應用于中長期水下預警、目標偵測、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領域的發(fā)展熱點之一。電力推進技術在小型水下航行器中有廣泛應用［5］。但長航時的實現(xiàn)要求高效、穩(wěn)定、可靠且經濟的電源作為保障，目前的電力推進技術在這一點上都存在明顯不足。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)電源的實驗情況。柔性光伏材料能夠較好地適應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］報告的 SI－深度關系模型的基礎上，對0～100 m深度的SI進行仿真，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的幾何結構和運動角度，使計算結果更符合實際工況。這一成果可為各類水下航行器光伏電源系統(tǒng)分析和設計提供參考。

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)設計和最大功率點跟蹤(MPPT)技術上開展研究。文獻［5］指出，在光伏電池向蓄電池充電過程中，采用MPPT技術可有效減少電能的浪費。文中提出了采用變步長擾動觀察法實現(xiàn)MPPT，并給出了軟件實現(xiàn)方法。文獻［21］中提出了一種變步長擾動控制策略，通過仿真驗證了方法的合理性。文獻［22］中進一步提出了一種基于改進擾動控制法的均衡充電電路的設計方案，并通過實驗驗證了該方案的可行性。

4 結論與發(fā)展趨勢探討

水下環(huán)境SI和深度的關系模型［式(6)～式(8)］表明，日光強度在水中呈指數(shù)衰減。因此，達到一定深度后，輻照強度將不足以支持光伏電源系統(tǒng)的正常運行。精確計算某指定水下坐標的光學特征需考慮水質、水面光照強度、光線入射角度等多種因素，目前尚無通用模型。但根據(jù)文獻中報告的實驗和仿真結果，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。

文獻中涉及的三類研究方向技術側重點不同。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)的轉換效率和能量輸出。有研究指出，硅油在輸出能效試驗和加速壽命試驗中均有較好的表現(xiàn)，適合作為浸入式應用的液體介質。當應用深度增加時，SI衰減明顯。實驗表明使用高能隙GaInP電池進行SR與SI的匹配有助于充分利用有限的光能。實驗數(shù)據(jù)顯示GaInP電池在9.1 m水深處可以收獲7 W/m2電能，仍足以驅動水下傳感器一類電子設備。相比于靜態(tài)應用，光伏驅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構和運動方向等因素。文獻中報告的一種通用光能采集能力評估模型和有關MPPT技術的研究可為各類水下航行器光伏電源系統(tǒng)分析和設計提供參考。

通過本文的回顧可發(fā)現(xiàn)，水下光伏技術的可行性為解決水下應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備實現(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準)的自主航行器和水下傳感器網(wǎng)絡等設備和設施。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。但受制于光強的指數(shù)衰減，光伏電源系統(tǒng)仍難以為深潛設備或設施提供持續(xù)有效的電能，故有必要控制深潛設備定期上浮，為電源系統(tǒng)中諸如鋰電池等儲能設備充電，或將光伏電源作為補充與傳統(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，建議應用仿真技術進行中長期電能采集能力的預測分析，以考查光伏電源系統(tǒng)的經濟性。

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