柯金丁 張海峰 袁鎵騰 張青松

摘 ? ?要： 隨著不可再生能源的無限利用及環(huán)境污染問題的日益突出，新型環(huán)保的可再生能源必將成為未來人類社會發(fā)展的主要能源。太陽能作為一種新型的可再生能源在各行各業(yè)都有廣泛應用，歐美一些發(fā)達國家將太陽能作為海上交通工具的動力及輔助設備能源加以研究并取得初步的成功，研制出小型的太陽能船舶。因此，應研究一種太陽能救生艇，利用太陽能作為救生艇的輔助推進動力、改善救生艇的救生條件，從而提高救生艇的救生效率。太陽能在救生艇上的應用尚需解決許多關鍵問題，如太陽能電池板的安裝、蓄電池的充放電控制、系統(tǒng)運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性等，本文就太陽能在救生艇上的應用的關鍵問題進行初步探討研究。

關鍵詞： 太陽能 ? ?救生艇 ? ?光伏系統(tǒng)

1.太陽能在海上的應用現(xiàn)狀

1985年美國的德克薩斯州的Sun Smith公司推出了一種太陽能充電裝置，可供車輛和船舶的蓄電池充電。之后，多個國家的企業(yè)和研究機構都成功制作了小型太陽能驅動的模型船。上世紀80年代，日本松下電器產業(yè)股份有限公司研發(fā)了一艘太陽能小艇，好天氣時在太平洋上航行，一天可發(fā)出7千瓦時電力。2000年，隨著世界第一艘商用太陽能/風能混合動力的SOLAR SAILOR號（圖1）雙體客船在澳大利亞悉尼水域試航成功，標志著可再生能源在船上的應用進入了一個新的里程。該船的8片可調控翼帆覆蓋著太陽能發(fā)電裝置，還用做風帆，船長約21米，可搭載100人左右。澳大利亞的企業(yè)和研究機構近年又提出雄心勃勃的太陽能船舶研究計劃，建立太陽能、風能、燃料電池和燃油混合動力的多體船，計劃在近幾年內實現(xiàn)環(huán)球航行。

圖1 ? ?澳大利亞的SOLARSAILOR號

除澳大利亞外，其他國家如美國、英國、德國和瑞士等非常重視太陽能船舶和混合動力船舶的開發(fā)和研究，都研制了不少太陽能游艇，并提出了相應的研究計劃，計劃將太陽能、風能等新能源技術應用在大型船舶上。2007年5月8日，經(jīng)過5個多月的航行，瑞士的全太陽能動力船“太陽21號”（圖2）完成了橫渡大西洋之旅，成為世界上第一艘完全以太陽能為動力橫跨大西洋的船只。

圖2 ? ?瑞士的“太陽21號”

在國內，中國船舶及海洋工程設計研究院、中國船舶科學研究中心及上海大學等科研院所、高校也在開展或者關注太陽能等可再生能源動力船舶的研制，并建造出一些太陽能動力小艇。

2.太陽能救生艇的設計思路

2.1太陽能救生艇的提出

救生艇是一種具有一定浮力、強度、航速，在承載額定乘員的同時，還配備有一定的屬具備品，并在惡劣天氣下航行或漂流的剛性小艇，是海船非常重要的救生工具。當海難事故發(fā)生時，船上人員可以借助救生艇迅速脫離難船，利用救生艇進行海上求生活動，以最大限度保證旅客和船員的生命安全。目前海船上配備的救生艇都是采用壓燃式四沖程柴油機作為推進動力，柴油機通過齒輪減速箱控制艇的進車、倒車、停車，經(jīng)過尾軸傳遞到螺旋槳，使其正反旋轉，實現(xiàn)使艇前進、后退或減速。但是該種救生艇配備的柴油只能維持救生艇持續(xù)航行24小時，當燃料用完后，救生艇就失去自航能力，只能靠人力航行，給海上求生活動造成巨大的威脅。因此，太陽能救生艇是一種以太陽能為輔助動力，旨在提高救生艇的續(xù)航能力和改善救生艇的救生條件，從而提高救生艇的救生效率。

2.2太陽能光伏系統(tǒng)

太陽能救生艇的核心是太陽能光伏系統(tǒng)，是一種將太陽能轉變成電能的系統(tǒng)，包括太陽能電池板、控制器、逆變器、蓄電池組、電動機（交流負載）等。該系統(tǒng)各部分作用如下：

2.2.1太陽能電池板：是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其作用是將太陽能直接轉換成電能，供負載使用或儲存于蓄電池內備用。

2.2.2控制器：是對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行控制的設備，是確保整個系統(tǒng)正常運行的控制核心。最主要作用是根據(jù)光照的強弱和負載的需求，自動控制蓄電池的最佳充放電方式和時機，保證負載能夠持續(xù)、平穩(wěn)地獲得所需的電能。此外，還可以顯示整個系統(tǒng)各個單元的運行狀態(tài)和參數(shù)，對系統(tǒng)發(fā)生故障進行指示和診斷，保護系統(tǒng)各個設備。

2.2.3逆變器：將太陽能電池板產生的直流電轉換成負載所需的交流電。

2.2.4蓄電池組：是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能部件，采用酸鉛蓄電池。它的作用是將太陽能電池板產生的直流電直接儲存起來，隨時向負載提供。當光照較強，太陽能電池板產生的電能大于負載所需時，太陽能電池板除了對負載供電，還對蓄電池充電，將多余的電能儲存在蓄電池內備用;當光照較弱，電池板產生的電能小于負載所需時，蓄電池開始放電，并向負載供應所需電能。

2.2.5電動機：即所述的負載，是系統(tǒng)的動力部件。電動機獲得所需能量后運轉，帶動螺旋槳轉動，產生動力。

2.3太陽能光伏系統(tǒng)的工作原理

太陽能光伏系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，在有光照的白天，太陽能電池板將太陽能轉換成直流形式的電能，在控制器的控制下，一部分電能經(jīng)過逆變器轉換，直流電被轉換成負載所需的交流電，該交流電可直接向交流負載（電動機）供應使其獲得動力，電動機產生動力轉動從而帶動螺旋槳一起轉動;另一部分電能直接儲存于蓄電池組，在夜間或者白天光照不足的情況下，蓄電池開始放電，并經(jīng)過逆變器轉換，放出的直流電被轉換成交流電，繼續(xù)供負載（電動機）使用，從而產生動力帶動螺旋槳轉動。

圖3 ? ?太陽能光伏系統(tǒng)原理圖

而整個系統(tǒng)要連續(xù)、自動、穩(wěn)定地運行，控制器起著不可或缺的作用，控制器是整個太陽能光伏系統(tǒng)的核心。它將系統(tǒng)的各個元件串聯(lián)起來，保證各個元件能夠正常工作。一方面，控制器要計算負載運行所需的功率，從而控制太陽能電池板的最大輸出功率，以滿足負載的需求。另一方面，它要控制蓄電池組的最佳充放電時機，以保證負載在各種天氣條件下都能夠獲得足夠的功率，從而保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

3.太陽能救生艇關鍵性技術研究分析

目前，關于太陽能救生艇的研究僅停留在理論階段，要將太陽能救生艇應用于實踐，研制出一種太陽能救生艇，還有待進一步論證研究。要將理論研究應用于實踐，關鍵在于解決幾大關鍵性技術問題。比如，太陽能電池板的安裝問題、蓄電池的選擇問題、充放電的自動控制問題、系統(tǒng)運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性問題等。

3.1太陽能電池板的安裝

太陽能電池板的安裝問題是首先要考慮的問題，因為太陽能電池板是整個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎，它能否最優(yōu)化安裝，關系到太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)能否產生足夠的電能。關于太陽能電池板的安裝，我們首要考慮它的發(fā)電效率問題。救生艇的外表面積本來就相對較小，能夠安裝太陽能電池板的空間相對有限，因此在安裝太陽能電池板時，我們基于兩點考慮：一是安裝在救生艇上的太陽能電池板要足夠牢固，經(jīng)得起海上大風浪的抗擊;二是產生足夠的電能，尤其是在光照強度不高的情況下，如何產生足夠的電能。

因此，為了解決上述問題，我們提出這樣的方案：為了使電池板的受光面積盡可能大，我們在安裝太陽能電池板時，采用可折疊式翼形太陽能電池板，這種電池板可以調整受光面積和受光角度，以便最大限度地利用太陽能。在天氣晴朗的情況下，太陽能電池板可以展開到最大受光面積，有效利用光能，在風浪較大的情況下，考慮到它的牢固，可以適當折疊太陽能電池板，通過調整它的光照角度實現(xiàn)最大限度地利用光能。另外，為了提高太陽能光電轉換效率，我們采用聚透鏡提高受光強度，從而實現(xiàn)弱光高效發(fā)電的目標，其技術方案包括太陽能電池板和覆蓋在太陽能電池板受光面上的微棱透鏡板。微棱透鏡板由多個凸透鏡緊密排列而成，利用凸透鏡將照射到太陽能電池板的平行太陽光聚集成多個亮度更高的光束，能提高光電轉換效率和光照強度較弱時太陽能電池板的輸出電壓，使太陽能電池板在弱光時也可以正常供電。

3.2蓄電池的選擇

蓄電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能部件，它的作用是將太陽能電池板產生的直流電直接儲存起來，隨時向負載提供。當光照較強，太陽能電池板產生的電能大于負載所需時，太陽能電池板除了對負載供電，還對蓄電池充電，將多余的電能儲存在蓄電池內備用;當光照較弱，電池板產生的電能小于負載所需時，蓄電池開始放電，并向負載供應所需電能。因此蓄電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的元件之一，選擇一種性能優(yōu)良、使用壽命長、價格相對便宜的蓄電池尤其重要。目前，太陽能光伏系統(tǒng)中常應用的蓄電池主要有傳統(tǒng)開口鉛酸蓄電池、閥控式密封鉛酸蓄電池和鉻鎳蓄電池三種，根據(jù)三種蓄電池的特性及價格等綜合因素考慮，閥控式密封鉛酸蓄電池是目前用蓄電池儲能的最佳選擇。

3.3充放電的自動控制

選擇一種最佳蓄電池后，接下來要解決的關鍵問題是，如何實現(xiàn)蓄電池充電與放電的自動控制，這就涉及太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一個重要元件——控制器。它是對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行控制的設備，是確保整個系統(tǒng)正常運行的控制核心。最主要作用是根據(jù)光照的強弱和負載的需求，自動控制蓄電池的最佳充放電方式和時機，保證負載能夠持續(xù)、平穩(wěn)地獲得所需的電能。除此之外，它還應該具有以下功能，以保證系統(tǒng)正常連續(xù)地運行。

3.3.1信號檢測。檢測光伏系統(tǒng)中各種裝置和各個單元的狀態(tài)和參數(shù)，為對系統(tǒng)進行判斷、控制、保護等提供依據(jù)。

3.3.2最優(yōu)充電控制。控制器根據(jù)當前太陽能資源狀況和蓄電池荷電狀態(tài)，確定最佳充電方式，以實現(xiàn)高效、快速地充電，并充分考慮充電方式對蓄電池壽命的影響。

3.3.3設備保護。光伏系統(tǒng)連接的用電設備在有些情況下需要由控制器提供保護，如系統(tǒng)中逆變器電路故障而出現(xiàn)的過壓和負載短路而出現(xiàn)的過流等，如不及時加以控制，就有可能導致光伏系統(tǒng)或用電設備損壞。

3.3.4故障診斷定位。當光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時，可自動檢測故障類型、指示故障位置，為系統(tǒng)檢測維修提供方便。

3.3.5運行狀態(tài)指示。通過指示燈、顯示屏等方式指示光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

3.4系統(tǒng)運行穩(wěn)定性

這里所指的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性包含兩方面：一是在內部環(huán)境下運行穩(wěn)定;二是在外部環(huán)境下運行穩(wěn)定。內部環(huán)境下運行的穩(wěn)定性，指太陽能光伏系統(tǒng)的各個設備要正常運行，從而保證系統(tǒng)正常有序地運行，尤其是保證系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需要自動充放電，以滿足負載的要求。在保證內部環(huán)境下運行穩(wěn)定性方面，控制器起著核心作用。關于控制器的作用前面已經(jīng)論述過。外部環(huán)境下運行的穩(wěn)定性，指整個系統(tǒng)安裝在救生艇后，要在海上變化多樣的環(huán)境下正常運行，不僅要在風和日麗的良好氣候下運行，而且要在狂風暴雨等不良氣候下運行。由全國光伏能源系統(tǒng)標準技術委員會提出并由寧波太陽能電源廠、交通部標準研究所負責起草的《中華人民共和國國家標準——海上用太陽電池組件總規(guī)范》對于平板型海上硅太陽電池組件的技術要求、試驗方法和檢測規(guī)范等均有明確的要求，其中包括溫度交變、振動沖擊、冰雹沖擊、鹽霧腐蝕等環(huán)境下具體試驗驗證程序規(guī)范。因此，在海洋氣候環(huán)境下，光伏系統(tǒng)要特別考慮使用防風雨及抗鹽霧的保護裝置，從而保證系統(tǒng)在外部環(huán)境條件下正常運行。

4.結語

太陽能作為一種新型、環(huán)保、可再生能源，在各個領域有廣闊的應用。在節(jié)約資源和環(huán)境保護的雙重制約下，太陽能已經(jīng)初步應用于海上交通運輸工具，隨著太陽能技術越來越成熟，其應用將更廣泛。因此，只要解決太陽能在救生艇應用中的幾個關鍵技術難題，太陽能救生艇的問世將成為可能。

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