淺析以太陽能為動力的遠(yuǎn)洋貨船系統(tǒng)

徐燕銘， 滕憲斌， 葛 濤， 王冉然

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院， 天津 300350)

淺析以太陽能為動力的遠(yuǎn)洋貨船系統(tǒng)

徐燕銘， 滕憲斌， 葛 濤， 王冉然

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院， 天津 300350)

通過新能源技術(shù)，針對船舶日益嚴(yán)重的排放，建造“親環(huán)境”的船舶，以保護(hù)海洋環(huán)境，減少大氣污染。以太陽能作為能源的船舶，利用新型技術(shù)，通過合理的設(shè)計和方法，保證船舶安全航行，滿足人員需求，并提高船舶安全性和可靠性。

太陽能 遠(yuǎn)洋貨船 PMS MPPT

1 前言

世界上很多航海區(qū)域面臨著越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，減少船舶廢氣排放已經(jīng)成為保護(hù)海洋環(huán)境的重要手段，因此選用無危害的新型綠色能源已成為造船行業(yè)的首選，其中被廣泛推廣的是LNG和太陽能。在排放方面相比于LNG，太陽能可以直接做到零排放；在能源開發(fā)方面，太陽能取用也比較方便，具有更廣闊的應(yīng)用空間。

2 太陽能能源

全世界都在找尋可替代的低碳能源，而太陽能正是地球上最為豐富的能源。太陽能是由太陽輻射所產(chǎn)生的，目前在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是發(fā)電，其轉(zhuǎn)換和利用方式有太陽能的光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換以及光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種方式。

光熱轉(zhuǎn)換是指通過接受并聚集太陽輻射的能量，使之轉(zhuǎn)化為熱能，直接為我們所使用。

光電轉(zhuǎn)換是指直接將太陽光的能量儲存在電池中，從而給一些設(shè)備進(jìn)行供電，原理是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。

光化學(xué)轉(zhuǎn)換是指利用太陽能電解水、光解水及熱解水等各種化學(xué)方法來制氫，制得的氫可以用于燃料電池系統(tǒng)發(fā)電等。

對于這種新型的可再生能源，雖然已有應(yīng)用于船舶的失例，但是在遠(yuǎn)洋貨輪的使用方面還處于實(shí)驗(yàn)階段。

3 太陽能船舶簡介

目前，關(guān)于太陽能船舶可行性方案可以分為兩種。第一種是將太陽能面板直接以平板的方式安裝在船舶上，如著名船舶Turanor PlanetSolar，如圖1所示。2010年9月第一次以太陽能供電的方式完成了在世界各地的旅行，在這艘世界上最大的太陽能雙體船上，安裝有537 m2的光伏面板，用以轉(zhuǎn)換成電能，提供船舶日常的航行和人員生活需要。當(dāng)然，它還配備有巨大的鋰電池，用以在沒有太陽的時候，船舶能夠繼續(xù)航行。這種船舶的優(yōu)點(diǎn)是巨大的太陽能面板與船舶融為一體，沒有占用太多船舶以外的空間，提高了船舶的穩(wěn)性和安全性；且在船舶運(yùn)行過程中，即使海況惡劣，也不會有太大的阻力影響船舶航行。同時由于采用了太陽能發(fā)電，能顯著減少船舶在航行或者靠泊過程中產(chǎn)生的各種對海洋、大氣和人體的不良影響，這也是所有太陽能船舶共同的優(yōu)勢。當(dāng)然，這樣設(shè)計的船舶也存在著缺陷。由于所有的太陽能面板須安裝于船體，這就意味著只有在船體較大的情況下，才能安裝太陽能面板，這點(diǎn)顯然不適用于散貨船舶。航行于世界各地的散貨船舶，噸位越大所需要的推進(jìn)動力也越大，然而用于安裝面板的船體空余面積有限，因此，散貨船舶的動力就會受到影響，從而制約太陽能的使用。

圖1 Turanor PlanetSolar

第二種是將太陽能面板以集中的形式整體安裝于船舶甲板之上。這種船舶上的太陽能面板數(shù)目不受船體大小的限制，可以安裝多塊以提高其動力，同時作為安裝在遠(yuǎn)洋貨船上的太陽能面板，利用一定的機(jī)械裝置改變其面板迎向太陽的角度，可以顯著提高太陽能的利用率。當(dāng)然，缺點(diǎn)也是顯而易見的：①將巨大的面板安裝于甲板之上，無形之中增加了船舶在航行過程中的阻力；②面板的高度如果過高，將直接影響駕駛臺的視線，增加了船舶在航行過程的中不安全因素；③面板的重量增加了船舶在航行過程中的不穩(wěn)定性，尤其在惡劣海況下，船舶本身搖晃劇烈，穩(wěn)性會受到巨大的考驗(yàn)。

總結(jié)以上兩種情況，現(xiàn)代新型太陽能遠(yuǎn)洋船舶必須要具有以下特點(diǎn)。

(1) 要具有足夠的動力來完成遠(yuǎn)洋航行，即使遇上惡劣海況，也不能影響船舶的安全航行，這對目前已經(jīng)投入運(yùn)行的太陽能船舶提出了更高的要求。

(2) 完全能夠滿足人員生活需求和船舶貨物裝卸的需要。在船舶高速化發(fā)展的今天，對于一些用電量特別大的船舶，如冷藏船，要設(shè)計切實(shí)可行的方案滿足其用電需要。

(3) 太陽能面板的安裝不能影響船舶的正常航行，須保證駕駛臺足夠視野，船舶在航行過程中具有足夠的穩(wěn)性和安全性。

(4) 對于安裝在甲板之上的太陽能面板，在船舶靠港期間及進(jìn)行裝卸貨的過程中，如能收進(jìn)到全封閉的艙室內(nèi)，這樣既可以保護(hù)太陽能面板，使其不會被碰傷、污染；同時，也可以減少裝卸貨過程中，碼頭工人視線受到太陽能面板遮擋的不良影響。

(5) 太陽能船舶航行后，須能夠切實(shí)有效地抑制海洋環(huán)境的繼續(xù)惡化，且不能對人體造成任何危害。

圖2和圖3所設(shè)計的船舶首先要安裝足夠數(shù)量的面板；其次，面板的角度要隨著太陽的角度不同而可調(diào)，始終需能夠接受最多太陽光照射；其次，在考慮太陽照射的因素后，還要能夠以最小的阻力航行，以達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)性；最后，在碼頭靠泊期間，完全有巨型電池進(jìn)行供電，太陽能面板可收縮放進(jìn)甲板兩側(cè)的密閉空間內(nèi)。

4 船舶系統(tǒng)

太能能船舶的動力完全由太陽能來提供，通過一系列的轉(zhuǎn)換，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并儲存起來，輸送至電動馬達(dá)來驅(qū)動船舶，并提供必要的電力，以供人員生活和貨物運(yùn)輸。采用電力來推進(jìn)船舶，能夠使船舶實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)動控制，減少機(jī)艙噪音，更為重要的是，電力推進(jìn)有利于船舶控制環(huán)境污染，降低排放。

圖3 安裝可旋轉(zhuǎn)太陽能面板的船舶

太陽能船舶系統(tǒng)由光伏陣列(見圖4，由多個太陽能面板組成)、蓄電池組、升壓轉(zhuǎn)換器、可逆變頻器、逆變器、充電控制、放電控制和用于管理能量的計算機(jī)(能量管理控制器)組成。

圖4 太陽能船舶系統(tǒng)

4.1 電源管理系統(tǒng)

電源管理系統(tǒng)(Power Management System,簡稱PMS)主要用來管理船舶使用的電能，幫助船長實(shí)現(xiàn)正確的航行和管理。在PMS中，重要的是電源的存儲裝置即蓄電池組，它被用來平衡輸入能量和輸出能量之間的差值。同時，在天氣狀況不佳或夜晚時，用以提供足夠的電能。蓄電池中，由于電能的流入和流出，易對蓄電池組的容量和性能產(chǎn)生影響，造成過早的衰減(如圖5所示)，因此，必須有一個精確的能源管理策略來進(jìn)行控制。安全可靠的航行關(guān)鍵在于了解電池組中真正儲存的電能。

4.2 MPPT控制

MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電，如圖6所示。通過設(shè)置太陽能面板的輸出電壓來獲得最大輸出功率。如果工作點(diǎn)在最大輸出功率的左側(cè)，則dP/dV>0；反之，如果工作點(diǎn)在最大輸出功率的右側(cè)，則dP/dV<0。

根據(jù)圖6的特性，控制方法如下：建立一個太陽能面板的工作電壓，形成一些周期性擾動的電容，通過調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器，與前一個的輸出功率進(jìn)行比較。如果輸出功率增加，意味著工作點(diǎn)在最大輸出功率的左側(cè)，這時候應(yīng)繼續(xù)維持以增加輸出電壓；反之，如果輸出功率減小，則工作點(diǎn)在最大輸出功率的右側(cè)工作，會慢慢偏離最大功率點(diǎn)，應(yīng)改變擾動方向，降低太陽能面板的輸出電壓。

4.3 充放電控制器

通過接收到的信息進(jìn)行管理控制，能量來自太陽能面板。在充電過程中，充電控制器可以測量流入到蓄電池組的能量，當(dāng)蓄電池組完成充電，能量會被發(fā)送到另外一組需要充電的電池組中。放電控制器控制一個單一的蓄電池組進(jìn)行完全放電過程，在

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圖5 電池容量衰減圖

放電過程中，放電控制器測量能量流并加以控制，和前一個充電過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過這一比較，可以建立電池老化的標(biāo)準(zhǔn)，用以確定蓄電池組中真正存儲的能量。

4.4 管理控制

管理控制系統(tǒng)的作用主要是確定真正可用于航行的能量和提供船舶的自主性信息。為了實(shí)現(xiàn)這一分配，系統(tǒng)保存了能量流的信息和蓄電池組完整充放電的過程數(shù)據(jù)，所有電氣系統(tǒng)的性能都通過管理系統(tǒng)來監(jiān)控，它還管理著蓄電池組充放電的時間。通過這種管理策略，不僅可以檢查電池的壽命，還可對蓄電池組充電/放電的數(shù)量進(jìn)行限制。

5 結(jié)論

圖6 太陽能面板輸出特性曲線

不是所有的船舶都適合采用太陽能為動力，它的先決條件是船舶必須有足夠大的甲板，并且采用太陽能以后能夠?qū)Ｑ蟓h(huán)境污染切實(shí)起到限制作用。但隨著全球能源危機(jī)的不斷加劇，使用可再生能源來提供船舶所需的動力和電力必將是趨勢，如何更加精確地制造和管理是以后“親環(huán)境”型太陽能船舶需重點(diǎn)考慮的問題。

[1] 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,2010，6：116-120.

[2] 盧曉平，魏光普，張文毓．太陽能動力船舶發(fā)展綜述[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2008，4：45-50.

[3] 孫忠玉，陳順懷，陸潮立.太陽能在小型旅游船舶上的應(yīng)用研究[J].船海工程,2010,6:132-134.

[4] 張敏敏，康偉.一種混合動力電動船舶能源管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國水運(yùn)：下半月，2011，12：67-69.

Analysis of Ocean Going Vessel System Powered by Solar Energy

XU Yan-ming， TENG Xian-bin， GE Tao， WANG Ran-ran

( Tianjin Maritime College, Tianjin 300350， China)

In order to protect the marine environment and to reduce the atmospheric pollution, the new energy technology is applied to build environmentally-friendly ship. Using new technologies in shipbuilding, mechanical and electrical design, solar-powered ship can satisfy the seamen′s needs and improve the safety and reliability.

Solar energy Ocean going vessel PMS MPPT

天津市教委高校科技發(fā)展基金計劃項目(編號20110425)。

徐燕銘(1987-)，男，講師。

U664

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