風光柴蓄混合發電系統在小型船舶上的應用

李英

(天津海運職業學院,天津 300350)

風光柴蓄混合發電系統在小型船舶上的應用

李英

(天津海運職業學院,天津 300350)

航運業是我國經濟大動脈之一,而船舶對海洋環境的污染不容忽視,為了解決海洋環境污染問題,全面建設環境友好型社會,使用太陽能、風能等清潔能源的發電裝置已逐漸應用到船舶上。本文闡述了風力發電、太陽能發電原理,以及綜合風力發電和太陽能發電的優缺點,提出風光柴蓄混合發電系統在船舶上的實用性,并著重論述了風光柴蓄混合發電系統中各部件的容量配置問題。

風光柴蓄 混合發電 容量配置

為了保護人類賴以生存的海洋環境，早在1983年，我國就出臺了《中華人民共和國防止船舶污染海域管理條例》，此條例的實施很大程度上解決了船舶污染海域的問題，從而在保護海洋生態環境方面起到了非常重要的作用。為了進一步加強海洋生態環境保護，杜絕船舶及有關海上作業對海洋環境的污染，建設環境友好型社會，對《中華人民共和國防止船舶污染海域管理條例》做了進一步修改，更加強調了海洋環境對人類生活的重要性，然而這些條例更多強調的是船員所必須遵守的規章制度，而有些對海洋環境避免不了的污染，如船舶航行過程中油污、廢氣的排放，船員只能遵守規章制度，在允許排放的區域內排放。但是，隨著國民經濟不斷增長，船舶運輸業日益繁榮，船舶排放的廢水、廢氣已遠遠超過了海洋的自凈化能力，大部分海生物面臨瀕危。因此，只制定法律法規根本上解決不了船舶對海洋環境的污染，只有從技術上改變船舶的動力裝置源，才有可能對海洋環境的污染日趨減少，生態環境日益見好。

在陸地上，使用清潔能源已成為保護環境主流趨勢，如各大城市的公交車和出租車已逐漸被混合動力車代替，這種混合動力車大多數是油氣混用，減少了廢氣排放量；路燈照明使用了太陽能發電；在青藏地區充分利用光照時間長的特點，利用太陽能發電；在沿海城市充分利用風能，建立風電廠，利用風能發電等等。太陽能和風能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，日益受到人們的青睞。太陽能和風能發電裝置應用在船舶上，這對保護海洋環境做出了很大貢獻。

1 風力發電

風力發電是以大氣作為工作介質，將風能轉換為機械能，是一種沒有燃料的能量利用機械，是一種不會產生輻射或空氣污染的發電方式。

風力發電機的葉片接受風力并且通過機頭轉化為電能，轉體使機頭靈活轉動調整尾翼方向，尾翼的作用是調整葉片方向使葉片始終對著來風的方向，從而可以獲得最大的風能，風力發電機轉子轉速相當慢，所以將轉子軸心與齒輪箱連接在一起，使其轉速提高50倍以上。由于風量受氣候條件影響較多，導致風量不穩定，因此輸出的是變化的交流電，須使其經整流器變成直流電，對蓄電池充電，然后經過逆變器轉換成220V交流電，保證穩定運行。風力發電原理如(圖1)所示。

圖1 風力發電原理圖

有關數據表明，利用風力發電的最佳風速為7-9m/s，也就是說，距離海岸線50千米之內，非常有利于風力發電，而這區域正是船舶航行較多區域，因此，氣候條件為風力發電提供了可靠保障。風力發電安全性能較高，技術也比較成熟。因此在船舶上非常具有實用性。

2 太陽能發電

太陽能電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池等構成了太陽能發電系統。太陽能電池發電原理是利用半導體的光生伏特效應，將太陽能直接轉換為電能，半導體內部核電荷數和電子數目是一致的，從外部看上去不顯電性，而當太陽光照射在太陽能電池板上，通過光的能量P型硅和N型硅中將電子從化學鍵中被釋放，外部看不出變化，但其內部產生了電子—空穴對。在PN結界面層附近的電子和空穴復合前，空間電荷的電場作用使電子和空穴相互分離，電子向帶正電的N區運動，空穴向帶負電的P區運動。由于界面層的電荷分離，在P區和N區之間產生一個向外的電壓，光照越強，界面層產生的電子—空穴對越多，電流越大。光電池板實質上就是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，光電池板面積越大，吸收的光能越多，在太陽能電池中形成的電流也就越大。例如對于一個P型面，如果P型區光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴，電子—空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。充電控制器是將太陽能電池板發出的電轉換成快速、平穩、高效的充電電流和電壓向蓄電池充電，避免蓄電池過充電和過放電現象的發生，延長蓄電池的使用壽命。逆變器是將太陽能電池板和蓄電池的直流電壓逆變成220V的交流電。蓄電池組是將太陽能電池板發出的直流電儲存起來備用。太陽能發電結構如(圖2)所示。

圖2 太陽能發電結構圖

太陽能發電的優點是技術比較成熟，操作簡單，安全性能較好；缺點是光照的能量分布密度小，占用空間面積較大，太陽能電池板造價較高，并且產生的電能多少與四季、晝夜及陰晴等氣候條件有關。

3 風光柴蓄混合發電

由于風能和太陽能存在各自缺點，不能單獨作為清潔能源的發電裝置。船舶在航行中，受氣候條件等因素的影響，選擇合適的發電裝置非常重要。晴天時白天光照充足、風較小，光伏發電為主要發電裝置，向蓄電池儲能；夜晚無光照、風較大，風力發電為主要發電裝置，向蓄電池儲能；而陰天下雨，既無光照也無風時，同時儲存在蓄電池中的電不足以提供所需能量時，為了保障電路安全可靠運行，采用柴油機作為發電裝置。通過逆變器將其發出的直流電轉換成220V交流電，供交流負載使用，直流負載可直接使用蓄電池組和柴油機發出的電。太陽能發電是用MPPT技術，跟蹤控制光照強度，采集最強光照；風力發電是利用遺傳算法采集合適的風速，通過控制器改變風速，使其向蓄電池供給穩定的電壓和電流，風光柴蓄混合發電系統如(圖3)所示。

圖3 風光柴蓄混合發電系統

由于船舶甲板空間有限，光伏發電需要很大面積的太陽能電池板，造價成本較高，因此光伏發電容量不易太大，同時由于沿海風浪較大，風力發電機成本相對較低，因此風力發電機的容量在此裝置中占主體地位。在該系統設計中，最關鍵的是系統各部件的容量配置，其中包括風力發電機、光伏電池板、蓄電池、柴油機容量等，它們之間存在非常復雜的容量配置關系。如果系統容量不匹配，那么系統就不穩定，不能持續供電。

由于船舶在航行時受到氣候因素變動較大，對風力機、光伏陣列、蓄電池、柴油發電機組的容量配置要求非常高，為了保證系統的可靠運行，選擇船舶多為經常靠港或者停泊的船舶，還可用于不經常移動的鉆井平臺。

風光柴蓄混合發電系統容量配置步驟如下：(1)考察當地氣候條件，如風季和風量、光照時間和光照強度等；(2)估算船舶各個時段用電量；(3)根據氣候條件和船舶用電量合理配置風力機、光伏陣列、柴油發電機組的容量；(4)根據發電容量選擇蓄電池的容量；(5)根據容量配置數據選擇風力機、光伏陣列、蓄電池、柴油發電機組的型號，另外選擇逆變器、控制器等型號；(6)根據船舶所在的位置，合理確定太陽能電池板的安裝角度，風力發電機的安裝位置。

4 結語

要想使船舶對海洋環境污染呈下降趨勢，就應該在船舶設計時充分利用清潔能源作為船舶的新能源，而由于單獨使用太陽能發電、風力發電使系統運行部可靠，因此只有風光柴蓄混合才能提供持續、可靠的電能。目前風光柴蓄混合發電系統在大型船舶上的應用技術尚未成熟，因此如何使該系統配置在大型船舶上，不僅提供日常生活、通信等方面用電，而且能為船舶在航行過程中提供動力能源成為我們繼續研究的課題，新能源、新技術在船舶上的應用指日可待。

[1]范濟秋,張永平.基本安全(個人安全與社會責任)[M].人民交通出版社,2012.

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[3]張甫興.淺談新能源在船舶上的應用[J].江蘇船舶.2012.10(5).

Shipping industry is one of China’s economic artery and ship pollution of the marine environment can not be ignored. To solve the problem of pollution of the marine environment, building a power plant environment-friendly society, the use of solar, wind and other clean energy has been gradually applied to the ship. In this paper, wind power works, solar power works, and the advantages and disadvantages integrated wind power and solar power,and propose Wind-Solar-Diesel-Battery hybrid power system availability on the ship, and focuses on the Wind-Solar-Diesel-Battery hybrid power system storage capacity of the various components configuration issues.

Wind-Solar-Diesel-Battery Hybrid power Capacity configuration

李英(1987—),女,漢族,青海省人,助教,碩士研究生,主要研究輪機自動化。