太陽能光伏系統成功用于內河商品汽車滾裝船

上海安盛汽車船務有限公司 忻堅敏 范仲林 武漢理工大學能源與動力學院 湯旭晶 孫玉偉

眾所周知，大型船舶能耗巨大，是港口和沿海地區NOX、SO2和PM等污染物排放的重要來源，受到世界各國越來越多的重視。近年，IMO制定了更加嚴苛的防污染公約，各大船級社也均提出綠色船舶規范體系，綠色船舶技術日益成為造船航運業競爭力的關鍵。隨著光伏發電技術的逐步成熟，太陽能在船舶應用得到了海事界的極大關注。

太陽能船舶，或應用太陽能光伏發電技術的船舶，是在船舶電力系統中集成零污染、零排放的太陽能光伏發電系統為基本技術方案，通過在航行中最大程度地利用光伏電能，降低柴油發電機組輸出功率，實現船舶在壽命周期內燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降。當前，國內外應用于各型船舶平臺上的太陽能光伏發電系統容量不斷提升，集成方案不斷推陳出新，已使太陽能船舶成為最具推廣和應用潛力的綠色船舶技術之一。

發電系統運行模式

根據船用型太陽能光伏發電系統運行模式，可分為離網型和并網型兩種。離網型系統單獨帶載運行，通常設置容量較大的蓄電池儲能裝置以平衡光伏系統輸出功率與負載功率，其與船舶電網之間不存在電能交匯，船舶電力系統的暫態穩定性主要取決于在網同步發電機組的電力輸出特性，因而對電力系統的安全性和可靠性基本沒有影響較低。離網型系統的適用性問題在于：設置大容量蓄電池組導致系統成本提高；低負荷運行時，離網型逆變器運行效率下降顯著。

并網型系統輸出的電能（交流電）并入船舶主電網，由綜合電力管理系統在全船范圍內統一調度，因而具有較高的能源利用效率，通常需設置與光伏組件容量相同的蓄電池儲能裝置以實現動態的電能供需平衡。并網系統的適用性問題在于：并網型逆變器屬于電流源，無法對電網電壓起到支撐作用；其與船舶同步發電機組之間存在直接的電能耦合，因而會影響到發電機組的暫態穩定性，需重新計算電網潮流和短路保護。

就技術實用而言，離網型太陽能發電技術在民用商船相對成熟，而并網型應用則需解決船舶電力系統某些負載大幅變化工況下穩定并網逆變技術。

離網型太陽能光伏系統設計

為了最大限度發揮光伏發電的效能，保證其在船舶電力系統中集成應用的可靠性。首先，對安盛汽車船務所屬的800車位PCC系列在營姊妹船電力系統進行實船調研，并對航線上日均有效太陽輻照強度與離網型光伏發電系統輸出電能、蓄電池容量、負載日均能耗等進行了匹配優化計算，完成了離網型光伏發電系統總體設計，總體結構見圖1。

圖1 離網型光伏發電系統總體結構圖

系統由太陽能電池陣列、光伏控制器、鋰離子蓄電池組、光伏逆變器和電力管理系統等組成。

該離網型光伏發電系統太陽能電池裝機容量為37.125kWp；光伏控制具有最大功率跟蹤控制功能，具有100A×1.2倍電流通斷能力；蓄電池組總容量為128kWh；光伏逆變器容量為20kVA?？蓪崿F三種運行模式：1）光伏發電系統正常運行狀態：光伏發電大于負載消耗時，多余電能經BMS充入蓄電池；光伏發電小于負載消耗時，無縫切換為光伏和蓄電池組儲能經光伏逆變后向負載供電。2）光伏發電系統長期出力不足狀態：長期陰雨天光伏陣列電力輸出不足，且蓄電池組剩余容量降到設定下限，系統自動切換至船電旁路向負載供能。3）光伏系統故障：可手動切換聯鎖斷路器，由船電向負載供能。

研究開發的太陽能電力管理裝置可實現光伏發電系統各模塊狀態參數實時采集，根據一定的策略對系統運行進行監測和顯示報警，另外，通過提取存儲的歷史數據，可對系統發電量、穩定性等指標進行評估，以便于對系統設備相關工作參數進行優化，有利于系統更加高效、穩定地運行。

系統安裝聯調和測試檢驗

根據中國船級社（CCS）《鋼質內河船舶建造規范（2015）》和《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南（2014）》的相關要求，系統中的光伏控制器、蓄電池組及BMS、光伏逆變器和太陽能電力管理系統等關鍵性設備，均通過CCS嚴格檢驗，并取得相應的船用產品證書。

實船實施中充分考慮到最大化利用太陽輻射能、便于船員監控管理和降低蓄電池艙室安全風險等問題，具體措施包括：（1）光伏電池陣列設置安裝于羅經甲板層，采用小傾角結構設計方案；（2）光伏發電系統中的電氣設備和蓄電池分別安裝于船員居住甲板層上的電氣設備間和蓄電池間；（3）針對大容量鋰離子電池散熱和消防滅火問題，設置獨立通風機和七氟丙烷滅火報警系統；（4）太陽能電力管理系統增設至駕控室和集控室的延伸報警板。系統所有設備均于2015年9月在長航江東船廠完成安裝，圖2為該船光伏發電系統實船安裝布置實景，圖3為太陽能電力管理系統界面。

圖2 “安吉204”輪光伏系統實景

圖3 太陽能電力管理系統登陸界面和主界面

2015年10月16日試航期間，由船級社、船廠和船東組織了對整套系統的運行測試，主要包括：1）太陽能電池組件的輸出特性；2）光伏控制器輸入低電壓保護和恢復電壓閾值、短路保護、充滿斷開（HVD）、欠壓斷開（LVD）和恢復功能試驗；3）太陽能電力管理系統參數顯示、報警、記錄功能試驗，蓄電池間和電氣設備間環境溫度控制試驗；4）光伏逆變器直流端欠壓保護、短路保護和光伏電能與船電雙向切換試驗。并對系統進行了四小時滿載效用試驗。運行測試結果表明：該系統能在滿載工況下穩定運行，電能質量滿足CCS規范要求，鋰電池儲能系統能實現自動充放電管理，光伏電能/船電雙模式自動切換可靠，狀態和參數監測功能完善。

上海安盛汽車船務有限公司聯合武漢理工大學新能源船舶項目組進行多次考察調研，并在武漢理工大學牽頭承擔工業及信息化部高技術船舶項目多項技術積累的基礎上，根據內河汽車滾裝船型結構和電力系統的具體特點，研究形成內河汽車滾裝船離網型太陽能光伏發電系統的技術方案。在上述實施過程中，得到了CCS、設計院和船廠大力支持和幫助，針對安裝工藝和系統功能完善提出了合理化建議。經一年余的努力后，完全具有完全自主知識產權的船用離網型太陽能光伏系統成功應用于“安吉204”內河汽車滾裝船，且各項技術指標及性能均滿足船舶規范要求。本系統投入運行可實現年均發電約45000kWh（按每年300天有效運行時間計算），可節約燃油約90000 kg，降低CO2排放量約28500kg，SOX約630kg和NOX約50kg。這必將成為我國長江黃金水道綠色航運的示范和引領。