光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用

◎ 石浛錕 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

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光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用

◎ 石浛錕 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

摘 要：當(dāng)前，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的日益重視以及船舶運(yùn)輸行業(yè)對(duì)能源需求的日趨上漲，將光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用到船舶上是解決目前環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題的一種重要途徑。針對(duì)船舶電網(wǎng)的特點(diǎn)，給出一套結(jié)合船舶的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并闡述該系統(tǒng)在船舶上的具體應(yīng)用及可能遇到的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng) 船舶 總體設(shè)計(jì) 應(yīng)用

目前船舶運(yùn)輸行業(yè)中，柴油機(jī)是船舶的主要?jiǎng)恿υ矗┠陙?lái)船舶柴油機(jī)無(wú)論從技術(shù)還是產(chǎn)量方面都取得了較快地發(fā)展；化石能源總存儲(chǔ)量的局限性迫使船舶必須尋找新的動(dòng)力能源和新能源動(dòng)力設(shè)備才能滿足日益增長(zhǎng)的能源消耗需求，新能源的開(kāi)發(fā)利用與新能源船舶的研究設(shè)計(jì)便成為亟需研究解決的問(wèn)題。其中太陽(yáng)能船舶是新能源船舶中的領(lǐng)頭羊，將太陽(yáng)能作為太陽(yáng)能船舶的輔助或主要?jiǎng)恿υ矗饶芄?jié)約化石能源的消耗，又可保證船舶的正常航行。

圖1 太陽(yáng)能光伏電池板

1.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

當(dāng)前太陽(yáng)能光伏發(fā)電是船舶利用太陽(yáng)能的主要方式，通過(guò)接收太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)能船舶將輻射能量轉(zhuǎn)化成光伏電能輸送到船舶電網(wǎng)上或在儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)存起來(lái)以供船舶利用。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽(yáng)能光伏電池組件、光伏逆變器、光伏控制器以及蓄電池等部分。

太陽(yáng)能光伏電池組件是光伏系統(tǒng)的核心部件，由太陽(yáng)能光伏電池組件根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組成，能將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┴?fù)載使用。如圖1所示。

光伏逆變器是將太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的必須設(shè)備，直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娭蠓娇晒┙涣髫?fù)載使用。

光伏控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能光伏電池組件的各項(xiàng)參數(shù)并參考負(fù)載容量對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制。控制器伴隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的進(jìn)步將發(fā)揮日益重要的作用，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及逆變器三者集成一體化將是未來(lái)控制器的研究和發(fā)展方向。

蓄電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)部件，當(dāng)輻照強(qiáng)度過(guò)低或者太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電能無(wú)法滿足負(fù)載的實(shí)際需求時(shí)，蓄電池便將其中存儲(chǔ)的能量輸送給負(fù)載使用。目前普遍跟太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)配套使用的是鉛酸類(lèi)型的蓄電池。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理：太陽(yáng)能電池組件在太陽(yáng)光的照射下將產(chǎn)生的電能經(jīng)由控制器輸送給蓄電池組或者在滿足負(fù)載具體要求的情況下直接供電給負(fù)載。當(dāng)太陽(yáng)能光照強(qiáng)度過(guò)低時(shí)，產(chǎn)生的直流電可經(jīng)由蓄電池直接供電給直流負(fù)載；而當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)包含交流負(fù)載時(shí)，需通過(guò)逆變器的逆變作用把直流電變?yōu)榻涣麟姟?/p>

2.船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

船舶太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩種。這里只闡述船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

2.1 船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)指的是由光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成的電能可以直接并進(jìn)船舶公共電網(wǎng)的電力系統(tǒng)。當(dāng)太陽(yáng)能光伏電池板接收到太陽(yáng)光照射時(shí)，該系統(tǒng)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能并經(jīng)過(guò)逆變器的作用，將電流逆變?yōu)榕c公共電網(wǎng)相同頻率和相位的正弦交流電。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)按照有無(wú)蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備可分為不可調(diào)度式系統(tǒng)和可調(diào)度式系統(tǒng)兩種類(lèi)別。其中可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有較強(qiáng)的靈活性，可隨時(shí)根據(jù)船舶的實(shí)際需要選擇性地將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并入或者切出電網(wǎng)，并且在公共電網(wǎng)出現(xiàn)斷電故障時(shí)，仍能保證系統(tǒng)的正常獨(dú)立運(yùn)行。可調(diào)度式船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 可調(diào)度式船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

圖3 船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

2.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)：一方面，由于光伏發(fā)電的最佳工作點(diǎn)會(huì)隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而變化，另一方面，太陽(yáng)能電池組件的電壓與電流呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因此此過(guò)程中存在著能夠獲取最大功率的最佳工作點(diǎn)。在電壓和電流的變化過(guò)程中，將太陽(yáng)能電池組件的工作點(diǎn)保持在最大功率點(diǎn)的位置，系統(tǒng)便能夠得到太陽(yáng)能電池組件的最大輸出功率，解決這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程我們稱(chēng)作最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)。針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池完成最大功率跟蹤的過(guò)程，一般是通過(guò)升壓電路來(lái)完成工作電壓的控制的。

直交流逆變及并網(wǎng)技術(shù)：太陽(yáng)能光伏電池和蓄電池向外輸出的是直流電，需要逆變器的逆變作用將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姾蟛拍芄┙o船舶電網(wǎng)使用。逆變器一般可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器主要用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，將所產(chǎn)生的電能并入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)技術(shù)涉及到船舶電網(wǎng)的電壓、頻率穩(wěn)定度等問(wèn)題，是目前船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域需要克服的重要難題。

2.3 船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括船舶光伏系統(tǒng)的整體構(gòu)設(shè)、系統(tǒng)的模型搭建以及仿真計(jì)算分析、光伏電源的性能測(cè)試、并網(wǎng)后船舶主電網(wǎng)的安全供電等。圖3為船舶光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案和大概思路。

3.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用及問(wèn)題

3.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用

2008年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)在由日本生產(chǎn)的“御夫座領(lǐng)袖”號(hào)上，該系統(tǒng)能滿足該船6.9%的照明需求或0.2～0.3%的動(dòng)力需求。其電能輸出功率為40KW，“御夫座領(lǐng)袖”號(hào)是首次直接大規(guī)模的以太陽(yáng)能發(fā)電作為整只船舶主電網(wǎng)的新能源船舶。如圖4所示。

2010年上海世博會(huì)的高科技展示船“尚德國(guó)盛號(hào)”高約7米，吃水深度2米多，長(zhǎng)度為31.85米，寬度為9.8米。如圖5所示，該船是國(guó)內(nèi)首艘使用太陽(yáng)能、柴油機(jī)組和鋰電池等多種混合動(dòng)力能源的高科技船舶。在船舶航行過(guò)程中，船體可根據(jù)輻照強(qiáng)度的大小通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)能和柴油機(jī)組間的功率分配來(lái)滿足船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。

2014年，工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“中遠(yuǎn)騰飛”號(hào)滾裝船正式投入運(yùn)行，該船舶可以通過(guò)“太陽(yáng)能”照明（多余的電量也可以提供動(dòng)力），每年節(jié)約85萬(wàn)元燃油費(fèi)。如圖6。

圖4 “御夫座領(lǐng)袖”號(hào)

圖5 “尚德國(guó)盛”號(hào)

圖6 “中遠(yuǎn)騰飛”號(hào)

圖7 海水蒸發(fā)后覆蓋在太陽(yáng)能電池板表面的鹽層

3.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在船舶上會(huì)遇到的問(wèn)題

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用范圍日益廣泛，但也存在以下無(wú)法忽視的問(wèn)題。

（1）復(fù)雜的水上工作環(huán)境。船舶太陽(yáng)能光伏電池的電力輸出特性盡管與陸用型不存在本質(zhì)上的區(qū)別，但其復(fù)雜的水上工作環(huán)境對(duì)它的電力輸出特性還是會(huì)有相當(dāng)程度的影響。

水上環(huán)境更加復(fù)雜多變且難以預(yù)測(cè)，不同水域的氣象環(huán)境各有特點(diǎn)，即使是同一區(qū)域的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和空氣濕度等參數(shù)也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化。氣體污染物、固體顆粒、鹽層覆蓋、強(qiáng)風(fēng)、濃霧、雨雪和冰雹等都是影響太陽(yáng)能光伏電池輸出特性的水上環(huán)境影響因素。

船舶是一個(gè)水上移動(dòng)平臺(tái)，其航行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，機(jī)艙內(nèi)各種動(dòng)力旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生低頻振動(dòng)問(wèn)題。也就是說(shuō)，目前一些船舶上所使用的隨著太陽(yáng)光照射角度的不同而對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)跟蹤的太陽(yáng)軌跡跟蹤系統(tǒng)對(duì)提高光伏系統(tǒng)的能效并不具有明顯的效果。復(fù)雜的水上工作環(huán)境主要體現(xiàn)在灰塵和鹽粒等顆粒物的遮光效應(yīng)，覆蓋層的熱斑效應(yīng)，污染氣體和灰塵的侵蝕作用等方面。圖7為海水蒸發(fā)后覆蓋在太陽(yáng)能電池板表面的鹽層。

（2）孤島效應(yīng)。在太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電的過(guò)程中，由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)電力系統(tǒng)由于某種原因發(fā)生異常停電時(shí)，此時(shí)如果太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)不能隨之停止工作或與電力系統(tǒng)脫開(kāi)，則會(huì)向電力輸電線路繼續(xù)供電，我們把這種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為“孤島效應(yīng)”。

特別是當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率與負(fù)載功率平衡時(shí)，即使電力系統(tǒng)斷電，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出端的電壓和頻率等參數(shù)不會(huì)過(guò)快地隨之變化，使光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法正確判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障或中斷供電，因而極易導(dǎo)致“孤島效應(yīng)”現(xiàn)象的發(fā)生。如若處理不當(dāng)，“孤島效應(yīng)”會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者發(fā)生供電中斷的事故后，此時(shí)因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)仍會(huì)繼續(xù)往電網(wǎng)送電，電力系統(tǒng)和工作人員的安全會(huì)有很大的安全隱患，甚至發(fā)生安全事故。不僅妨礙了檢設(shè)備的正常恢復(fù)，并且會(huì)給配電系統(tǒng)及負(fù)載設(shè)備造成一定的傷害。因此當(dāng)電力系統(tǒng)停電時(shí)，必須保證太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)停止運(yùn)行或與電力系統(tǒng)自動(dòng)分離。

4.結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能資源在地球上分布廣泛，是現(xiàn)今化石能源最清潔的替代品，太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展關(guān)乎著當(dāng)今社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)的生息繁衍。當(dāng)前太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在非船舶環(huán)境中已經(jīng)有了可觀的普及度，但在船舶上的應(yīng)用卻還在起步階段，要將其發(fā)展成為船舶的主要?jiǎng)恿δ茉催€有一段很長(zhǎng)的路要走。當(dāng)前階段，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電與船舶自身電網(wǎng)相結(jié)合，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為船舶的輔助動(dòng)力是一個(gè)很有前景的研究課題。

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