光伏系統在船舶上的應用與分析

詹 波

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

船舶作為海上運輸的載體，是污染排放的主要來源。船舶運輸時產生的污染包括二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物及固體顆粒物等，這些污染物主要來源于為船舶提供動力的船用燃料。為減少船舶有害氣體的排放，降低對生態環境的影響，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過了一系列強制性規定，例如近年生效的船舶限硫令，以及正在推進中的船舶脫碳要求等。

為實現船舶節能減排，目前各航運公司采用不同的方案以作應對，如馬士基集團嘗試采用氨、醇類作為船舶燃料；法國達飛公司采用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為未來船舶燃料；日本的一些船舶公司則更多關注利用氫能源作為船舶動力源。在這眾多研究和應用方案中，太陽能作為一種可利用、可再生的清潔能源也逐步應用于船舶。目前，太陽能光伏系統主要應用于游艇、旅游觀光船、小型渡輪等小型船舶[1]，而在較大型的船舶上尚未得到廣泛應用。

本文詳細介紹了太陽能光伏發電系統的基本構成、估算選型、應用實例、存在弊端等，探討了太陽能光伏發電技術在船舶上的研究方向及應用前景。

1 船舶光伏系統介紹

1.1 光伏系統基本構成

光伏系統主要部件包括太陽能電池板、電源逆變器、控制器、儲能蓄電池以及其他輔助監控設備。光伏系統的基本工作原理：太陽能電池板被光照射時，太陽能電池板內電荷分布狀態發生變化，產生光伏效應。利用電池板產生電能，并借助電源控制器對電源進行管理，充分利用太陽能，讓系統處于最優狀態。最后通過電源逆變器直接或間接為船舶上的各負載進行供電，剩余的電能則通過系統中的蓄電池儲存以備不時之需。

1.2 船舶上光伏系統分類

根據應用形式的不同，太陽能光伏發電系統通常可分為獨立型光伏發電系統和并網型光伏發電系統[2]。

對于用電總負載較小的小型船舶，可選用獨立型光伏發電系統，將太陽能作為船舶的主要能源。應用前需要對全船的用電負載進行統計，測算船舶實際用電量，而后計算并選定船舶太陽能電池板面積及其他配套設備參數等。

對于用電量較大的大型船舶，僅通過太陽能光伏發電提供的電源難以負擔全船用電負載。因此，可選用并網型光伏發電系統，將太陽能轉化的電能僅作為船舶的輔助電源使用。采用此系統的船舶電網可能因光伏系統的不穩定性而受影響，因此并網型逆變器需要選用更選進的控制策略。

獨立型發電系統和并網型發電系統結構示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 獨立型光伏發電系統結構

圖2 并網型光伏發電系統結構

2 船舶上光伏系統選型估算

船舶在海上航行時一直處于運動狀態，在船舶上安裝的太陽能電池板受陽光照射的角度一直處于變化中，海上天氣也變化較多。因此，對船舶上光伏系統的各主要部件選用時需要結合船舶航行信息具體分析，通過數據查詢和公式估算的方式獲得需要的數據[3]。

固定式光伏系統的發電量可參考如下步驟計算

1）計算太陽能電池板組的額定功率P

式中： S為太陽能電池板的總面積；T為每平方米太陽能電池板產生的功率；?為太陽能電池板的轉換效率。

2）計算固定太陽能電池板組的發電量E

式中：H為太陽能電池板受光面的太陽輻射量；G為標準狀態下的太陽輻射量。

3）確定光伏系統產生的有效額定電量E1

式中： ?1為光伏系統至負載的效率。

在選擇蓄電池的種類時，可選擇鋰離子蓄電池或免維護封閉式鉛蓄電池。鋰離子蓄電池具有重量輕、體積小、耐充放性能好、電池壽命相對更長等特點，而免維護封閉式鉛蓄電池則具有價格低廉，資源豐富、維護簡單等特點[4]。選擇時除關注不同種類蓄電池的特點外，還要結合項目船的布置空間，和成本等進行全面考慮。

確定系統中蓄電池容量時，需要滿足供電負載最大功率的要求，可按式（4）進行估算：

式中：B為蓄電池容量；A為安全系數，取1.1～1.4；QL為負載耗電量；NL為最長連續陰雨天數；TO為溫度修正系統；C為電池放電深度。

在船舶中運用太陽能光伏系統需要對太陽能電池板進行科學布置，將其融入船舶各合適的露天區域中確保太陽能電池板能夠受到陽光直射[5]。受太陽能電池板光電轉換效率的限制，想要從電池板獲得較多的電能輸出，需要盡可能大的面積配置太陽能電池板。因此，需要合理利用好船舶的各處空間作為布置和安裝太陽能電池板的處所。布置時還需要考慮船舶航行和裝卸貨物、船舶操作空間及逃生通道的干涉情況，光伏系統維護方便性等因素。從可供安裝的船型來看，油船、化學品船等船型的甲板多屬于危險區域，其安裝光伏系統相對困難。而大型滾裝船、散貨船、海峽渡輪等船型的甲板可利用面積更大，更加適合安裝光伏系統。

3 工程實例

國內外已有多個船舶光伏系統完工案例，本文對某大型滾裝船的光伏系統進行介紹。在確定系統方案前，需要對目標船進行實船現場勘測，初步測量出船舶頂層甲板可供太陽能電池板安裝的面積范圍。經初步勘查，本船可供安裝布置的面積可由 6塊分散區域組成，可用總面積約1 300 m2，初步勘查可布置的區域示意圖見圖3。

圖3 初步勘查可布置的區域示意圖

在確定最終太陽能電池板布置方案時，對布置情況進行優化，優化時主要考慮如下因素：

1）不影響艦橋觀察海況，不影響船舶航行安全。

2） 安裝區域集中，不影響船舶主甲板的整體美感。

3）不影響甲板設備的正常工作。

4）便于船員日常巡回檢查電池組件。

5）不影響兩舷安全通道，設置遮陽棚式的電池組件安裝構架。

最終，測量出實際可用于布置太陽能電池板面積，其凈安裝面積約875 m2。為減緩電池板表面積灰，同時也為了利于雨水吹刷，將太陽能電池板設置5°～8°傾角進行鋪設安裝。

對太陽能電池板進行選擇，選用國內某公司的單晶硅太陽能電池板，其標準測試條件下的最大功率值為280 W，尺寸為1 650 mm×990 mm×40 mm，計算得出光伏系統設計容量可達150 kW。光伏系統與原船的電網按并網型光伏發電系統連接，電源接入原船配電板主匯流排，其系統單線圖見圖4。

圖4 光伏系統并網連接電力系統單線圖

光伏系統中蓄電池儲能設備需要較大的容量，根據船舶受到的有效光照時間，負載消耗電能等數據進行估算，同時考慮一定的余量作為冗余，最終為實船配備的儲能蓄電池容量為750 kW，各數據見表1。

表1 儲能蓄電池容量計算相關參數

整套系統設備裝船并經過系統調試后，光伏系統發出的電能可與船舶主電網并網，基本達到最初設計的目標要求，在一定程度上降低了船舶運行的能耗，提升了船舶供能系統的環保性。但同時需要注意，在本項目中光伏系統輸出的電量在原船需求總電量中的占比還很小，產生的電能僅作為輔助電能使用。

要實現太陽能發電作為船舶主電源的目標還有許多技術難題需要解決，如太陽能電池板的光電轉換效率還需要較大提高，以使電池板在有限的船舶甲板空間上產生足夠的電能；蓄能設備的容量需要足夠大并能穩定可靠地工作等。

4 結論

從光伏系統應用現狀來看，太陽能光伏發電技術在船舶行業的應用還不夠廣泛，僅應用于一些小型船舶及少數大型船舶。雖然單純依靠太陽能光伏系統發出的電能作為動力仍存在一些不足和困難，但隨著技術的不斷發展，太陽能光伏系統將在船舶上得到更好的應用。希望本文可引起相關學者的關注，為更好利用船舶太陽能光伏發電技術指明方向。