太阳能光伏系统在船舶中应用特点分析

占文伟



太阳能光伏系统在船舶中应用特点分析

占文伟

（中国船级社厦门分社， 福建厦门361006）

利用太阳能等新能源发电技术和电力推进技术组成船舶综合电力推进技术已成为船舶上最被关注的绿色技术之一。针对太阳能光伏系统在船舶中应用，在介绍太阳能光伏系统的原理及使用模式基础上，分析太阳能光伏系统及其部件在船舶中应用特点，探讨和归纳了基于太阳能光伏系统的船舶电网的重要特性，为今后的系统设计与应用提供了依据。

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0 引言

随着旅游事业的发展和湖泊、景区等水上项目旅游资源的开发，游船作为一种亲近大自然的载体，已逐渐成为人们旅游度假的娱乐方式。但从游船动力系统中排放的油水、废气和噪声所引发的水体和空气、噪声污染问题已日益严重，使得绿色船舶的开发研究更具有现实意义。太阳能是一种可再生能源，易于得到，且取之不尽、用之不竭，将太阳能应用于游船上，其污染问题将迎刃而解。因此，太阳能光伏系统在船舶上的应用被越来越多，太阳能能源的应用技术就成为船舶最被关注的船舶绿色技术之一。

1 当前太阳能光伏系统应用实例

现行规范中对太阳能光伏技术的应用已有相关的要求，但主要是针对其作为船舶辅助能源的使用；而根据调研资料和研究结果，业界对于船舶主要能源应用太阳能光伏技术有了一定的需求，目前国内应用较多的主要集中在观光游船、游艇等，这类船舶所在航区水文条件较好，航程较短且固定，排水量较小，对航速要求无特别要求。例如2006年英国海德公园运营的太阳能观光往返船；2008年北京颐和园内迎奥运的太阳能游船；2010年上海世博会上具餐饮娱乐、商务会议等多种功能的“尚德国盛”号太阳能游船，如图1；同年在台湾高雄用作小型河流内营运的太阳能游船[1]；2013年厦门筼筜湖太阳能玻璃钢双体游览船，如图2。尽管有2008年日本的太阳能货船“御夫座领袖(AurigaLeader)”号；2011年被制造商称为世界上最大的太阳能动力船的德国“星球太阳能”号，如图3；及我国首艘大型光伏太阳能汽车滚装船“中远腾飞”号，如图4。但由于太阳能光伏系统发电量有限[3]，且技术要求高，目前在大中型船舶中仅能作为辅助推进及生活用电。

2 太阳能光伏系统应用特点分析

2.1使用模式分析

太阳能光伏系统在船舶上使用，根据用户的需求和负载的不同，可分为独立和并网光伏发电系统两种形式。

2.2太阳电池组件技术特点

2.2.1太阳系统发电与安装的特点

太阳能光伏板有多种安装方式，不同朝向安装下的太阳电池的发电量如图7所示。在考虑安装和朝向的同时，还应考虑遮挡问题，如晶体硅太阳电池，很小的遮挡会引起很大的功率损失；但遮挡对于薄膜电池的影响会小得多。另外，通风条件对于太阳电池组件的冷却很重要，随着温度升高，发电量将减少；且组件温度对安装方式也有一定的影响[4]。

2.2.2 太阳电池的I-V特性及功率曲线

太阳电池特性曲线相当于太阳电池在外接一个0～∞变化的电阻时，输出的电流、电压以及功率曲线，如图8。从图中可知当电池在最大电流（IMAX）和电压（VMAX）值时，将产生最大功率（PMAX）；曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率。

2.2.3 温度的影响

太阳电池的性能也受温度的影响，其开路电压随着温度升高而呈线性下降。在20～100°C间，每升高1°C每片电池的电压约减少2 mV，但光电流却略有上升。综合分析可知当温度升高时，太阳电池的功率将下降，如图9。典型功率温度系数为-0.35%/°C，即太阳电池温度每升高1°C，功率下降0.35%。

2.2.4 “热斑效应”的形成及预防

太阳电池组件是由多个太阳电池连接（串联或并联）和封装而成的，为了提高转换效率，理论上应选用相似特性的单体电池；但实际使用的太阳电池间存在着微小差异或被遮挡，使其特性在电路中失谐，且失谐的电池不仅对组件输出贡献低，且消耗了一部分其他电池所产生的能量，导致局部过热，出现这种现象即为热斑效应[5-8]，如图10。据统计，热斑效应使太阳电池组件的实际使用寿命至少减少10%。为了预防和解决热斑现象，系统中将引入旁路二极管，使太阳电池片在出现异常情况不能发电时，起到旁路的作用，使其它电池片所产生的电流可由二极管流出，则太阳能发电系统将继续发电，从而有效的遏制有害过热点的产生。

2.3 光伏控制器的技术特点

太阳能控制器是在太阳能发电系统中，用来控制太阳电池方阵对蓄电池进行充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备，且具有对反接、短路、过流等进行有效的保护功能。

太阳电池板输出能力随光照的不同而改变的，见图11所示，光伏阵列工作点的控制主要有恒电压控制（CVT）和MPPT这2种方式。CVT控制简单，系统稳定性好，但受温度影响大。MPPT是是一种自主寻优方式，动态性能较好，但稳定性不如CVT[9]。

2.3.1 孤岛效应（仅并网型逆变器）

孤岛效应是指在主电网中并入了发电装置，但在主电网断电的情况下，该发电装置仍向主电网供电，且检测不到或根本没有相应检测方法。孤岛效应的出现，将对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响。危害电力维修人员的生命安全；影响配电系统上的保护开关动作程序；孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏；当供电恢复时造成的电压相位不同步将会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负载和供电系统带来损坏；光伏并网发电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题[10]。

2.3.2 并网功能（仅并网型逆变器）

在光伏并网发电系统中， 需要实时检测电网电压的相位和频率以控制并网逆变器， 使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步，即同步锁相。同步锁相是光伏并网系统的一项关键技术， 其控制精确度直接影响到系统的并网运行性能。倘若锁相环电路不可靠， 在逆变器与电网并网工作切换中会产生逆变器与电网之间的环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还将损坏设备。目前，对基于DSP 的数字锁相环的应用较多，使用DSP芯片的CAPTURE口进行捕获。软件检测得到电网频率和相位，并调整并网电流的频率和相位，从而使得并网电流和电网电压同频，相位差180°[11]。

3 太阳能光伏系统电网稳定性分析

由于太阳能光伏受昼夜、季节及气候等条件的影响[12]，需要在良好的光照条件下才能正常工作发电，如图12。当采用光伏发电无蓄电池方案时，若区域气候变化幅度大，将造成电力负荷的大幅波动；若空气质量差比如空气污染，或能见度差比如雾霾天或阴天等，都将使光伏发电在线或实时出力下降。

图13是一份国家电网光伏发电的统计图表，图中表明由于光照条件的不同，可导致光伏发电系统稳态的的出力差值达到额定功率的25%，且瞬间的出力变化可达到大于60%。当光伏发电系统的出力减少时，将造成大量的功率损失；因此，随着光伏发电系统的发电容量比例增大，将直接影响到电网的电压稳定性。

3.1 孤岛效应风险（仅对于并网系统而言）

电网中孤岛的危害很大，不仅在主电网断电时检修会带来危险，还会破坏孤岛中的部分电网的安全性和稳定性。因此，当发生孤岛效应时，应快速准确地切除并网逆变器，同时应从电站管理系统上进行有效的控制或抑制。

3.2 与常规能源等效性比较及应用建议

综合分析，太阳能的应用上应考虑其不稳定、易突变以及置信度低等特点，因此在船舶上使用，建议以下两类情况：

3.2.1 离网光伏系统

由于太阳能受气候、光照条件的影响，发电量存在波动现象，因此，离网型光伏系统向负载供电时，通常情况下会配备辅助能源蓄电池。其用途有两方面：其一，用作光伏发电富余时储能，当光伏发电作为主电源时，蓄电池无法通过其他方式充电，此时可利用储备的能源在光伏发电匮乏时进行补充。该蓄电池的容量应根据全天光伏发电内的有效时间与比重的要求决定，同时考虑一定的自给天数，从而使得光伏发电系统能满足全天的负载使用。其二，对于蓄电池可通过其他方式充电的，可根据实际需求，合理设计光伏系统。

3.2.2 并网光伏系统

并网光伏系统并非独自向负载供电，而是作为主电网能量的来源型式向负载供电，因此，蓄电池储存能源的配置，蓄电池的功率和容量以及自给天数等情况不列入考虑范围，仅需并网输出即可。但需引起注意的是，由于光伏系统发电受昼夜的更替及气象等条件的影响，在计算电力负荷时，一般发电设备总发电量中不计入光伏发电系统的发电量。

4 结论

由于太阳能光伏发电供电系统自身的性能特点，决定了其在应用中具有其特有的优势和相关制约。特别应用于船舶电网，为了能得到连续、稳定的太阳能，且最终成为能与常规能源相竞争的替代能源，这就需要解决蓄能问题，即把晴天的太阳能储备起来，满足夜间或阴雨天的使用需求；同时应致力于预防热斑效应、孤岛效应及电网稳定性的研究。目前这些问题正是太阳能在船舶红应用中最为薄弱的环节，也成为我们今后船舶太阳能应用设计必须重点考虑的问题，本文所做的分析为太阳能光伏系统在船舶应用提供了设计参考。

[1] 陈立剑，徐建勇. 太阳能光伏电力推进在船舶上的应用研究 [J]. 船海工程, 2013:160-164.

[2] 郑仁求, 俞万能, 陈景锋. 太阳能游览船舶电力推进系统仿真 [J]. 集美大学学报, 2014:122-126.

[3] 孙忠玉, 陈顺怀, 陆潮立. 太阳能在小型旅游船舶上的应用研究 [J]. 船海工程, 2010:132-134.

[4] 杨金焕. 太阳能光伏发电应用技术 [M]. 电子工业出版社, 2013.

[5] 李世民, 喜文华. 光伏组件热斑对发电性能的影响 [J]. 发电设备, 2013:61-63.

[6] 王军, 王鹤, 杨宏等. 太阳电池热斑现象的研究 [J]. 电源技术应用, 2012:816-818.

[7] 伊纪禄, 刘文祥, 马洪斌. 太阳电池热斑现象和成因的分析 [J]. 电源技术研究与设计, 2008:48-51.

[8] 陈鸣, 毛焱, 刘祝红. 分析太阳电池及阵列中二极管的作用 [J]. 中山大学学报（自然科学版）, 2011:37-41.

[9] 赵争鸣, 陈剑, 孙晓瑛. 太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术 [M]. 电子工业出版社, 2012.

[10] 王立乔, 孙孝峰. 分布式发电系统中的光伏发电技术 [M]. 机械工业出版社, 2010.

[11] 张兴, 曹仁贤. 太阳能光伏并网发电及其逆变控制 [M]. 机械工业出版社, 2011.

[12] 张彦, 袁成清, 严新平. 基于船岸一体的小型游船光伏系统的构建 [J]. 船舶工程, 2013:48-50.

Analysis of Application of Solar Photovoltaic System to Ships

Zhan Wenwei

(China Classification Society Xiamen Branch, Xiamen 361006, China)

TM914.4

A

1003-4862（2015）01-0016-05

2014-07-14

占文伟(1980-), 男, 工程师。研究方向：光伏电池。