船用太阳能电池板天线效应对VHF通信频段的影响

林 杰，袁成清，孙玉伟，严新平

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉430063;2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉430063)

将太阳能光伏发电应用于船舶是目前绿色船舶发展的一个重要方向［1］。随着船舶自动化程度的提高，大量船用电子设备被用于通信、导航、监测诊断及控制，这在提高船舶运输安全性和减少船员劳动强度的同时，带来了复杂的电磁兼容问题［2］。另外，光伏发电系统中光伏阵列的输出电压具有波动性，逆变电路采用的是电力电子开关器件(一般使用IGBT或MOSFET)和PWM技术，使输出电压波形有很陡峭的d V/d t，d V/d t类似于电磁波发射源等［3］。这必然影响着船舶电子设备的正常运行。传统上对于电磁干扰问题采取的解决方法是根据出现的电磁干扰问题去实施相应的解决措施，这种方法将大大增加船用光伏发电系统研制、维护的时间和经费。系统法是指利用计算机软件对某个特定系统的设计方案进行电磁兼容性分析和预测。采用系统法的电磁兼容性设计思想，将该类系统电磁兼容设计与系统的功能设计同步进行，将大大减少系统研制的时间和经费。在船用太阳能光伏发电系统设计时，采用系统法对船用太阳能发电系统电磁兼容问题进行研究是必要的一环。

目前国内外对于在辐射电磁干扰环境中太阳能电池板的天线效应研究很少，文献［4-6］通过实验和数值计算对比研究表明太阳能电池板具有天线效应，但缺少对天线效应的工作频率的研究。船舶在航行时通信设备的安全运行是船舶安全的保证，其中VHF船岸移动通信是国际通用的通信手段。研究分析船用太阳能电池板在船舶VHF通信频段的天线效应具有重要意义的。

CST微波工作室能对所有的三维结构进行建模，包括平面结构。可以计算天线的辐射特性和机箱/线缆电磁兼容问题。本文采用CST微波工作室对太阳能组件进行建模分析。

1 仿真对象

仿真对象为实验用的单晶太阳能电池板，其规格为340 mm×285 mm×18 mm，18 V，10 W，其封装方式为Glass+EVA+Cell+EVA+TPT。见图1，主要参数见表1。

图1 实验用单晶硅太阳能电池板

2 单个电池组件单元仿真研究

选取实验用的单晶硅太阳能电池板中的一块太阳能电池进行仿真，建立的模型见图2。其中太阳能电池的尺寸为124 mm×14 mm×0.2 mm，材料参数为Silicon(lossy);栅电极尺寸为122 mm×0.08 mm×0.03 mm，材料为Silver，等距分布在电池上表面;互联条宽2 mm，高0.15 mm，材料为Copper;背电极的厚度0.02 mm，材料参数为Aluminum。

表1 实验用单晶硅太阳能电池板参数

图2 单个电池仿真模型

采用时域求解器，计算频域为0～0.3 GHz，S参量见图3。

从图3的S参量数值可以很明显地得到此太阳能电池在0～0.3 GHz频率范围内，可以忽略其天线效应，即其辐射干扰可以忽略。

图3 单个电池的S参量求解

3 太阳能电池板仿真研究

文献［4-6］研究表明太阳能电池板可简化为互联条和汇流条组成的框架结构研究其天线效应。因此，本文将实验用的太阳能电池板简化为互联条和汇流条组成的简单框架形式，其模型见图4。其中汇流条的材料参数选为Copper。

图4 实验用单晶硅太阳能电池板仿真模型

采用时域求解器，计算频域为0～0.5 GHz，S参量见图5。

图5 实验用单晶硅太阳能电池板的S参量

由图5可以分析得到此太阳能电池板的天线效应的工作频率约为0.313 8 GHz，其中根据国际电联(ITU)规定，水上移动业务VHF频段无线电话频率范围是156～174 MHz，所以不在船舶VHF频段范围内，所以此实验用单晶硅太阳能电池板安装在船上，不会对船舶VHF通信产生有影响的辐射干扰，船舶VHF通信也不会对使用此太阳能电池板的光伏发电系统产生有影响的辐射干扰。

4 结论

分析实验用太阳能电池板，可以得到太阳能电池板在船舶上应用时，其在辐射电磁干扰下的天线效应可通过简化成互联条和汇流条组成的框架结构进行计算。虽然实验用太阳能电池板的天线效应的工作频率不在船舶VHF频段，但靠近VHF频段区域，而且不同的厂家和型号太阳能电池板的尺寸各不相同，所以在船用太阳能电池板的选型时，所选的太阳能电池板在辐射电磁干扰下其天线效应工作频率应避开VHF频段。

［1］严新平.新能源在船舶上的应用进展及展望［J］.船海工程，2010，39(6):111-115.

［2］王 征，汤仕平，潘若恩.现代舰船电磁环境探讨［J］.船舶工程，2004，26(2):48-50.

［3］赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京:科学出版社，2005.

［4］MARIKO T，MASAMITSU T.Induction characteristics of a solar cell on the ground plane from radiated electromagnetic disturbances［C］∥Proceedings of the 20th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility，EMC Zurich 2009，2009:81-84.

［5］WADA TOMOYUKI，MORI TAKAAKI，TOKUDA MASAMITSU，et al.Radiated electromagnetic field from a solar cell for CISPR radiated emission measurement method［J］.IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2005(1):112-117.

［6］MARIKO T，MASAMITSU T.Induction characteristics of a solar cell to radiated electromagnetic disturbances［C］∥2008 Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility and 19th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility，APEMC 2008，2008:538-541.