浅析以太阳能为动力的远洋货船系统

徐燕铭， 滕宪斌， 葛 涛， 王冉然

(天津海运职业学院， 天津 300350)

浅析以太阳能为动力的远洋货船系统

徐燕铭， 滕宪斌， 葛 涛， 王冉然

(天津海运职业学院， 天津 300350)

通过新能源技术，针对船舶日益严重的排放，建造“亲环境”的船舶，以保护海洋环境，减少大气污染。以太阳能作为能源的船舶，利用新型技术，通过合理的设计和方法，保证船舶安全航行，满足人员需求，并提高船舶安全性和可靠性。

太阳能 远洋货船 PMS MPPT

1 前言

世界上很多航海区域面临着越来越严重的环境污染问题，减少船舶废气排放已经成为保护海洋环境的重要手段，因此选用无危害的新型绿色能源已成为造船行业的首选，其中被广泛推广的是LNG和太阳能。在排放方面相比于LNG，太阳能可以直接做到零排放；在能源开发方面，太阳能取用也比较方便，具有更广阔的应用空间。

2 太阳能能源

全世界都在找寻可替代的低碳能源，而太阳能正是地球上最为丰富的能源。太阳能是由太阳辐射所产生的，目前在工业领域的应用主要是发电，其转换和利用方式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种方式。

光热转换是指通过接受并聚集太阳辐射的能量，使之转化为热能，直接为我们所使用。

光电转换是指直接将太阳光的能量储存在电池中，从而给一些设备进行供电，原理是利用半导体材料的光伏效应来进行光电转换。

光化学转换是指利用太阳能电解水、光解水及热解水等各种化学方法来制氢，制得的氢可以用于燃料电池系统发电等。

对于这种新型的可再生能源，虽然已有应用于船舶的失例，但是在远洋货轮的使用方面还处于实验阶段。

3 太阳能船舶简介

目前，关于太阳能船舶可行性方案可以分为两种。第一种是将太阳能面板直接以平板的方式安装在船舶上，如著名船舶Turanor PlanetSolar，如图1所示。2010年9月第一次以太阳能供电的方式完成了在世界各地的旅行，在这艘世界上最大的太阳能双体船上，安装有537 m2的光伏面板，用以转换成电能，提供船舶日常的航行和人员生活需要。当然，它还配备有巨大的锂电池，用以在没有太阳的时候，船舶能够继续航行。这种船舶的优点是巨大的太阳能面板与船舶融为一体，没有占用太多船舶以外的空间，提高了船舶的稳性和安全性；且在船舶运行过程中，即使海况恶劣，也不会有太大的阻力影响船舶航行。同时由于采用了太阳能发电，能显著减少船舶在航行或者靠泊过程中产生的各种对海洋、大气和人体的不良影响，这也是所有太阳能船舶共同的优势。当然，这样设计的船舶也存在着缺陷。由于所有的太阳能面板须安装于船体，这就意味着只有在船体较大的情况下，才能安装太阳能面板，这点显然不适用于散货船舶。航行于世界各地的散货船舶，吨位越大所需要的推进动力也越大，然而用于安装面板的船体空余面积有限，因此，散货船舶的动力就会受到影响，从而制约太阳能的使用。

图1 Turanor PlanetSolar

第二种是将太阳能面板以集中的形式整体安装于船舶甲板之上。这种船舶上的太阳能面板数目不受船体大小的限制，可以安装多块以提高其动力，同时作为安装在远洋货船上的太阳能面板，利用一定的机械装置改变其面板迎向太阳的角度，可以显著提高太阳能的利用率。当然，缺点也是显而易见的：①将巨大的面板安装于甲板之上，无形之中增加了船舶在航行过程中的阻力；②面板的高度如果过高，将直接影响驾驶台的视线，增加了船舶在航行过程的中不安全因素；③面板的重量增加了船舶在航行过程中的不稳定性，尤其在恶劣海况下，船舶本身摇晃剧烈，稳性会受到巨大的考验。

总结以上两种情况，现代新型太阳能远洋船舶必须要具有以下特点。

(1) 要具有足够的动力来完成远洋航行，即使遇上恶劣海况，也不能影响船舶的安全航行，这对目前已经投入运行的太阳能船舶提出了更高的要求。

(2) 完全能够满足人员生活需求和船舶货物装卸的需要。在船舶高速化发展的今天，对于一些用电量特别大的船舶，如冷藏船，要设计切实可行的方案满足其用电需要。

(3) 太阳能面板的安装不能影响船舶的正常航行，须保证驾驶台足够视野，船舶在航行过程中具有足够的稳性和安全性。

(4) 对于安装在甲板之上的太阳能面板，在船舶靠港期间及进行装卸货的过程中，如能收进到全封闭的舱室内，这样既可以保护太阳能面板，使其不会被碰伤、污染；同时，也可以减少装卸货过程中，码头工人视线受到太阳能面板遮挡的不良影响。

(5) 太阳能船舶航行后，须能够切实有效地抑制海洋环境的继续恶化，且不能对人体造成任何危害。

图2和图3所设计的船舶首先要安装足够数量的面板；其次，面板的角度要随着太阳的角度不同而可调，始终需能够接受最多太阳光照射；其次，在考虑太阳照射的因素后，还要能够以最小的阻力航行，以达到较高的经济性；最后，在码头靠泊期间，完全有巨型电池进行供电，太阳能面板可收缩放进甲板两侧的密闭空间内。

4 船舶系统

太能能船舶的动力完全由太阳能来提供，通过一系列的转换，将太阳能转换成电能，并储存起来，输送至电动马达来驱动船舶，并提供必要的电力，以供人员生活和货物运输。采用电力来推进船舶，能够使船舶实现良好的机动控制，减少机舱噪音，更为重要的是，电力推进有利于船舶控制环境污染，降低排放。

图3 安装可旋转太阳能面板的船舶

太阳能船舶系统由光伏阵列(见图4，由多个太阳能面板组成)、蓄电池组、升压转换器、可逆变频器、逆变器、充电控制、放电控制和用于管理能量的计算机(能量管理控制器)组成。

图4 太阳能船舶系统

4.1 电源管理系统

电源管理系统(Power Management System,简称PMS)主要用来管理船舶使用的电能，帮助船长实现正确的航行和管理。在PMS中，重要的是电源的存储装置即蓄电池组，它被用来平衡输入能量和输出能量之间的差值。同时，在天气状况不佳或夜晚时，用以提供足够的电能。蓄电池中，由于电能的流入和流出，易对蓄电池组的容量和性能产生影响，造成过早的衰减(如图5所示)，因此，必须有一个精确的能源管理策略来进行控制。安全可靠的航行关键在于了解电池组中真正储存的电能。

4.2 MPPT控制

MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制技术被广泛应用于太阳能发电，如图6所示。通过设置太阳能面板的输出电压来获得最大输出功率。如果工作点在最大输出功率的左侧，则dP/dV>0；反之，如果工作点在最大输出功率的右侧，则dP/dV<0。

根据图6的特性，控制方法如下：建立一个太阳能面板的工作电压，形成一些周期性扰动的电容，通过调节升压转换器，与前一个的输出功率进行比较。如果输出功率增加，意味着工作点在最大输出功率的左侧，这时候应继续维持以增加输出电压；反之，如果输出功率减小，则工作点在最大输出功率的右侧工作，会慢慢偏离最大功率点，应改变扰动方向，降低太阳能面板的输出电压。

4.3 充放电控制器

通过接收到的信息进行管理控制，能量来自太阳能面板。在充电过程中，充电控制器可以测量流入到蓄电池组的能量，当蓄电池组完成充电，能量会被发送到另外一组需要充电的电池组中。放电控制器控制一个单一的蓄电池组进行完全放电过程，在

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图5 电池容量衰减图

放电过程中，放电控制器测量能量流并加以控制，和前一个充电过程的数据进行比较，通过这一比较，可以建立电池老化的标准，用以确定蓄电池组中真正存储的能量。

4.4 管理控制

管理控制系统的作用主要是确定真正可用于航行的能量和提供船舶的自主性信息。为了实现这一分配，系统保存了能量流的信息和蓄电池组完整充放电的过程数据，所有电气系统的性能都通过管理系统来监控，它还管理着蓄电池组充放电的时间。通过这种管理策略，不仅可以检查电池的寿命，还可对蓄电池组充电/放电的数量进行限制。

5 结论

图6 太阳能面板输出特性曲线

不是所有的船舶都适合采用太阳能为动力，它的先决条件是船舶必须有足够大的甲板，并且采用太阳能以后能够对海洋环境污染切实起到限制作用。但随着全球能源危机的不断加剧，使用可再生能源来提供船舶所需的动力和电力必将是趋势，如何更加精确地制造和管理是以后“亲环境”型太阳能船舶需重点考虑的问题。

[1] 林杰，袁成清，孙玉伟等.太阳能电池板在不同类型船舶上的布置优化[J].船海工程,2010，6：116-120.

[2] 卢晓平，魏光普，张文毓．太阳能动力船舶发展综述[J].海军工程大学学报,2008，4：45-50.

[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,2010,6:132-134.

[4] 张敏敏，康伟.一种混合动力电动船舶能源管理系统的设计[J].中国水运：下半月，2011，12：67-69.

Analysis of Ocean Going Vessel System Powered by Solar Energy

XU Yan-ming， TENG Xian-bin， GE Tao， WANG Ran-ran

( Tianjin Maritime College, Tianjin 300350， China)

In order to protect the marine environment and to reduce the atmospheric pollution, the new energy technology is applied to build environmentally-friendly ship. Using new technologies in shipbuilding, mechanical and electrical design, solar-powered ship can satisfy the seamen′s needs and improve the safety and reliability.

Solar energy Ocean going vessel PMS MPPT

天津市教委高校科技发展基金计划项目(编号20110425)。

徐燕铭(1987-)，男，讲师。

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