太阳能光伏技术在船舶上的应用研究

随着石油供给的日趋紧张，以及对船舶环保要求的不断提高，采用新能源船舶已大势所趋，其中船舶系统采用清洁能源的研究成为未来船舶开发、研制的新趋势。无污染的太阳能、波浪能等“干净”能源的开发和利用，使船舶装备获得大量的补充能源，为确保船舶安全航行，同时，可有效降低船舶发电机或主机的能量消耗，电池帆板及转换装置布置在船舶上，以完成太阳能的集能工作，光伏电能可通过将所集能量转换来获得，船上电气设备可以直接使用光伏电能，也可将其储存入储能器。光伏发电系统是太阳能在船舶中应用的主要装置，在船用新能源的开发中，具有广阔的发展前景。

1 国内外太阳能船舶研究现状

1985 年，太阳能发电技术在船舶上利用的想法就已经出现了，美国SunSmith 公司研发出一种充电装置，该装置从太阳能中获取能量，车辆和船舶均可利用这种装置给蓄电池充电。种类繁多的小型太阳能游船被各国的公司和研究者开发出来。20 世纪80 年代，一艘太阳能小艇被日本松下电器研制成功，通过在太平洋上航行测试，一天可发出电量7kwh。

本世纪初，SOLAR SAILOR 号双体客船在澳大利亚水域试航成功，该双体客船是世界上第一艘风能、太阳能混合动力驱动船，标志着可再生能源在船舶上的利用进入了新阶段。该船船长21m，可搭载100 人，装备有8 片可调控的翼帆，覆盖在太阳能发电装置的上面。近几年，澳大利亚的研究人员开始着手建立混合动力多体船的开发计划，太阳能、风能、燃油混合动力已被很多欧美国家关注，并开始着手建造了很多太阳能游艇，制定了相应的研究计划。

我国再生能源船舶的研制起步较晚，开展太阳能船舶的研制的企业和研究机构也在逐年增加，并建造出了一些太阳能动力小艇，比如，用于迎2008 北京奥运活动的太阳能游船，2010 年，在上海世博会期间，“尚德国盛”号太阳能游船（如图 1），该船具有餐饮娱乐、商务会议等多种功能， 2013 年厦门筼筜湖太阳能玻璃钢双体游览船（如图2）。

图1 “尚德国盛”号太阳能游船

图2 “筼筜号”太阳能游览船

2 船舶应用太阳能的技术关键

太阳能助力船舶的三类方式：（1）船舶主动力借助于太阳能；（2）船舶主动力采用风能、太阳能混合动力；（3）船舶辅助系统的电力补充。在船舶中太阳能的助力，特别是对于大型远洋船舶，还有很多技术关键亟待解决和完善。

2.1 太阳能帆板在船体平台的布置问题

在船体平台上，太阳能电池帆板的光伏阵列如何布置？为获得较好的节能效果，在何种船上布置？这成为太阳能船上应用所面临的首个难题，这需在船体总体布局中加以考虑，首先需要解决的问题是：（1）适用船型的论证；（2）船舶水动力性能研究。当前，太阳能驱动的汽车和太阳能助力的飞机试验已经开展，与汽车、飞机不同，船舶的受光面积更大，另外，由于船舶较低地行进速度，在船舶上安装太阳能装置具有很明显的优势，而且，太阳能装置重量不大，船舶自重、稳性等不会受到太大的影响，安装在甲板上的太阳能采光板和集热器还会起到对船舱隔热、降温的作用。

2.2 如何获得太阳能的高利用率

如何最大可能地获得太阳能的高利用率，仍是该技术推广的矛盾焦点。有两个方面的问题亟需解决：（1）提高能量转换效率；（2）提高能量接收效率。

2.3 如何跟踪、控制最大功率点

跟踪控制太阳能电池的最大功率点工作，主要包含：（1）先建立数学模型，寻求可行的求解方法，以输出最大功率；（2）系统的精度及稳定性的提高，以适应天气变化带来的不良影响；（3）采用可调步长优化方法，提高跟踪精度；（4）应用MATLAB 的模糊逻辑功能，不调制输出电压，从而避免了部分功率的损失；（5）在某一时刻，由于功率输出函数连续、可导，所以，MPPT 控制可采用二次插值法完成。

跟踪控制最大功率点的常见算法有：扰动法、控制恒定电压法、梯度法、增量导纳法4 种。不同工况应选择不同的算法，以及不同的硬件，PLC 和单片机常被使用。

2.4 电能的转换、存储

全天候船舶航行动力以太阳能为主的实现，仅仅提高太阳能能量转换效率是不够的，还需发挥储能器的作用。目前，在用储能器主要有：铅酸型蓄电池、锂离子型蓄电池、氢燃料型电池。因其功率范围宽、比能高、容量大、噪音小，氢燃料电池被广泛使用。储能器的特点是：能量空间和密度通过时间积累获得。

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