船用太陽能電池板天線效應(yīng)對(duì)VHF通信頻段的影響

林 杰，袁成清，孫玉偉，嚴(yán)新平

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所，武漢430063;2.武漢理工大學(xué) 船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430063)

將太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用于船舶是目前綠色船舶發(fā)展的一個(gè)重要方向［1］。隨著船舶自動(dòng)化程度的提高，大量船用電子設(shè)備被用于通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)診斷及控制，這在提高船舶運(yùn)輸安全性和減少船員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，帶來了復(fù)雜的電磁兼容問題［2］。另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列的輸出電壓具有波動(dòng)性，逆變電路采用的是電力電子開關(guān)器件(一般使用IGBT或MOSFET)和PWM技術(shù)，使輸出電壓波形有很陡峭的d V/d t，d V/d t類似于電磁波發(fā)射源等［3］。這必然影響著船舶電子設(shè)備的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)上對(duì)于電磁干擾問題采取的解決方法是根據(jù)出現(xiàn)的電磁干擾問題去實(shí)施相應(yīng)的解決措施，這種方法將大大增加船用光伏發(fā)電系統(tǒng)研制、維護(hù)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。系統(tǒng)法是指利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)某個(gè)特定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電磁兼容性分析和預(yù)測(cè)。采用系統(tǒng)法的電磁兼容性設(shè)計(jì)思想，將該類系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，將大大減少系統(tǒng)研制的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。在船用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用系統(tǒng)法對(duì)船用太陽能發(fā)電系統(tǒng)電磁兼容問題進(jìn)行研究是必要的一環(huán)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于在輻射電磁干擾環(huán)境中太陽能電池板的天線效應(yīng)研究很少，文獻(xiàn)［4-6］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對(duì)比研究表明太陽能電池板具有天線效應(yīng)，但缺少對(duì)天線效應(yīng)的工作頻率的研究。船舶在航行時(shí)通信設(shè)備的安全運(yùn)行是船舶安全的保證，其中VHF船岸移動(dòng)通信是國(guó)際通用的通信手段。研究分析船用太陽能電池板在船舶VHF通信頻段的天線效應(yīng)具有重要意義的。

CST微波工作室能對(duì)所有的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，包括平面結(jié)構(gòu)?？梢杂?jì)算天線的輻射特性和機(jī)箱/線纜電磁兼容問題。本文采用CST微波工作室對(duì)太陽能組件進(jìn)行建模分析。

1 仿真對(duì)象

仿真對(duì)象為實(shí)驗(yàn)用的單晶太陽能電池板，其規(guī)格為340 mm×285 mm×18 mm，18 V，10 W，其封裝方式為Glass+EVA+Cell+EVA+TPT。見圖1，主要參數(shù)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)用單晶硅太陽能電池板

2 單個(gè)電池組件單元仿真研究

選取實(shí)驗(yàn)用的單晶硅太陽能電池板中的一塊太陽能電池進(jìn)行仿真，建立的模型見圖2。其中太陽能電池的尺寸為124 mm×14 mm×0.2 mm，材料參數(shù)為Silicon(lossy);柵電極尺寸為122 mm×0.08 mm×0.03 mm，材料為Silver，等距分布在電池上表面;互聯(lián)條寬2 mm，高0.15 mm，材料為Copper;背電極的厚度0.02 mm，材料參數(shù)為Aluminum。

表1 實(shí)驗(yàn)用單晶硅太陽能電池板參數(shù)

圖2 單個(gè)電池仿真模型

采用時(shí)域求解器，計(jì)算頻域?yàn)?～0.3 GHz，S參量見圖3。

從圖3的S參量數(shù)值可以很明顯地得到此太陽能電池在0～0.3 GHz頻率范圍內(nèi)，可以忽略其天線效應(yīng)，即其輻射干擾可以忽略。

圖3 單個(gè)電池的S參量求解

3 太陽能電池板仿真研究

文獻(xiàn)［4-6］研究表明太陽能電池板可簡(jiǎn)化為互聯(lián)條和匯流條組成的框架結(jié)構(gòu)研究其天線效應(yīng)。因此，本文將實(shí)驗(yàn)用的太陽能電池板簡(jiǎn)化為互聯(lián)條和匯流條組成的簡(jiǎn)單框架形式，其模型見圖4。其中匯流條的材料參數(shù)選為Copper。

圖4 實(shí)驗(yàn)用單晶硅太陽能電池板仿真模型

采用時(shí)域求解器，計(jì)算頻域?yàn)?～0.5 GHz，S參量見圖5。

圖5 實(shí)驗(yàn)用單晶硅太陽能電池板的S參量

由圖5可以分析得到此太陽能電池板的天線效應(yīng)的工作頻率約為0.313 8 GHz，其中根據(jù)國(guó)際電聯(lián)(ITU)規(guī)定，水上移動(dòng)業(yè)務(wù)VHF頻段無線電話頻率范圍是156～174 MHz，所以不在船舶VHF頻段范圍內(nèi)，所以此實(shí)驗(yàn)用單晶硅太陽能電池板安裝在船上，不會(huì)對(duì)船舶VHF通信產(chǎn)生有影響的輻射干擾，船舶VHF通信也不會(huì)對(duì)使用此太陽能電池板的光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生有影響的輻射干擾。

4 結(jié)論

分析實(shí)驗(yàn)用太陽能電池板，可以得到太陽能電池板在船舶上應(yīng)用時(shí)，其在輻射電磁干擾下的天線效應(yīng)可通過簡(jiǎn)化成互聯(lián)條和匯流條組成的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。雖然實(shí)驗(yàn)用太陽能電池板的天線效應(yīng)的工作頻率不在船舶VHF頻段，但靠近VHF頻段區(qū)域，而且不同的廠家和型號(hào)太陽能電池板的尺寸各不相同，所以在船用太陽能電池板的選型時(shí)，所選的太陽能電池板在輻射電磁干擾下其天線效應(yīng)工作頻率應(yīng)避開VHF頻段。

［1］嚴(yán)新平.新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望［J］.船海工程，2010，39(6):111-115.

［2］王 征，湯仕平，潘若恩.現(xiàn)代艦船電磁環(huán)境探討［J］.船舶工程，2004，26(2):48-50.

［3］趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)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.