太陽能光伏系統(tǒng)成功用于內(nèi)河商品汽車滾裝船

上海安盛汽車船務(wù)有限公司 忻堅(jiān)敏 范仲林 武漢理工大學(xué)能源與動力學(xué)院 湯旭晶 孫玉偉

眾所周知，大型船舶能耗巨大，是港口和沿海地區(qū)NOX、SO2和PM等污染物排放的重要來源，受到世界各國越來越多的重視。近年，IMO制定了更加嚴(yán)苛的防污染公約，各大船級社也均提出綠色船舶規(guī)范體系，綠色船舶技術(shù)日益成為造船航運(yùn)業(yè)競爭力的關(guān)鍵。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，太陽能在船舶應(yīng)用得到了海事界的極大關(guān)注。

太陽能船舶，或應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的船舶，是在船舶電力系統(tǒng)中集成零污染、零排放的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為基本技術(shù)方案，通過在航行中最大程度地利用光伏電能，降低柴油發(fā)電機(jī)組輸出功率，實(shí)現(xiàn)船舶在壽命周期內(nèi)燃油消耗量和溫室氣體排放量的顯著下降。當(dāng)前，國內(nèi)外應(yīng)用于各型船舶平臺上的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)容量不斷提升，集成方案不斷推陳出新，已使太陽能船舶成為最具推廣和應(yīng)用潛力的綠色船舶技術(shù)之一。

發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式

根據(jù)船用型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式，可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種。離網(wǎng)型系統(tǒng)單獨(dú)帶載運(yùn)行，通常設(shè)置容量較大的蓄電池儲能裝置以平衡光伏系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率，其與船舶電網(wǎng)之間不存在電能交匯，船舶電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性主要取決于在網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)組的電力輸出特性，因而對電力系統(tǒng)的安全性和可靠性基本沒有影響較低。離網(wǎng)型系統(tǒng)的適用性問題在于：設(shè)置大容量蓄電池組導(dǎo)致系統(tǒng)成本提高；低負(fù)荷運(yùn)行時，離網(wǎng)型逆變器運(yùn)行效率下降顯著。

并網(wǎng)型系統(tǒng)輸出的電能（交流電）并入船舶主電網(wǎng)，由綜合電力管理系統(tǒng)在全船范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度，因而具有較高的能源利用效率，通常需設(shè)置與光伏組件容量相同的蓄電池儲能裝置以實(shí)現(xiàn)動態(tài)的電能供需平衡。并網(wǎng)系統(tǒng)的適用性問題在于：并網(wǎng)型逆變器屬于電流源，無法對電網(wǎng)電壓起到支撐作用；其與船舶同步發(fā)電機(jī)組之間存在直接的電能耦合，因而會影響到發(fā)電機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定性，需重新計(jì)算電網(wǎng)潮流和短路保護(hù)。

就技術(shù)實(shí)用而言，離網(wǎng)型太陽能發(fā)電技術(shù)在民用商船相對成熟，而并網(wǎng)型應(yīng)用則需解決船舶電力系統(tǒng)某些負(fù)載大幅變化工況下穩(wěn)定并網(wǎng)逆變技術(shù)。

離網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了最大限度發(fā)揮光伏發(fā)電的效能，保證其在船舶電力系統(tǒng)中集成應(yīng)用的可靠性。首先，對安盛汽車船務(wù)所屬的800車位PCC系列在營姊妹船電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船調(diào)研，并對航線上日均有效太陽輻照強(qiáng)度與離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能、蓄電池容量、負(fù)載日均能耗等進(jìn)行了匹配優(yōu)化計(jì)算，完成了離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由太陽能電池陣列、光伏控制器、鋰離子蓄電池組、光伏逆變器和電力管理系統(tǒng)等組成。

該離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池裝機(jī)容量為37.125kWp；光伏控制具有最大功率跟蹤控制功能，具有100A×1.2倍電流通斷能力；蓄電池組總?cè)萘繛?28kWh；光伏逆變器容量為20kVA?？蓪?shí)現(xiàn)三種運(yùn)行模式：1）光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)：光伏發(fā)電大于負(fù)載消耗時，多余電能經(jīng)BMS充入蓄電池；光伏發(fā)電小于負(fù)載消耗時，無縫切換為光伏和蓄電池組儲能經(jīng)光伏逆變后向負(fù)載供電。2）光伏發(fā)電系統(tǒng)長期出力不足狀態(tài)：長期陰雨天光伏陣列電力輸出不足，且蓄電池組剩余容量降到設(shè)定下限，系統(tǒng)自動切換至船電旁路向負(fù)載供能。3）光伏系統(tǒng)故障：可手動切換聯(lián)鎖斷路器，由船電向負(fù)載供能。

研究開發(fā)的太陽能電力管理裝置可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)各模塊狀態(tài)參數(shù)實(shí)時采集，根據(jù)一定的策略對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測和顯示報警，另外，通過提取存儲的歷史數(shù)據(jù)，可對系統(tǒng)發(fā)電量、穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行評估，以便于對系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有利于系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

系統(tǒng)安裝聯(lián)調(diào)和測試檢驗(yàn)

根據(jù)中國船級社（CCS）《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范（2015）》和《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南（2014）》的相關(guān)要求，系統(tǒng)中的光伏控制器、蓄電池組及BMS、光伏逆變器和太陽能電力管理系統(tǒng)等關(guān)鍵性設(shè)備，均通過CCS嚴(yán)格檢驗(yàn)，并取得相應(yīng)的船用產(chǎn)品證書。

實(shí)船實(shí)施中充分考慮到最大化利用太陽輻射能、便于船員監(jiān)控管理和降低蓄電池艙室安全風(fēng)險等問題，具體措施包括：（1）光伏電池陣列設(shè)置安裝于羅經(jīng)甲板層，采用小傾角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備和蓄電池分別安裝于船員居住甲板層上的電氣設(shè)備間和蓄電池間；（3）針對大容量鋰離子電池散熱和消防滅火問題，設(shè)置獨(dú)立通風(fēng)機(jī)和七氟丙烷滅火報警系統(tǒng)；（4）太陽能電力管理系統(tǒng)增設(shè)至駕控室和集控室的延伸報警板。系統(tǒng)所有設(shè)備均于2015年9月在長航江東船廠完成安裝，圖2為該船光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)船安裝布置實(shí)景，圖3為太陽能電力管理系統(tǒng)界面。

圖2 “安吉204”輪光伏系統(tǒng)實(shí)景

圖3 太陽能電力管理系統(tǒng)登陸界面和主界面

2015年10月16日試航期間，由船級社、船廠和船東組織了對整套系統(tǒng)的運(yùn)行測試，主要包括：1）太陽能電池組件的輸出特性；2）光伏控制器輸入低電壓保護(hù)和恢復(fù)電壓閾值、短路保護(hù)、充滿斷開（HVD）、欠壓斷開（LVD）和恢復(fù)功能試驗(yàn)；3）太陽能電力管理系統(tǒng)參數(shù)顯示、報警、記錄功能試驗(yàn)，蓄電池間和電氣設(shè)備間環(huán)境溫度控制試驗(yàn)；4）光伏逆變器直流端欠壓保護(hù)、短路保護(hù)和光伏電能與船電雙向切換試驗(yàn)。并對系統(tǒng)進(jìn)行了四小時滿載效用試驗(yàn)。運(yùn)行測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能在滿載工況下穩(wěn)定運(yùn)行，電能質(zhì)量滿足CCS規(guī)范要求，鋰電池儲能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動充放電管理，光伏電能/船電雙模式自動切換可靠，狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)測功能完善。

上海安盛汽車船務(wù)有限公司聯(lián)合武漢理工大學(xué)新能源船舶項(xiàng)目組進(jìn)行多次考察調(diào)研，并在武漢理工大學(xué)牽頭承擔(dān)工業(yè)及信息化部高技術(shù)船舶項(xiàng)目多項(xiàng)技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)河汽車滾裝船型結(jié)構(gòu)和電力系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，研究形成內(nèi)河汽車滾裝船離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)方案。在上述實(shí)施過程中，得到了CCS、設(shè)計(jì)院和船廠大力支持和幫助，針對安裝工藝和系統(tǒng)功能完善提出了合理化建議。經(jīng)一年余的努力后，完全具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的船用離網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)成功應(yīng)用于“安吉204”內(nèi)河汽車滾裝船，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及性能均滿足船舶規(guī)范要求。本系統(tǒng)投入運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)年均發(fā)電約45000kWh（按每年300天有效運(yùn)行時間計(jì)算），可節(jié)約燃油約90000 kg，降低CO2排放量約28500kg，SOX約630kg和NOX約50kg。這必將成為我國長江黃金水道綠色航運(yùn)的示范和引領(lǐng)。