太陽(yáng)能在救生艇

柯金丁 張海峰 袁鎵騰 張青松

摘 ? ?要： 隨著不可再生能源的無(wú)限利用及環(huán)境污染問(wèn)題的日益突出，新型環(huán)保的可再生能源必將成為未來(lái)人類社會(huì)發(fā)展的主要能源。太陽(yáng)能作為一種新型的可再生能源在各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用，歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家將太陽(yáng)能作為海上交通工具的動(dòng)力及輔助設(shè)備能源加以研究并取得初步的成功，研制出小型的太陽(yáng)能船舶。因此，應(yīng)研究一種太陽(yáng)能救生艇，利用太陽(yáng)能作為救生艇的輔助推進(jìn)動(dòng)力、改善救生艇的救生條件，從而提高救生艇的救生效率。太陽(yáng)能在救生艇上的應(yīng)用尚需解決許多關(guān)鍵問(wèn)題，如太陽(yáng)能電池板的安裝、蓄電池的充放電控制、系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性等，本文就太陽(yáng)能在救生艇上的應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行初步探討研究。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能 ? ?救生艇 ? ?光伏系統(tǒng)

1.太陽(yáng)能在海上的應(yīng)用現(xiàn)狀

1985年美國(guó)的德克薩斯州的Sun Smith公司推出了一種太陽(yáng)能充電裝置，可供車輛和船舶的蓄電池充電。之后，多個(gè)國(guó)家的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都成功制作了小型太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的模型船。上世紀(jì)80年代，日本松下電器產(chǎn)業(yè)股份有限公司研發(fā)了一艘太陽(yáng)能小艇，好天氣時(shí)在太平洋上航行，一天可發(fā)出7千瓦時(shí)電力。2000年，隨著世界第一艘商用太陽(yáng)能/風(fēng)能混合動(dòng)力的SOLAR SAILOR號(hào)（圖1）雙體客船在澳大利亞悉尼水域試航成功，標(biāo)志著可再生能源在船上的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的里程。該船的8片可調(diào)控翼帆覆蓋著太陽(yáng)能發(fā)電裝置，還用做風(fēng)帆，船長(zhǎng)約21米，可搭載100人左右。澳大利亞的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)近年又提出雄心勃勃的太陽(yáng)能船舶研究計(jì)劃，建立太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池和燃油混合動(dòng)力的多體船，計(jì)劃在近幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)環(huán)球航行。

圖1 ? ?澳大利亞的SOLARSAILOR號(hào)

除澳大利亞外，其他國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和瑞士等非常重視太陽(yáng)能船舶和混合動(dòng)力船舶的開發(fā)和研究，都研制了不少太陽(yáng)能游艇，并提出了相應(yīng)的研究計(jì)劃，計(jì)劃將太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源技術(shù)應(yīng)用在大型船舶上。2007年5月8日，經(jīng)過(guò)5個(gè)多月的航行，瑞士的全太陽(yáng)能動(dòng)力船“太陽(yáng)21號(hào)”（圖2）完成了橫渡大西洋之旅，成為世界上第一艘完全以太陽(yáng)能為動(dòng)力橫跨大西洋的船只。

圖2 ? ?瑞士的“太陽(yáng)21號(hào)”

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)船舶科學(xué)研究中心及上海大學(xué)等科研院所、高校也在開展或者關(guān)注太陽(yáng)能等可再生能源動(dòng)力船舶的研制，并建造出一些太陽(yáng)能動(dòng)力小艇。

2.太陽(yáng)能救生艇的設(shè)計(jì)思路

2.1太陽(yáng)能救生艇的提出

救生艇是一種具有一定浮力、強(qiáng)度、航速，在承載額定乘員的同時(shí)，還配備有一定的屬具備品，并在惡劣天氣下航行或漂流的剛性小艇，是海船非常重要的救生工具。當(dāng)海難事故發(fā)生時(shí)，船上人員可以借助救生艇迅速脫離難船，利用救生艇進(jìn)行海上求生活動(dòng)，以最大限度保證旅客和船員的生命安全。目前海船上配備的救生艇都是采用壓燃式四沖程柴油機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力，柴油機(jī)通過(guò)齒輪減速箱控制艇的進(jìn)車、倒車、停車，經(jīng)過(guò)尾軸傳遞到螺旋槳，使其正反旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)使艇前進(jìn)、后退或減速。但是該種救生艇配備的柴油只能維持救生艇持續(xù)航行24小時(shí)，當(dāng)燃料用完后，救生艇就失去自航能力，只能靠人力航行，給海上求生活動(dòng)造成巨大的威脅。因此，太陽(yáng)能救生艇是一種以太陽(yáng)能為輔助動(dòng)力，旨在提高救生艇的續(xù)航能力和改善救生艇的救生條件，從而提高救生艇的救生效率。

2.2太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)

太陽(yáng)能救生艇的核心是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能的系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能電池板、控制器、逆變器、蓄電池組、電動(dòng)機(jī)（交流負(fù)載）等。該系統(tǒng)各部分作用如下：

2.2.1太陽(yáng)能電池板：是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其作用是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能，供負(fù)載使用或儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)備用。

2.2.2控制器：是對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制的設(shè)備，是確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的控制核心。最主要作用是根據(jù)光照的強(qiáng)弱和負(fù)載的需求，自動(dòng)控制蓄電池的最佳充放電方式和時(shí)機(jī)，保證負(fù)載能夠持續(xù)、平穩(wěn)地獲得所需的電能。此外，還可以顯示整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障進(jìn)行指示和診斷，保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備。

2.2.3逆變器：將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的交流電。

2.2.4蓄電池組：是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能部件，采用酸鉛蓄電池。它的作用是將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電直接儲(chǔ)存起來(lái)，隨時(shí)向負(fù)載提供。當(dāng)光照較強(qiáng)，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能大于負(fù)載所需時(shí)，太陽(yáng)能電池板除了對(duì)負(fù)載供電，還對(duì)蓄電池充電，將多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)備用;當(dāng)光照較弱，電池板產(chǎn)生的電能小于負(fù)載所需時(shí)，蓄電池開始放電，并向負(fù)載供應(yīng)所需電能。

2.2.5電動(dòng)機(jī)：即所述的負(fù)載，是系統(tǒng)的動(dòng)力部件。電動(dòng)機(jī)獲得所需能量后運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力。

2.3太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作原理

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，在有光照的白天，太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成直流形式的電能，在控制器的控制下，一部分電能經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換，直流電被轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的交流電，該交流電可直接向交流負(fù)載（電動(dòng)機(jī)）供應(yīng)使其獲得動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)螺旋槳一起轉(zhuǎn)動(dòng);另一部分電能直接儲(chǔ)存于蓄電池組，在夜間或者白天光照不足的情況下，蓄電池開始放電，并經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換，放出的直流電被轉(zhuǎn)換成交流電，繼續(xù)供負(fù)載（電動(dòng)機(jī)）使用，從而產(chǎn)生動(dòng)力帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 ? ?太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)原理圖

而整個(gè)系統(tǒng)要連續(xù)、自動(dòng)、穩(wěn)定地運(yùn)行，控制器起著不可或缺的作用，控制器是整個(gè)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的核心。它將系統(tǒng)的各個(gè)元件串聯(lián)起來(lái)，保證各個(gè)元件能夠正常工作。一方面，控制器要計(jì)算負(fù)載運(yùn)行所需的功率，從而控制太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率，以滿足負(fù)載的需求。另一方面，它要控制蓄電池組的最佳充放電時(shí)機(jī)，以保證負(fù)載在各種天氣條件下都能夠獲得足夠的功率，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.太陽(yáng)能救生艇關(guān)鍵性技術(shù)研究分析

目前，關(guān)于太陽(yáng)能救生艇的研究?jī)H停留在理論階段，要將太陽(yáng)能救生艇應(yīng)用于實(shí)踐，研制出一種太陽(yáng)能救生艇，還有待進(jìn)一步論證研究。要將理論研究應(yīng)用于實(shí)踐，關(guān)鍵在于解決幾大關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。比如，太陽(yáng)能電池板的安裝問(wèn)題、蓄電池的選擇問(wèn)題、充放電的自動(dòng)控制問(wèn)題、系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性問(wèn)題等。

3.1太陽(yáng)能電池板的安裝

太陽(yáng)能電池板的安裝問(wèn)題是首先要考慮的問(wèn)題，因?yàn)樘?yáng)能電池板是整個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它能否最優(yōu)化安裝，關(guān)系到太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)能否產(chǎn)生足夠的電能。關(guān)于太陽(yáng)能電池板的安裝，我們首要考慮它的發(fā)電效率問(wèn)題。救生艇的外表面積本來(lái)就相對(duì)較小，能夠安裝太陽(yáng)能電池板的空間相對(duì)有限，因此在安裝太陽(yáng)能電池板時(shí)，我們基于兩點(diǎn)考慮：一是安裝在救生艇上的太陽(yáng)能電池板要足夠牢固，經(jīng)得起海上大風(fēng)浪的抗擊;二是產(chǎn)生足夠的電能，尤其是在光照強(qiáng)度不高的情況下，如何產(chǎn)生足夠的電能。

因此，為了解決上述問(wèn)題，我們提出這樣的方案：為了使電池板的受光面積盡可能大，我們?cè)诎惭b太陽(yáng)能電池板時(shí)，采用可折疊式翼形太陽(yáng)能電池板，這種電池板可以調(diào)整受光面積和受光角度，以便最大限度地利用太陽(yáng)能。在天氣晴朗的情況下，太陽(yáng)能電池板可以展開到最大受光面積，有效利用光能，在風(fēng)浪較大的情況下，考慮到它的牢固，可以適當(dāng)折疊太陽(yáng)能電池板，通過(guò)調(diào)整它的光照角度實(shí)現(xiàn)最大限度地利用光能。另外，為了提高太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率，我們采用聚透鏡提高受光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)弱光高效發(fā)電的目標(biāo)，其技術(shù)方案包括太陽(yáng)能電池板和覆蓋在太陽(yáng)能電池板受光面上的微棱透鏡板。微棱透鏡板由多個(gè)凸透鏡緊密排列而成，利用凸透鏡將照射到太陽(yáng)能電池板的平行太陽(yáng)光聚集成多個(gè)亮度更高的光束，能提高光電轉(zhuǎn)換效率和光照強(qiáng)度較弱時(shí)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓，使太陽(yáng)能電池板在弱光時(shí)也可以正常供電。

3.2蓄電池的選擇

蓄電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能部件，它的作用是將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電直接儲(chǔ)存起來(lái)，隨時(shí)向負(fù)載提供。當(dāng)光照較強(qiáng)，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能大于負(fù)載所需時(shí)，太陽(yáng)能電池板除了對(duì)負(fù)載供電，還對(duì)蓄電池充電，將多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)備用;當(dāng)光照較弱，電池板產(chǎn)生的電能小于負(fù)載所需時(shí)，蓄電池開始放電，并向負(fù)載供應(yīng)所需電能。因此蓄電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的元件之一，選擇一種性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格相對(duì)便宜的蓄電池尤其重要。目前，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中常應(yīng)用的蓄電池主要有傳統(tǒng)開口鉛酸蓄電池、閥控式密封鉛酸蓄電池和鉻鎳蓄電池三種，根據(jù)三種蓄電池的特性及價(jià)格等綜合因素考慮，閥控式密封鉛酸蓄電池是目前用蓄電池儲(chǔ)能的最佳選擇。

3.3充放電的自動(dòng)控制

選擇一種最佳蓄電池后，接下來(lái)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何實(shí)現(xiàn)蓄電池充電與放電的自動(dòng)控制，這就涉及太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的另一個(gè)重要元件——控制器。它是對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制的設(shè)備，是確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的控制核心。最主要作用是根據(jù)光照的強(qiáng)弱和負(fù)載的需求，自動(dòng)控制蓄電池的最佳充放電方式和時(shí)機(jī)，保證負(fù)載能夠持續(xù)、平穩(wěn)地獲得所需的電能。除此之外，它還應(yīng)該具有以下功能，以保證系統(tǒng)正常連續(xù)地運(yùn)行。

3.3.1信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)光伏系統(tǒng)中各種裝置和各個(gè)單元的狀態(tài)和參數(shù)，為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行判斷、控制、保護(hù)等提供依據(jù)。

3.3.2最優(yōu)充電控制?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前太陽(yáng)能資源狀況和蓄電池荷電狀態(tài)，確定最佳充電方式，以實(shí)現(xiàn)高效、快速地充電，并充分考慮充電方式對(duì)蓄電池壽命的影響。

3.3.3設(shè)備保護(hù)。光伏系統(tǒng)連接的用電設(shè)備在有些情況下需要由控制器提供保護(hù)，如系統(tǒng)中逆變器電路故障而出現(xiàn)的過(guò)壓和負(fù)載短路而出現(xiàn)的過(guò)流等，如不及時(shí)加以控制，就有可能導(dǎo)致光伏系統(tǒng)或用電設(shè)備損壞。

3.3.4故障診斷定位。當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)檢測(cè)故障類型、指示故障位置，為系統(tǒng)檢測(cè)維修提供方便。

3.3.5運(yùn)行狀態(tài)指示。通過(guò)指示燈、顯示屏等方式指示光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.4系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性

這里所指的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性包含兩方面：一是在內(nèi)部環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定;二是在外部環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定。內(nèi)部環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性，指太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備要正常運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)正常有序地運(yùn)行，尤其是保證系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需要自動(dòng)充放電，以滿足負(fù)載的要求。在保證內(nèi)部環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定性方面，控制器起著核心作用。關(guān)于控制器的作用前面已經(jīng)論述過(guò)。外部環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性，指整個(gè)系統(tǒng)安裝在救生艇后，要在海上變化多樣的環(huán)境下正常運(yùn)行，不僅要在風(fēng)和日麗的良好氣候下運(yùn)行，而且要在狂風(fēng)暴雨等不良?xì)夂蛳逻\(yùn)行。由全國(guó)光伏能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)提出并由寧波太陽(yáng)能電源廠、交通部標(biāo)準(zhǔn)研究所負(fù)責(zé)起草的《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——海上用太陽(yáng)電池組件總規(guī)范》對(duì)于平板型海上硅太陽(yáng)電池組件的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢測(cè)規(guī)范等均有明確的要求，其中包括溫度交變、振動(dòng)沖擊、冰雹沖擊、鹽霧腐蝕等環(huán)境下具體試驗(yàn)驗(yàn)證程序規(guī)范。因此，在海洋氣候環(huán)境下，光伏系統(tǒng)要特別考慮使用防風(fēng)雨及抗鹽霧的保護(hù)裝置，從而保證系統(tǒng)在外部環(huán)境條件下正常運(yùn)行。

4.結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能作為一種新型、環(huán)保、可再生能源，在各個(gè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用。在節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)的雙重制約下，太陽(yáng)能已經(jīng)初步應(yīng)用于海上交通運(yùn)輸工具，隨著太陽(yáng)能技術(shù)越來(lái)越成熟，其應(yīng)用將更廣泛。因此，只要解決太陽(yáng)能在救生艇應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題，太陽(yáng)能救生艇的問(wèn)世將成為可能。

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