太陽能技術在船舶上的應用可行性分析

魏伊凡

摘 要：船舶航運業(yè)務是當今世界貨物運輸?shù)闹饕獱I運方式，同時船舶自身也是一個大耗能的運輸工具，為了迎合國家開展的可持續(xù)發(fā)展道路，技術人員需要研發(fā)更加科學環(huán)保的綠色船舶。太陽能作為一種船舶動力的新能源，被視為前景良好的能源技術，本文介紹利用最新技術，將太陽能在提升船舶續(xù)航能力問題上和提高船舶的性能方面進行研究，提出幾點有利于能源高效利用的可行性措施。

關鍵詞：太陽能；船舶；光伏技術

海上運輸世界各國人民文化、經(jīng)濟交流的重要渠道，同時也是天然的交通要道。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，海上貨運也隨之增長，船舶的噸位和尺度也在不斷的增加。由于船舶在航運作業(yè)中需要大量的能量供給，船舶的柴油機排氣對大氣和海洋造成了毀滅性的污染，所以對船舶的創(chuàng)新和研發(fā)成了現(xiàn)下改善海洋污染的核心內(nèi)容。

1 太陽能概述

（1）太陽能作為一種新型可再生能源，它純凈無污染，有著非常廣闊的可塑性與利用性，同時太陽能的低能量低密度性其能量是取之不盡用之不竭的，因此太陽能是最有價值的開發(fā)對象。

（2）雖然太陽能具有無法比擬的優(yōu)越性，但是作為能源被利用時也要思考它的缺陷：一是，太陽光照的分散性，太陽能能量密度低、熱能不均勻。如夏日晴朗的天氣，一平米接收到的熱能大概為一千瓦，所以想要利用太陽能輸出一定量的電量，就需要大面積的鋪蓋電池板，才能達到較高的轉換效率。二是，太陽光的不穩(wěn)定性。由于受到地球經(jīng)緯度、季節(jié)、晝夜、天氣、海拔、地域等自然條件的限制，傳達到地面的輻射量非常不穩(wěn)定，對開展太陽能的使用具有一定的影響。[1]三是，太陽能的效率低造價成本高。雖然我國技術成熟經(jīng)濟雄厚，在理論上對太陽能的利用是可以進行研究的，但是相對于太陽的能量轉換效率來講，投入與收入不成正比甚至低于成本，所以想要開發(fā)并利用太陽能，必須了解與太陽能相關的知識，如運轉規(guī)律、不同時段地域太陽輻射地球的時間長短與熱能。

2 太陽能船舶的優(yōu)勢

2.1 對環(huán)境無污染

太陽能是一種純天然、零污染取的可再生能源。如今，太陽能正逐步民用化，如太陽能發(fā)電裝置、太陽能熱水器、太陽能電動車等，在這方面中國很多企業(yè)已經(jīng)掌握了世界領先技術。而太陽能船舶最大的特點就在于利用太陽能作為船舶動力來源，它是一種無污染，對環(huán)境友好的綠色船舶。

2.2 有效提升對船舶的操縱

采用電力馳航的太陽能輪船與傳統(tǒng)燃油機推動螺旋槳馳航相比較來說，太陽能的船舶在經(jīng)濟、噪音、振動、船舶操縱、機艙布置、安全可靠等方面具有著明顯的優(yōu)勢，例如大大提高了機動性能，使船舶在馳航的作業(yè)中操縱更靈活，明顯的比燃油直接推進的過渡過程縮短了，具有較強的應付緊急狀態(tài)能力，有效的保障了航行的安全性。

3 太陽能在船舶中應用分析

（1）目前太陽能電池的光伏轉換率問題，是制約其技術推廣的主要因素，船舶在馳航的過程中，通常都會遇到遠航動力供應不足的情況。太陽能光電系統(tǒng)一種電子技術的逆變電源，可靠性高使用壽命長，不僅能夠獨立發(fā)電又能并網(wǎng)運行。相比常規(guī)的特性發(fā)電機而言，光電系統(tǒng)在受到外界無先兆壓力時，僅產(chǎn)生很小的變形和斷裂破壞。

（2）如何能夠在面積有限的甲板上安裝更多的光電伏組件，是太陽能能船舶必須解決的問題。一般情況下太陽能電池板的布置要根據(jù)船舶自身特點以及船舶外形綜合規(guī)劃，盡量最大限度的利用太陽能。在鋪蓋太陽能電池般的時候，要根據(jù)不同的船型不同的區(qū)域設計不同的太陽能電池板，因為不同區(qū)域的電池板功效不同輸出的電量就不同，所需電池板的造價也會不同。[2]例如躉船，它沒有動力裝置，主要在照明和一些電器設備上涉及到電力，一般情況下不需要太大的電量，設置電力板時采用平頂?shù)姆绞绞亲罱?jīng)濟的。

（3）無論采用離網(wǎng)模式還是并網(wǎng)模式運行船舶太陽能光伏系統(tǒng)，均需要設置大容量蓄電池作為能量供給，而當前具有較高能量的鋰離子蓄電池是較好的選擇。①離網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以獨自空載運行，通過逆變器變?yōu)榻涣麟姽┰O備直接使用，不用依靠船舶電網(wǎng)系統(tǒng)，不會對整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生影響。另外離網(wǎng)型光伏需要容量要多于光伏組件總容量的儲能裝置，以滿足光伏系統(tǒng)容量與負載日均能耗交匯所需，并且實現(xiàn)供電端和負載端兩者動態(tài)之間的電能供需平衡。尤其是，離網(wǎng)逆變器的電量輸出功率受到負載功率的阻礙，如長久的在低功率情況下運行，會降低逆變器的運行效率，造成光伏電能的浪費。[3]②并網(wǎng)光伏系統(tǒng)無論在任何太陽輻射度的條件下，都能達到最大的輸出功率，僅需要設置很少的儲能裝置就能實現(xiàn)動態(tài)的電能供需平衡。由此可見并網(wǎng)系統(tǒng)具有以下特點：一是，光伏系統(tǒng)直流側電氣量與交流側電氣量的支配關系突出。二是，電網(wǎng)參數(shù)直接影響著光伏逆變器的并網(wǎng)運行和操控策略。三是，并網(wǎng)逆變器不支持電網(wǎng)電壓，不能抵抗強大的電網(wǎng)沖擊。四是，具有儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，一般設為恒功率輸出，同步發(fā)電機完全可以平衡船舶負荷作業(yè)下產(chǎn)生的波動。五是，當其中一組電網(wǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)波動超出并網(wǎng)設定值時，光伏系統(tǒng)的陡停將加劇整個電網(wǎng)系統(tǒng)的振動，等同于降低了暫態(tài)系統(tǒng)的裕度值，極易導致電網(wǎng)斷電、機組解列、發(fā)電機失去同步。

（4）離并網(wǎng)混合型光伏系統(tǒng)兼顧離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種系統(tǒng)的特點，依照船舶航線不同的輻照強度、負載情況、船舶電網(wǎng)運行狀態(tài)，在兩者系統(tǒng)運行模式下進行互換或彼此脫離作業(yè)，具有較強的獨立性和適用性。因而離并網(wǎng)混合型光伏系統(tǒng)的技術安全性和自動化管理技能也是三者中最優(yōu)越的。

4 結語

綜上所述，太陽能船舶的開發(fā)利用，不僅能解決世界資源的緊缺問題，還能從根本上解決船舶在航行運輸作業(yè)過程中對大氣和海洋造成的污染與破壞，能有效的保護海洋，促進人類與環(huán)境的和諧、持續(xù)性發(fā)展。

參考文獻：

[1]嚴新平，孫玉偉，袁成清.太陽能船舶技術應用現(xiàn)狀及展望[J].船海工程，2016，45（01）：5054+60.

[2]盧曉平，魏光普，張文毓.太陽能動力船舶發(fā)展綜述[J].海軍工程大學學報，2008（04）：4550+61.

[3]賀圣強，魏驍，于安斌，徐濤，李佳衛(wèi).太陽能在船舶上應用現(xiàn)狀及展望[J].電源世界，2014（09）：4244+41.