太阳能船技术发展史及应用特征研究

伍赛特

0 引言

太阳辐射能作为一种重要的可再生能源，在开发利用过程中具有显著的优势，可以预见在后化石燃料时代太阳能将成为人类社会主要的利用能源之一。

太阳能在能源利用形式上有太阳能发电（包括光伏发电和光热电利用，前者是利用光生伏特效应将光子转换为电子、光照辐射能转换为电能的过程；后者是利用太阳辐射能加热液体，使之汽化从而推动发电机发电）、光热利用、光化利用和光生物能利用四种。

较之后其他几种能量利用形式，太阳能光伏技术具有相对较高的能源转换效率和能源品质（电能），且在工程化实施方面的技术难度相对较低。

1 太阳能船国外技术发展史

国外对太阳能船的研究，开始于1993年的世界太阳能船舶大赛SOLAR SPLASH。该赛事由美国机械工程学会和相关企业赞助，于1993年开始了第一届比赛，以后每年举办一届，现已发展成为世界各国大学生的竞赛平台，称为世界大学太阳能电动船大赛。该比赛对船舶的船长、船宽、太阳能电池板的额定功率、蓄电池的容量、船用电机的功率等一系列参数都有严格的上限规定，现在已经成功举办了16届。

2000年，澳大利亚开发出世界第一艘商用的太阳能/风能混合动力双体客船，这是一种既可将太阳能和风能单独作为动力，又可合二为一的新型船舶，可载100人。该船如果只用太阳能，其航速为6. 5 kn，用风能航速会更高些。船的每个单体都由首尖舱、蓄电池舱、机舱和尾尖舱组成，配有GPS、罗经、自动舵、测深仪、电子系统、测风仪和液压操舵装置等。船体和上层建筑为玻璃增强复合材料，每块太阳能翼板上所采集的太阳辐射能转换成275 V、6 A的直流电，再储存到272 V的蓄电池中，用来驱动电力推进器的电机。

2006年10月16日，瑞士开发出太阳能船“太阳21号”，从瑞士巴塞尔起航前往美国纽约，并于2007年5月8日顺利抵达目的地。这是世界上船舶首次依靠太阳能提供的动力能源横穿大西洋。

2008年8月26日，日本邮船株式会社与新日本石油公司合作耗资1.5亿日元在旗下一艘船长200 m，排水量达60 213 t的滚装船“御夫座领袖（Auriga Leader）”号上装上太阳能光伏系统。其由328块太阳光板组成电池阵列，电能输出功率可达40 kW，能满足该船的照明需求及动力需求。滚装船的动力燃料依然是重油，太阳能发电主要使用在机舱内的机器和发动机的制动等动力系统中。

2010年2月10日，亚洲最大的全太阳能船在中国台湾高雄下水，正式投入营运，这艘船耗资150万元，船长13 m，采用双体船型，并搭配目前台湾厂商所能提供的最大电池54 kW·h锂蓄电池组，两台20 kW电动机，最高航速可达9 kn，以3 kn航速至少可行驶9h，可搭载36名乘客。

2010年2月25日，世界最大的全太阳能动力船Turanor Planet Solar号，在德国基尔下水，该船长31 m，宽15 m，重60 t。船体上方安装有太阳能板并由其提供动力，最高船速可达14 kn。

2010年2月，由英国考文垂大学的Alastair Callender设计的Soliloquy Super-Green游艇在阿布扎比展出。艇长58 m，宽9.5 m，吃水3 m，动力机械包括2台单机240 kW功率的电力驱动推进器、4台单机109 kW功率的发电机组、2台单机132 kW功率的船首侧推器。Soliloquy游艇采用混合动力、太阳能、风能为动力，以使噪音及振动达到最小值，并实现污染零排放，具有显著的运营成本节约效果。游艇上配备的混合船舶动力（Hybrid Marine Power，HMP）系统能将太阳辐射能存储在蓄电池中并为游艇提供电力而无须另外配置发电机组。仅使用游艇上600 m²太阳能面板提供动力时，游艇航速可达6～8 kn；仅使用风能动力时航速为8～10 kn；使用发电机动力时航速为14 kn；使用推进机械动力时航速可达16～18 kn。

2 太阳能船国内技术发展史

1998年12月，台湾嘉鸿集团与德国知名太阳能船设计制造公司Solar Water World共同合作开发世界首款量产太阳能船Sun Cat 23号游艇，船长7 m，可搭载12人，船速可达6.48 kn，所安装的高效能太阳能板发电功率可达800 W，用以维持Sun Cat 23号的正常运作。船上蓄电池所储存的电力，在无太阳能充电时，仍足够让船只航行一天。该船采用双体船壳设计，可有效降低船舶航行阻力及提高稳定性，使该船能够以最少的电力航行。

为迎接2008北京奥运会，由北京市太阳能研究所承接完成的前导性科研项目——太阳能游船，于2003年9月起在颐和园水面投入使用，这是我国第一艘太阳能游览船。该船长11.8 m，宽3.6 m，额定载客人数30人，顶部装配了3.6 kW单晶硅太阳能电池板，通过具有最大功率跟踪功能的智能充电器，将电能存储在蓄电池中。船的动力部分使用全新的脉宽调制技术实现无级调速，这种设计可以最大限度地节约能量，游船时速可达4.32 kn，具有无污染、动力强劲、运行平稳、噪声低等优点。

2007年11月我国沈阳泰克太阳能应用有限公司研制了001号太阳能旅游船，船长6.2 m、宽1.9 m、可载9人，航速可达5.4 kn。船体的设计可分为单浮筒、双浮筒和三浮筒三种型号。这种太阳能旅游船在大于4级风的条件下可持续航行6 h，并且操纵使用简单方便，其后获得辽宁省船舶检验局颁发的内河小船检验证书，并于2008年3月获得国家专利。这是迄今为止我国建造的第一艘太阳能旅游船。

2010年2月，台湾光宝科技旗下光宝动力储能（Lite-On Clean Energy）为高雄市设计建造5艘太阳能观光船——“太阳能爱之船2”号（号称亚洲最大太阳能船队）。该船长13 m，采双体船设计，乘载量为36人，船上配备6组蓄电池，每组容量为48 V、90 A·h，总蓄电量高达26 kW·h，船上配置2个20 kW交流马达，总动力约38 kW，最高航速可达9 kn，若以3 kn航速运行则至少可行驶9 h。与传统燃油观光船相较，该太阳能电动船具有零污染、低噪声等优点，能源消耗量仅需同等燃油船的1/4～1/3。在一般日照下，加上太阳能板所提供之电力，可再节省25%能源耗量。

2010年6月5日，上海世博园企业联合馆联合尚德电力控股有限公司和上海国盛集团共同宣布，中国第一艘太阳能动力游船“尚德国盛”号首航，并被确定为上海世博会上海企业联合馆的“移动展馆”以及指定用船。“尚德国盛”号船长31.85 m，总宽9.8 m，高7 m，吃水深度2.35 m。该船是国内第一艘采用太阳能、锂电池及柴油机发电机组多种能源混合供电的船舶，在不同的日照情况下，船体行驶所使用的动力可通过计算机在太阳能和柴油机组间进行自动调配，时速可达8.1 kn，节省电力和减排均达到30%以上，与传统观光游览船相比，太阳能游船使用光伏发电提供动力，不仅更节能，而且更清洁。

太阳能虽然具有取之不尽、用之不竭、分布广泛、容易获取和清洁环保等众多优点，但其在被开发和利用过程中也存在能量分散性大、密度低，光照强度因季节、昼夜的变化而具有间歇性，同时受气候、地理环境的影响等众多固有缺陷。为尽可能提高太阳能利用率，在提高光伏电池的光电转换效率和电能存储效率之外，还需要进一步研究光伏电池对太阳光谱中特定波长区域的利用、太阳与地球之间的方位关系、如何有效增加光伏系统所接受的日照时间以及最佳日照角度等问题。

针对太阳能船舶的营运状况，准确地对船舶运行航线所涉及区域进行太阳能辐射资源的统计分析，一方面可以有针对性的根据需求选择、设计或建造相应船型和吨位的船舶。例如，对于内陆的湖泊和江河中的游船，航线区域分布范围和风力灾害的影响较小，采用平底船和双体船结构可在提高太阳能电池阵列安装面积的同时，满足平稳性和舒适性的要求。对于大型的远洋运输船舶，其现有船型设计主要是基于特定的用途，在船舶设计之初并未对光伏系统的安装和应用予以考虑，涉及到船舶电网的大范围电网改造成本较高，因此，作为附加辅助系统，应用在具有较大空置甲板面积的船型上才具有的一定的合理性和可行性；另一方面可以对整套光伏系统的设计、建造和安装提供较为准确的评估数据，以期在进一步工程细化过程中有效降低太阳能光伏系统的整体造价。

3 船用太阳能光伏系统

近年来，面对能源资源和减排环保两大问题，国内外在新能源开发和利用方面，将风力发电、太阳能电池和燃料电池等作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向，并取得了重要的成果。例如美国和加拿大等国家在燃料电池的化学反应机理、合成材料和反应堆研制等方面取得了突破；法国、日本等国家正在开展燃料电池、太阳能应用于船舶能源的研究。

考虑到船舶航行的实际状况，若单方面以利用太阳能所转化成的电能作为主动力装置的能量来源为出发点，对于有些船型是难以实现的。然而，若考虑为船舶电气系统提供一个相比较而言更为清洁经济却又独立于船舶发电机组之外的电力来源，在船舶上应用太阳能光伏系统对于节能减排和降低企业运营成本显然会起着重要作用。

3.1不同船型的适用性

太阳能光伏系统由于其在设计过程中存在容量和使用模式的差别，故其所能适用的船型对于小型游船而言，如德国的全太阳能动力双体船"星球太阳"号，其动力系统的负载不大，通过优化设计甲板空间就可以提供足够的光伏电池阵列安装面积，进而满足该船电力推进系统对电能的需求；对于大型远洋船舶而言，如日本的滚装船“御夫座领袖”号，尽管其甲板上有足够的使用空间，但是基于技术风险和成本控制等因素，其光伏系统的设计容量只有40 kW，不仅难以满足船舶动力系统的需求，仅对照明负载的电能贡献率也未能超过10%。针对其具体使用方式来说，船舶光伏并网系统尽管是未来发展的趋势，但必须先期解决应用过程中的关键性问题。

3.1.1小型船舶

随着旅游业的发展，全国各地的水上项目日益增多，游览船的数量不断增加。现阶段旅游船通常使用化石燃料驱动，对旅游区域水体的污染不容忽视。游览船作为一种小型游览观光船，在航速、主尺度、舒适性、环保、日运行时间等方面有特殊要求，其具有以下特性：

（1）旅游观光目的在于观看沿途的风景，对船舶的航速要求不高；

（2）游览船在风景区域内航行，受吃水等方面的限制，一般主尺度比较小；

（3）游览观光的乘客对船舶的舒适性要求较高，特别是噪声和横摇方面；

（4）风景区水体对环保的要求，使得游览船在环保方面要求严格；

（5）游览观光一般在白天，游览船的日运行时间扣除等待时间，一般为6～8 h，日运行时间较短。

根据小型船舶的实际特点，即小型船舶自身对于高速性要求不高，太阳能光伏技术对于该种船型主要需求是一定的可用电池阵列安装空间，这也就在一定程度上降低了对船型方面的限制。另一方面，在小型船舶上应用光伏系统的成本和技术风险相对不高，故在实船改造和新型船舶方面拥有较大的优势。

3.1.2 大型船舶

作为海上的移动平台，船舶上所有设备的合理安装与使用均以保障客货运输为最终目标。由于各种不同船型彼此之间在结构、功能和适用航线不同，因此，在大型远洋船舶上开发利用新能源技术不是任意选定一种船舶作为搭载平台就适宜的。此外，已经投入运营中的远洋船舶在设计之初未曾考虑搭载船舶入级规范要求之外的设备，故不可能在其严格规范限定的空间（平面）内预留一定的冗余量。因此，设计安装太阳能光伏系统必须在现有的条件下进行评定。

设计安装大功率的太阳能光伏系统，首先必须考虑的是光伏太阳能电池阵列的布置安装面积问题。粗略计算，平均输出功率1 kW的太阳能电池阵列需要10～12 m²的安装面积。故以100 kW的系统为参照，至少需要1 000 m²的安装面积。

由于油船的安全防护等级较高，源于其所运输的石油类燃料易挥发出可燃易爆性气体，所以对电气设备有更高的要求。然而太阳能电池在生产过程中并未考虑其抗爆性，且在其正常工作中存在因为设计安装不当、电缆破裂和设备老化引发漏电并产生电火花这一问题，这对油船的正常营运而言是一个很大的安全隐患，所以油船也非合适的搭载平台。

一般而言，滚装客货轮的主甲板，即驾驶台后的区域，附属甲板机械设备较少，拥有较大的可利用空间（具体可利用面积以该种船型的船舶上实测面积为准）。与油船相比，其基本不存在易燃易爆性物质，安全防护等级较低，故可作为光伏系统搭载平台。

对于干散货船而言，其主甲板上若干货舱盖占有很大的一部分面积，除部分船型有辅助机械设备外，大多数船舶的主甲板属于平整区域，有利于太阳能电池阵列的安装。然而，散货船所运输的货物为煤炭、矿石或粮食作物等硬质物料，在货物装卸过程中极易发生散落，如将电池板安装于舱盖之上，则可能会出现坠落物砸坏电池板事故，所以在散货船上安装电池板的关键是需要解决电池板的安全防护问题。

3.2 船用太阳能光伏系统安装方式

对于小型太阳能游览船而言，光伏发电可作为唯一的电能来源，通常情况下没有任何辅助电源；对于大型远洋船而言，光伏发电作为辅助电力能源的可行性较大，独立承担大负载电气系统的可靠性较低。光伏阵列能否高效、稳定地产生电能至关重要；而且太阳能电池板价格昂贵，应尽量使同样规格的电池板产生更多的电能，这就需要对太阳能电池板组成的光伏阵列在船上的布置进行分析，使光伏阵列得以优化布置。

陆地上光伏阵列的布置分为固定布置和跟踪布置两种；固定布置又分为水平布置和倾斜布置；跟踪布置又分为方位角跟踪和全程跟踪（光伏阵列优化布置中涉及到倾斜角和方位角。倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。

太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角，定义向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度），其相关优化布置研究的结论不适合在移动平台船舶上应用，因此有必要研究船舶光伏阵列的布置方式。不论何种布置方式，其目的都是使光伏阵列表面接收到更多的太阳辐射，这样光伏阵列就可以发出更多的电能。不同布置方式光伏阵列表面接收到的太阳辐射需要根据查阅气象资料或通过计算获取，对比不同布置方式光伏阵列表面的太阳辐射量，可以确定布置方式的优劣。

3.2.1 水平布置安装

固定水平安装在早期的太阳能光伏系统中的应用比较多，现阶段在陆上固定地点的光伏系统很少使用，但是在一些移动光伏系统中仍然被采用，这是由于在太阳车、太阳能船等移动物体上采用跟踪布置机构较复杂。水平固定的优点是结构简单，不需要附加其他设备，因此在移动光伏系统中多采用此种方式。

将光伏系统布置到船舶上，要考虑到太阳能电池板的布置安装易受到船甲板上管路、通道和吊塔等甲板机械设备安放位置和安全工作的影响。

3.2.2 固定倾斜安装

固定倾角布置是现阶段陆地上大多数小型光伏系统采用的方式，陆地上应用的关键技术问题是计算布置的最佳倾角。根据实验的相关数据，有些地区最佳倾角的光伏系统的发电量比水平放置增加18.6%～20.9%。作为船舶而言，采用固定倾角安装方式仅能保证电池阵列朝向为正对日照方向时获得最大能量收益，而当船舶移动过程中转向时，则无法保证同样获得最大太阳辐射量。考虑到这一因素，有两种可以考虑的解决方案：

（1）采用太阳能电池阵列跟踪布置，即增设一套控制机构，以保证其能够与太阳的方位变化保持一致。加装跟踪控制机构需为太阳能电池阵列的移动留出足够的空间。事实上，如将该系统整体安装到船舶甲板上，一方面会提高船舶的重心；另一方面会提高船舶甲板上的迎风面积，在恶劣天气条件下会增加船舶航行的危险性。

（2）采取流线型倾角安装布置。其在有效提高太阳能电池阵列安装面积的前提下，在一定程度上减少了船舶移动过程对接受太阳辐射量的影响，同时也保证了外形的美观。

4 船用太阳能光伏系统的安全性与可靠性

4.1电磁干扰与兼容

光伏发电系统电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility of PV System）对光伏系统而言十分重要。如果在系统设计的过程中没有充分考虑电磁性兼容问题，系统中的电磁兼容问题就会明显地暴露出来，表现为系统本身的工作不正常和影响其周围电力设备的正常工作，更严重的会造成设备的损坏。传统上采取的解决方案是根据出现的电磁干扰问题去实施相应的解决措施，但这种方法会增加光伏系统的研制、维护的时间和成本。

在控制方案上，除采用常用的屏蔽、接地和合理布线等抑制干扰传播技术外，还可以采用回避和疏导技术，如频率回避、滤波和旁路等。特别是在光伏发电系统这种功率造价比较高的系统中，复杂的有源设备不应作为首选方案，采用简单实用且损耗功率较小的干扰设备是为最佳途径。

电路和设备的电磁兼容性设计与功能设计是相互作用的，一般而言，前者是在后者的基础上进行的，即首先需要考虑到系统功能的实现。光伏系统中主要是考虑最大功率点跟踪控制策略的实现。当然，在实现功能的同时，兼顾到电磁兼容性设计方案更会减少整个系统研制的时间和费用。船舶光伏发电系统兼容性设计的步骤为：

（1）功能性检测：检测在MP策略实现的基础上，系统满足电磁兼容性指标；

（2）防护性设计：包括滤波、电磁屏蔽、频率回避和接地技术的应用；

（3）布局调整：综合考虑整个系统的空间布置和电缆布线等。

4.2 海洋腐蚀环境的影响

由全国光伏能源系统标准技术委员会提出并由宁波太阳能电源厂、交通运输部标准研究所负责起草的《中华人民共和国国家标准——海上用太阳电池组件总规范》对于平板型海上硅太阳电池组件的技术要求、试验方法和检测规范等均有明确的要求，其中包括温度交变、振动冲击、冰雹冲击、盐雾腐蚀等环境下的具体试验验证程序规范。

在海洋气候环境下光伏发电系统组件除考虑冰雹等极端气侯问题外，特别要考虑使用防风雨及抗盐雾的保护装置。虽然大多数太阳能电池板玻璃盖片使用的是高透光率的钢化玻璃，但其长期处于温差大、盐分浓、湿度高的环境中，极易发生污染、着色、腐蚀和耗损等一系列情况，使得光伏电池对太阳光的利用率下降，进而导致整个整个光伏系统转换效率下降。针对海洋环境下玻璃片表面形貌变化的研究表明，长期处于海水气雾腐蚀下的钢化玻璃表面会产生难以清除的黑色斑点。此外，光伏系统中所使用的其他组件如逆变控制器、蓄电池等，虽然安装位置可以放于舱室之内，由于相应舱室安放有其他电、磁和热等相应设备，安全防护等级也必须高于陆上所使用的设备。

5 结论及展望

经过近年的研究和发展太阳能光伏发电技术已逐渐成熟，太阳能船在德国、日本、美国、中国和加拿大等发达国家也已经有成熟、技术先进、性能优秀的产品问世。但将其作为船舶运输平台的动力及辅助设备能源方面的研究起步较晚，涉及能源的转换综合利用和船舶电网匹配并网方面的研究还较薄弱，特别是在基于船舶电网的太阳能光伏系统方案优化设计、离并网模式综合应用和节能减排效果评估等关键技术方面尚有待开展深入的研究工作。

参考文献

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