（轮机工程专业论文）船用太阳能光伏发电系统设计及性能评估.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 进入充满挑战的新千年，在节约资源和保护环境的双重制约下全社会如何 保持经济的持续、繁荣和发展已成为全球热点问题。国际市场上煤炭、石油等 传统燃料资源的价格起伏跌宕，广泛使用不可再生能源对环境造成的危害日益 加剧，能源问题已经成为经济发展的重要制约因素。另一方面，取之不尽、用 之不竭的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其必将成为人类社会主要的利用能源之一。 值得注意的是，尽管太阳能光伏发电经过近几年的研究和发展，技术上已 几近成熟，而且在电力电子技术先进的德国、日本、美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，但将其作为交通运输工具的 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，实际应用尚不广泛，可谓是刚起步。以现在 的技术发展水平而言，太阳能作为船舶动力及辅助设备能源的研究属高技术含 量的科技，有不少关键性的技术尚有待研发或改进。若从当前的实际情况出 发，着眼于船舶航运业的技术进步和长远发展，先期开发应用于大型远洋船舶 的太阳能光伏系统，即船用太阳能光伏发电系统，无疑是一个值得深入思考的 方向。 针对太阳能光伏发电技术，文中就其技术原理、系统组成和关键技术进行 了介绍，其中关键技术主要涉及软件控制方面，主要包括最大功率点跟踪控 制、直交流逆变和蓄电池充放电等对太阳能光伏发电整个起到决定性影响的技 术。通过对陆用光伏系统技术本身及特性的综合分析，参照船舶电力能源体系 的特点，为后续章节对船用光伏试验系统的设计及性能分析提供理论和技术支 撑。 从技术性和经济性两个层面选取适宜的目标船，分析了其典型航线上的太 阳能资源分布状况并初步评估光伏能源利用率；根据目标船电力设备负荷，优 化选择太阳能光伏系统与船舶电力体系匹配耦合模型并确定在设定光伏系统容 量的前提下实际选定的光伏系统类型；评估光伏辅助电力系统的各模块效率及 总体效率；完整论述了在大型远洋船舶上安装使用太阳能光伏系统的优化与分 析过程。 就整套船舶光伏发电试验系统的设计流程、硬件实施方案、仿真计算及结 武汉理工大学硕士学位论文 果对比分析等四个方面的内容进行了详细的论述。其中，整套船舶光伏系统部 分，通过技术实旌方案流程图的形式，将该系统所涉及的研究方向、技术内容 及研究流程等三部分的内容做出了完整概述。基于三种并网类型，通过仿真计 算分析得出了试验光伏系统与船舶主电网之间以并网模式涉及运行时需进行容 量合理搭配的结论。 关键词：船舶；光伏系统；并网；性能评估 武汉理1 = 入学硕十学位论文 a b s t r a c t h o wt ok e e pt l l ed u r a t i v e ，p m s p 嘶t ) ，a n dd e v e l o p m e n to ft h ew h o l es o c i a l e c o n o m i cu n d e rt h ep f e s s u r eo fr e s o u r c es a v i n ga n de n v i r o n m 朗tp r o t e c t i n gh a s b e c o m eac e n t r a “s s u ei nt l l ew o r l d ，e s p e c i a l l yh e r ec o m e sm e21c 锄t u r y ，a n de i l e r g y p r o b l 鼬h a sb e e nc o n s i d e r e da s av i t a lf a c t o rf o rt h ee c o n o m i ce i l l l a l l c 锄e n t ，嬲 c o n s i i l 砸b l e 吖i d e l l c ei n d i c a t e st h a tt h e 硫e n l a t i o n a l 研c ef o rc o a la i l dp e t r o l e u m s u p p l y i n gh a se x p 甜e 1 1 c e das u b s t a n t i a lf i u c t i l a t i o ni nt h ep a s t2d e c a d e so r3 a tt h e s 锄et i m e ，e x t e l l s i v eu t i l i z a t i o no fu n r e n e w a b l ee n e 玛yh a sw o r s e i l e do u rp o l l u t e d a n d 纳百l ee 1 1 v i r o 啪e n t ，a l l di tw o u l db e y o n dr e t r i e v ei fw es t i l ld i dn o t h i n gf ；曲t h i s 嘶s i s 0 1 1 1t l l eo t h e rs i d e a sw ea l lk n o wt h a tt h ee i l e r g yo fs o l a rr a d i a t i o n ，c o n s i d e r e d 鹊ai n e x h a u s t i b l e ，i i l e x p e l l s i v ea i l dr 锄e w a b l ee 1 1 e r g ys o u r c e ，h a sv i s i a b l ea d v a n t a g e i ni n d u s t 叮u t i l i z a t i o n ，s u c ha se l e c 硒cp o w e rs y s t e m i ti ss a i dt h a ts o l a re n e r g yw i l l b e c o m eo n eo fc o n c e n l 如lr e s o u r c ef o rh u m 锄s o c i e t yi nt h ep o s t f o s s i l 血e le r a a r e r “r t yy e a r s e x p l o r a t i o ni nr e s e a r c ha l l dd “e l o p m e i l t ，s o l a rp h o t o v o l t a i c t e c l l l l 0 1 0 9 yh a sb e c o m eam a t u r ea i l da v a i l a b l et e c h _ n o l o g y f u r t h e n l l o r e ，1 0 t so f a d v a l l c e da 1 1 de x c e l l e l l tt e c h n i q u e sh a v ea l r e a d yb e 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b a t t e 拶m c h a r g i n ga n dd i s c h a 哂n gt e c l l l l o j o g y n 曲，锄a l y s e st h et e c l l l l i c a l c h a r a c t e ro f p h o t o v o l t a i cs y s t e mu s 酣o n s h o r ea n d c o m p a r e sw i n lt 1 1 ec h a 珊c t 嘶s t i co f m 撕n ee l e c t r i c a lp o w e re n e 嘲，s y s t e n l s e c o n d l y ，ar e a s o n a b l et a 玛e ts h i pi ss e l e c t e do u tf o r 向r t h e rr e s e a r c ht h r o u g l l l o 舀s t i ca n a l y z i n g1 6 f o mt e c h n i c a la n de c o n o m i c a la s p e c t 。t h i st h e s i se v a l u a t e st h e u t i l i z i n gr a t i oo fe n 鹕yl 而ms o l a rr a d i a t i o ni 玎a d i a t i n go nat y p i c a lm a r i n el i n e ： o p t i m i z e st h em a t c h i n gm o d e lb e 眦e e i lt h ep h o t o v o l t a i cs y s t e l i la n dm a r i n ee l e c t r i c a j s y s t e i l l ，a n de n s u r e st h ep r a c t i c a lt y p eo fp h o t o v o l t a i cs y s t e i l la c c o r d i n gt 0t l l et o t a l l o a do fe l e c t r i c a le q u i p m e n t s ；e v a l u a t e st h e i n t e g r a n ta i l d h 0 1 i s t i ce 衢c i e n c vo f a u x i l i a 叮p h o t o v o l t a i ce l e 嘶c a ls y s t e m ；d i s c u s s e st h eo p t i m i z a t i o na 1 1 d a 1 1 a l y s i s p r o c e s sf o ru t i l i z i n gm 撕n ep h o t o v o l t a i cs y s t e i l l f i n a l l y ，t h et h e s i sd i s c u s s e sf o u rp a r t so fm 撕n e p h o t o v o l t a i cl a b o r a t 嘶a ls y s t e i l l c o n t a l n m gp r o c e s sd e s i 鲈i n g ，p r o j e c ta c t u a l i z i n g ，s i m u l i n kc o m p u t e r i n g 锄dr e s u l t a n a l y z i n &e s p e c i a l l ys u 姗撕e st h ed i r e c t i o n ， c o n t e n t狮d p r o c e s so fm 砸n e p h o t o v o l t a i cs y s t 锄w i t ht i et a b l eo fp m c e s sd e s i g 【l i n g t s i r i m l i n kc o m l ) u t 舐n g i 1 】u s t r a t e st h er e s u l tt h a t e l e c t r i c p o w e rc a p a c i t yd e s i g n e d南rb o t hm a r i n e p h o t o v o l t a i cs y s t 锄a 1 1 ds h i pp o w e r s t a t i o n ，r u 肌i n g 主n 鲥d 叼o r u l e c t e dm o d e l ，s h o u l d b eo p t i m i z e dl o 毋c a l l y k e yw o r d s ：s h i p ；p h o t o v o l t a i cs y s t 锄；鲥d c o l l l l e c t e d ；p e 而咖a l l c ee v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学和其他教育机构的学位和证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了感谢。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：呈世 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：舡专 导师c 日期：加扣s 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 能源、环境与法规 回顾2 0 世纪，伴随着工业社会的高速发展，人类在享受科技进步、技术 革新和物质丰富等巨大好处的同时，也日益面临着能源过度短缺和环境加速恶 化等问题。本世纪伊始，如何协调能源、环境以及社会发展这三者之间的关系 就已成为引发全球普遍关注与思考的重大问题。 ( 1 ) 能源状况 在2 0 世纪的世界能源结构中，人类社会所利用的能源主要是石油、天然 气和煤炭等化石燃料。随着世界经济的发展、人口增长和社会生活水平的提 高，未来世界能源消费量将持续增长，作为人类生存和发展重要物质基础的化 石燃料消费总量总有一天将达到极限。面对可能出现的能源燃料危机，人类社 会迫切需要用以太阳能和风能为典型代表的可再生清洁能源来替代化石能源。 根据国际能源署“2 0 0 2 世界能源展望 最新统计资料表明：近3 0 年内， 世界能源需求量将增长2 3 。而b p 世界能源统计资料显示，世界常规石油可采 资源量为4 1 3 8g t ，石油探明总储量为15 6 7g t ，在当今生产技术条件下以目 前的平均开采速度计算，全球石油储量可供生产4 0 年，天然气、煤炭则分别 可以供有效开采使用6 5 、1 6 2 年。根据国际原子能机构在2 0 0 2 年发布的核能 非电力用途市场分析报告的数据表明，运输所需能源约占世界总能源的2 5 ， 而运输所需能源中的1 0 是用于国际或国内的船用航运。 在过去1 5 年中，中国原油产出年均增长率为1 8 ，近年来生产量基本稳 定在每年1 8 亿t 左右，相反石油消费平均增长率却达到4 9 ，成为世界石油 消费增长最快的国家。与经济的迅猛发展相对比，中国仍算是个贫油国，国内 石油生产无法满足经济发展对于石油的需求，石油供需矛盾日益突出。1 9 9 3 年 开始中国由石油净出口国变为石油净进口国，1 9 9 6 年开始中国又成为原油净进 口国。2 0 0 6 年，中国进口原油1 4 5 亿t ，增长1 4 5 ；石油净进口1 62 8 6 万 t ，同比增长1 9 6 ；其中原油净进口1 38 8 6 万t ，比上年增加20 1 3 万t ，增长 1 7 o ；成品油净进口24 0 0 万t ，比上年增加6 5 0 万t ，增幅3 7 1 。据中国商 武汉理工大学硕十学位论文 务部市场运行司监测，2 0 0 6 年，中国石油对外依存度( 石油净进口量与石油表 观消费量之比) 达4 7 ，较2 0 0 5 年提高4 1 。2 0 0 7 年中国共进口原油1 6 3 亿 t ，同比增长1 2 4 ；进口成品油33 8 0 万t ，同比下跌7 1 ；2 0 0 7 年中国的原 油净进口1 5 9 亿t ，同比增长1 4 7 ；成品油净进口18 2 9 万t ，同比减少 2 3 9 。中国目前的石油依存度约为4 6 6 ，已接近5 0 的警戒线。预计到 2 0 2 0 年，我国石油对外依存度将超过6 0 ，2 0 3 0 年更将达到7 8 。可以说， 在国际石油市场大环境下，中国的石油资源战略环境不容乐观，从整个国家经 济平稳健康发展的战略角度考虑是相当不利的。 另一方面，能量来源丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境的太阳能被 国际社会公认为理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到本世纪5 0 年代， 即2 0 5 0 年，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构中的 1 3 1 5 如表l 1 所列l 。 表1 一l可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比率 太阳的能量是向四面八方辐射的，每秒钟投射到地球上的能量约为 1 7 5 7 1 0 j ，相当于5 2 5 亿桶石油燃烧的能量，按照目前的发电水平每天可以 得到1 4 1 l o ”k w h 。为了衡量太阳辐射能量的大小，采用辐射强度这一度量。 其物理意义是：单位时间内，垂直投射在地球某一单位面积上的太阳辐射能 量，通常用w m 2 或k w m 2 表示。在阳光充足的白天投射到地球上的辐射强度大 约为1 0 0 0w m 2 ；另一个度量太阳辐射量大小的单位是辐射度，其物理意义 是：在规定的时间内，投射在地球某一单位面积上的太阳辐射能的量值，通常 用k w h m 2 表示。如图1 1 所示为1 9 8 3 2 0 0 5 年地球表面年平均太阳辐射强度的 等线示意图。 2 武汉理：i 大学硕士学位论文 墨1 点。，严否毖习氮霹：多 圈1 11 9 8 3 2 0 0 5 年年平均辐射强度 ( 2 ) 环境问题 在过去的1 0 0 年中，全球平均气温上升了03 o 6 ，全球海平面平均上升 了1 0 屯5 锄，这就是所谓的地球“温室效应”n 研究资料表明，约8 0 的温 室气体是由于人类活动引起的，其中c 0 2 的作用约占到了6 0 由是可见， c 0 2 是大气中的主要温室气体类型，而化石燃料的燃烧是主要排放源。如果不 对温室气体采取减捧措施，从2 1 世纪初起，全球平均气温每1 0 年将上升 0 2 ，到2 1 0 0 年全球平均气温将上升1 35 。 据美国国家科学院学报的一份研兜报告显示：在过去的1 0 年，全球 c 0 ：排放总量增加了1 3 ，源自交通行业的捧放增长率更是达到了2 5 ，至 2 0 5 0 年，全球交通行业碳排放量将比现在增长3 0 一5 0 乱2 0 0 7 年歇盟运输部 长会议减少运输二氧化碳捧放报告提到，经济合作组织来自燃油消费排放 的c q 中，交通运输占到3 4 ：全世界范围内，交通运输行业占2 8 。在欧 盟，虽然大部分的工业企业在减少温室气体排放领域取得了显著成效，但是其 交通工具的气体捧放总量仍增长了2 1 啪。与陆运和航空运输相比，船舶运输 在经济性、安全性和环保性方面无疑拥有巨大的优势。其承担全球9 0 左右的 贸易量，尽管其c 0 2 的排放量仅占全球总排放的2 左右，但是据国际清洁运 输工会的报告指出：近年来世界海运的c 0 2 排放量，以t 海里计算，平均每年 递增5 。而且随着经济全球化带来的国际经贸而拉动的世界航运持续高速发 展，当前国际海运所排放的c q 总量已超过相关京部议定书签订国所审议的每 年温室气体排放量限额。 按照目前目前的技术水平，各种发电方式的碳排放率( 趴k w h ) ) ：煤发电 为2 7 5 ，燃油发电为2 0 4 天然气发电为1 8 l ，太阳能热发电为9 2 ，太阳能光 武汉理工大学硕十学位论文 伏发电为5 5 ，波浪发电为4 1 ，海洋温差发电为3 6 ，潮流发电为3 5 ，风力发电 为2 0 ，地热发电为1 1 ，核能发电为8 ，水力发电为6 【1 1 。本数据均是以各种发 电方式所用的原料和燃料的开采和运输、发电设备的制造、电源网架的建设、 电源的运行发电以及维护保养和废弃物排放处理所有循环中消费的能源，按照 上述发电方式在全寿命期间的发电量计算得出，如图1 2 所示各种发电方式的 碳排放率比较。 3 0 0 22 s o 蔓 2 0 0 l s o 龉1 0 0 基 s o 骣 谨 0 9 2 li 蔷一釜蓄，婆一翟，望一，五丘一、 鼬绷翟确枣 图1 2 各种发电方式的碳排放率比较 此外，除去排放c 0 2 的因素，统计数据显示船舶所排放的如s q 、n q 和 p m ( 固体颗粒) 等污染气体总量也在不断增大。其中，s q ：航运业排放的 s q 占全球排放总量的lo ；n q ：航运业排放的n q 占全球排放总量的2 5 ； c 0 2 ：国际航运每年排放8 亿tc 0 2 ，约占全球c 0 2 温室气体排放量的2 7 。 ( 3 ) 国际组织应对 在全球的石化能源逐渐减少，燃油占船舶运输成本越来越大的情况下，如 何进一步做好船舶的节能工作，从而有效降低运输成本已迫在眉睫；同时如何 高效燃烧和降低污染排放已引起国际海事组织i m o 的高度重视。也就是说世界 远洋航运业日益受到高油价以及环保的挑战，面临着极大的节能减排压力。 当前，防止、减少和控制船舶气体排放已成为全社会的一致共识。自2 0 0 1 年环保委员会( m e p c ) 第4 7 届会议开始，减少船舶温室气体排放已提到议事 日程，并于2 0 0 3 年1 1 月i m o 第2 3 届大会审议了环保委员会第4 9 届会议提交 的关于船舶温室气体减排的政策和实践的大会决议草案。2 0 0 5 年5 月，国 际海事组织制定的“防止船舶造成污染规则”一m a r p o l 7 3 7 8 公约附则 ，在我国正式生效。2 0 0 7 年4 月，国际海事组织在伦敦召开了b l g 第1 1 次 会议，并于2 0 0 8 年2 月b l g 第1 2 次会议上通过了m a r p o l 公约关于减少船 4 捌疆霾誓琢曩霾缓羞狲麓凌缓豢銎 武汉理：r 大学硕士学位论文 舶对大气污染规则的修正草案。在海上环境保护委员会( m e p c ，m 撕n e e n v i r o 觚e n tp r o t e “o nc o m m i t t e e ) 第5 8 次会议上，巴西提议将“c 0 2 设计指 数”改为“能效设计指数( e n e r g ye 僚c i 锄c yd e s i 髓i n d e x ，e e d i ) 。e e d i 为 衡量船舶能效水平的一个指标，其根据c 0 2 排放量和货运能力的比值来表示船 舶的能效，分母表示船舶在规定的船速( ) 下与载货量( c a p a c i t y ) 之乘 积，分子可概括为两部分：为主辅机的功率与所消耗燃油之乘积，为采用 新的节能技术减少燃油消耗所带来的船舶能效的提高部分。此外，公式还考虑 到各种特殊情况下的修正系数，如冰区航行船舶加强的系数五，载货量的修正 系数7 ：，反映在波高、浪频和风速下航速降低因素的无刚量气象系数名等【3 l 。 该议案在获得委员会的同意后，于m e p c 第5 8 次会议上形成了“新造船e e d l 计算方法临时导则草案。2 0 0 9 年7 月i m om e p c 第5 9 届会议主要包括压载 水、拆船、空气污染( 包括g h g ) 、强制性文件的审议和通过、m a r p o l 公约 及其相关文件的修正和解释、分委会及其他机构报告、人为因素、委员会及分 委会工作计划等议题【4 1 ，并设了三个工作组( 防空气污染、拆船、人为因素) 、 一个压载水审议组( r g ) 、一个起草组( 强制性文件审议和通过) 和一个技术 组( e c a 指定及m a r p o l 附则v i 导则) 【5 l 。研究认为，2 0 0 7 年国际海运排 放的c 0 2 占全球总排放量的2 7 ，通过技术、营运和基于市场的措施可以实现 减排。如果不采取全球性的控制措施，随着国际贸易的增长，国际海运的温室 气体排放到2 0 5 0 年将会增长1 5 0 。2 5 0 。委员会秘书长要求尽可能深入讨论 基于市场的减排措施，以向世界表明i m o 也能够胜任以经济方面的解决措施实 现减排目标，对于法律文件的形式以及实施等问题和相关提案将留到m e p c 第 6 0 次会议进行讨论。 可以看出，随着人类社会对环境保护的日益重视，全球在减少温室气体和 废气排放方面的法律法规同趋完善，正在逐步推行并实施之中。我国对船舶柴 油机污染排放的控制完全遵照m a r p o l 公约要求，同时对在用船舶柴油机的 排放也作出相应要求。目前，航运企业在运营过程中受到来自国际海事界强制 实施的温室气体减排政策的压力也越来越大，如全球征收燃油税混合机制、排 放定额制度及港口强制征c 0 2 收排放税等。这是使用石化能源的常规动力船舶 所不能回避、也回避不了的问题，所以如何通过采用新技术有效控制在用船舶 柴油机污染物排放势在必行。 5 武汉理1 人学硕士学何论文 1 】2 新能源船舶的发展现状 太阳能取之不尽、用之不绝，是重要的可再生能源，在后化石燃料时代太 阳能将成为最主要的自然能源之一i 6 】。尽管太阳能技术在只常生活中已得到广 泛应用，但将其作为交通运输工具的动力能源研究起步较晚，太阳能作为船舶 航行的动力能源研究还很薄弱其实际应用还不广泛m 。但值得注意的是，在 船舶领域，光伏拄术的应用并不是一片空白。只是相比于国外，国内在该领域 的研究囡发展滞后而仅能算刚刚起步。 1 9 9 7 年，瑞士在r 内瓦湖上从洛桑到圣叙尔皮斯区投入使用了两艘太阳能 驱动往返客运船。船的电动机由覆盖在船顶的近1 4m 2 的太阳能电池组件驱 动，提供了一种公用的无环境污染的水路运输方式。另一艘为长达2 75m 的 “沙锥号”其由一个l8k w 的光伏阵列驱动能量存储用的是一个1 8 0v 、 7 2 a h 的蓄电池可有效承载6 0 名乘客。 2 0 0 0 年澳丈利亚外发出世界第一艘商用的太阳能风能混合动力双体客 船，如图1 3 所示。其是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1 0 0 人。该船如果只用太阳能，其航速为651 c l l ，用风能 航速会更高些。船的每个单体都由首尖舱、蔷电池舱、机舱和尾尖舱组成，配 有o p s 、罗经、自动舵、测深仪、电子系统、测风仪和i 瘦压操舵装置等。船体 和匕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光能转换成 2 7 5v 、6a 的直流电。再传输到2 7 2v 的蓄电池里，用柬驱动电推进器的电 机。 甚 图l 一3 澳大利亚s o l a r s 缸l o r 号 2 0 0 6 年1 0 月1 6r 瑞士太阳能船“太阳2 1 号”从瑞士巴塞尔起航前往美 国纽约，并于2 0 0 7 年s 月8 日顺利抵达目的地。这是世界上船舶首次依靠太 武汉理i + 人学硕：t 学愤论文 阳能提供的动力能源横穿大西洋，如图1 4 所示 曩匪三e 蔼 图1 4 瑞士的“太阳2 i 号” 2 0 0 7 年1 1 月由我国沈阳泰克太阳能麻用有限公司研制了“0 0 l 号”太阳能 旅游船船体长62m 、宽l9m 、可载9 人，航速可达l ok m m 。船体的设计 可分为单浮筒、双浮筒和三浮简三种型号。这种太阳能旅游船在大于4 级风的 条件下可持续航行6h ，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2 0 0 8 年3 月获得国家专利。这是迄今为止国 内建造的第一艘太阳能旅游船。 2 0 0 8 年8 月2 6 几，r 本邮船株式会杜与新日本石油公司合作耗资15 亿 同元在旗下一艘船长2 0 0m ，排水量达6 0 2 1 3t 的攘装船“御夫座领袖( a 面g a l 舶d 盯) ”号上装上太阳能光伏系统，如图1 5 所示。其由3 2 8 块太阳光板组成 电池阵列，电能输出功率可达柏k w ，能满足6 9 的照明需求或02 钟3 的 动力需求。滚装船的动力燃料依然是重油，太阳能发电将使用在机械舱内的机 器和引擎的制动等动力系统中。包括此次的滚装船在内，日本邮船计划六年内 投资7 0 0 亿日元( 约台人民币4 3 8 亿元) 计划在2 0 l o 年将船舶推进装置使用 太阳能发电的比率提高到1 。 图卜5 h 本邮船“御夫座领袖( a 帅口l e a d c r ) ”号 武汉理l 人学碗士学位论文 2 0 i o 年2 月l o 同，亚洲最大的全太阳能船在台湾高雄下水，进入正式营 运，这艘船耗资1 5 0 万元，船长1 3 米，采用双体船型，并搭配目前台湾厂商 所能捉供之最大电池5 4k w h 锂葛电池组，两台2 0k w 电动机，最高可达g h 航速t 以3 k n 航速至少可行驶9 h ，可搭载3 6 名乘客。 2 叭0 年2 月2 5 日，世界最大的全太阳能动力船“星球太阳”号，如图1 ，6 所示在德国基尔下水，这艘船长3 1m ，宽】5m ，重6 0l 。船体上方5 0 0m 2 的太阳能板提供动力，最高船速可达2 6k m m 。这两艘太阳能动力船的成功预 示了全太阳能动力船是可以完全商业运营的。 图1 6 全太阳能动力船“星球太阳”号 以上应用现状分析可以看出，光伏发电技术在船舶上的应用虽然目前主要 集中于小型船舶上，但在全动力船舶和大型远洋船舳上已经有了一些尝试，并 已有具备某些商业营运的可能性，但推广不多。存在这种发展现状岿然有其特 定的原因，关键就是目前太阳能电池的成本依然屏高不下，系统成本回收期较 长，进而导致人型光伏系统的推广应用因受到资会投入方面的影响而难有丈范 田的进行。此外，船舶行业有严格的建造及入级规范，将光戗系统应用于大型 船舶上是否有相应政策及规范的支持，也是需要考虑的问题。 12 光伏技术背景 太阳能光伏技术作为一项独立的产业，基于该项技术自身特点，其在发屉 过程中受到多面的影响和制约。 ( 1 ) 硅电池产业为高能耗产业 硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素，其主要存在形式是沙子 ( s i 凸) 。从沙子加工成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序期间消耗 相当多的能量，而这正是其生产成本高的原因。 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 光伏阵列发电效率低 太阳能的能量密度相对不高，所以高效的太阳能光伏系统对发展太阳能船 舶就显得至关重要。现在单晶硅光伏装置的实验室效率已经达到2 4 7 ，大规 模生产的硅太阳能电池的效率为1 3 1 8 ，而砷化镓多结太阳能电池的实验室 最高效率已经达到3 7 左右。如何进一步提高太阳能电池的光电转换效率是全 世界j 下在积极寻求解答的难题。 ( 3 ) 系统造价成本高 由于光伏发电效率较低，要发出足够的电则需要更多的光伏电池板，目前 光伏电池板的价格介于人民币1 4 1 8 元脚的水平，光伏发电的成本价格约为5 元( k w h ) ，仍然高于火力发电和水利发电。成本控制依然成为制约其发展的 一个瓶颈。 ( 4 ) 发电运行受气候环境影响 光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响 时有时无。另外，由于环境污染，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在电池板上，从 而阻挡了阳光的照射，减少了光线的入射量，进而降低了光电转换的效率。 1 3 课题来源 ( 1 ) 风帆太阳能技术在大型远洋船舶上应用的可行性研究( 中国远洋运 输( 集团) 总公司) 。 ( 2 ) 2 0 0 9 年湖北省信息产业专项资金项目“船舶太阳能光伏逆变及智能 控制系统”。 ( 3 ) 武汉市青年科技晨光计划项目“海洋环境下船舶太阳能电池板光学 性能衰减规律研究，编号2 0 1 0 5 0 2 3 1 0 4 3 。 ( 4 ) 交通运输部应用基础研究项目“太阳能光伏系统在船舶上的应用基 础研究。 ( 5 ) 高等学校学科创新引智计划资助( b 0 8 0 3 1 ) s u p p o n e db yt h ep r o 黟锄 o f i n 仃o d u c i n gt a l 饥t so fd i s c i p l i n et 0u n i v e r s i t i e s ( b 0 8 0 31 ) 。 1 4 研究内容 以在跨海营运、航区固定、地理纬度跨越不大的远洋船舶为技术适用对 象，将太阳能光伏发电系统融入整船的能源利用体系之中，通过对太阳能的转 9 武汉理工大学硕七学位论文 换利用，有效降低船舶燃油消耗。统计分析出光伏系统对船舶节能减排的贡献 度，为以后进行推广应用提供切实可靠的数据资料。 ( 1 ) 通过分析及实验数据比较，优化设计一套适合于船用的光伏发电系 统，包括适用船型、光伏电池选型、阵列布置方式、电缆和蓄电池选型等； ( 2 ) 选取典型航线，依据该区域太阳能资源分布情况对整套太阳能光伏 系统的经济性进行统计分析，并对其可靠性进行初步说明。 ( 3 ) 分析验证出最佳的光伏系统所转换电能与船舶电网系统能量的匹配 耦合关系。从现今光伏发电市场条件出发，以船用光伏系统为依托点，平衡技 术设计、成本控制及现场实现两者关系的前提下，优化匹配方案； l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章太阳能光伏系统 随着太阳能光伏技术的不断深入发展，其效率、可靠性和稳定性均有了很 大的提升，因而从最初的单纯技术研究逐渐转向实际应用领域。目前，针对太 阳能光伏技术主要在电器设备、建筑照明和电厂发电等领域有广泛的应用。尽 管由于应用对象、设计容量和复杂程度有所不同造成光伏系统有所差异，但其 所涉及的关键性技术仍然是相通的。 2 1 陆用太阳能光伏发电系统 2 1 1 光伏技术原理 光伏发电应用首要解决的是如何将太阳能转换为电能。光伏太阳能电池便 是利用半导体效应制成，可将太阳辐射能直接转换成为电能的转换器件。将若 干个这种器件封装成光伏太阳能电池组件，再根据实际需要将若干个组件组合 成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制等装置进行配套，即可组成光 伏发电系统。 2 1 1 1 半导体电学特性模型 半导体材料的电学特性通常采用两种模型来解释，分别是由m a g f e e l l 【8 】 提出的化学键模型和r c n e v i l l e 【9 】提出的能带模型。图2 一l 所示为化学键模型中 对电子在硅材料品格里的成键和移动过程描述。 图2 1硅品格内共价键的示意图 按照固体理论，在能带模型晶体中大量电子能级分别组成密集的能级带， 武汉理上火学硕士学位论文 称为能带。随着光辐射的作用以及温度的升高，被冻结的束缚价电子便会接受 来自外界的能量，从而跃迁到较高能级中。处于导电状态的能级区域被称之为 导带，禁带则是导带与价带之日j 的区域【l “。按照量子力学的观点，禁带中各能 级是不能被物质的价电子占据的。物质导电性能决定于禁带宽度后者同时也 是衡量光伏电池性能的一个重要指标，如围2 2 所示为绝缘体、半导体、导体的 能带示意简幽。 ( a 】绝镕体蔡带宽彻中8 体綦带g( c ) 体挫肯蔡帚 图2 - 2 绝缘体、半导体、导体的能带 2 1 1 2 半导体与p n 结 由于不同半导体内电子和空穴数量的差异而形成以电子为多数载流子的n 型半导体和以空穴为多数载流予的p 型半导体。当导电类型不同的p 型半导体和 n 型半导体紧密接触在一起，在交界面上就会出现电子和空穴的浓度差，n 区电 子浓度高，p 区空穴浓度高，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方 扩敞i ，如图2 3 所示。由于浓度差产生的扩散作用，在p 区和n 区的交界面附 近形成一个空问电荷区，并产生一个称为势垒电场的内建电场，其方向从带正 电荷的n 区指向带负电荷的p 区即所谓的p n 结。 势垒电场的建立反过来对上述多数载流子( n 区的电子和p 区的空穴) 的扩 散运动起阻碍作用。进入p 区的电子和进入n 区的空穴在内建电场的作用下，带 负电的电子受到被拉回n 区的力作用，带正电的空穴则收到被拉回p 区的力作 用。这种载流子在势垒电场力作用下的运动称为漂移运动。漂移流正好和上述 交界面的扩散流方向相反。p - n 结内建电场对两边的多数载流子的扩散运动起 到了强烈的阻挡作用，表现出很高的内阻。但足，p _ n 结的内建电场对两边的 少数载流于正是其漂移运动的动力。所以在p - n 结区出现少数载流子时，其都会迅 速通过p - n 结。光伏电池正式利用了光激发少数载流子通过p n 结而发电的。 武汉理工大学硕+ 学位论文 ， 3 sgoooo 鬈- 步夕 u uu oooo ooo留 qoooooo 丫弋丫弋丫飞 、 一，南r a 由- b e 一 ( p n 结) 内建电场区 扩故运动区 图2 3 半导体p - n 结的形成 2 1 1 3 工作原理 光伏电池是以半导体p n 结上接受太阳光照产生福特效应为基础，直接将 光能转换成电能的能量转换器。其工作原理是：当太阳光照射到半导体表面， 半导体内部n 区和p 区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获得超 过禁带宽度犀的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材 料内部产生出很多处于非平衡状态的电子空穴对。一般希望有更多的光激发载 流子中的少数载流子能运动至并通过p - n 结区，通过p n 结对少数载流