上海安盛汽车船务有限公司 忻坚敏 范仲林 武汉理工大学能源与动力学院 汤旭晶 孙玉伟

众所周知，大型船舶能耗巨大，是港口和沿海地区NOX、SO2和PM等污染物排放的重要来源，受到世界各国越来越多的重视。近年，IMO制定了更加严苛的防污染公约，各大船级社也均提出绿色船舶规范体系，绿色船舶技术日益成为造船航运业竞争力的关键。随着光伏发电技术的逐步成熟，太阳能在船舶应用得到了海事界的极大关注。

太阳能船舶，或应用太阳能光伏发电技术的船舶，是在船舶电力系统中集成零污染、零排放的太阳能光伏发电系统为基本技术方案，通过在航行中最大程度地利用光伏电能，降低柴油发电机组输出功率，实现船舶在寿命周期内燃油消耗量和温室气体排放量的显著下降。当前，国内外应用于各型船舶平台上的太阳能光伏发电系统容量不断提升，集成方案不断推陈出新，已使太阳能船舶成为最具推广和应用潜力的绿色船舶技术之一。

发电系统运行模式

根据船用型太阳能光伏发电系统运行模式，可分为离网型和并网型两种。离网型系统单独带载运行，通常设置容量较大的蓄电池储能装置以平衡光伏系统输出功率与负载功率，其与船舶电网之间不存在电能交汇，船舶电力系统的暂态稳定性主要取决于在网同步发电机组的电力输出特性，因而对电力系统的安全性和可靠性基本没有影响较低。离网型系统的适用性问题在于：设置大容量蓄电池组导致系统成本提高；低负荷运行时，离网型逆变器运行效率下降显著。

并网型系统输出的电能（交流电）并入船舶主电网，由综合电力管理系统在全船范围内统一调度，因而具有较高的能源利用效率，通常需设置与光伏组件容量相同的蓄电池储能装置以实现动态的电能供需平衡。并网系统的适用性问题在于：并网型逆变器属于电流源，无法对电网电压起到支撑作用；其与船舶同步发电机组之间存在直接的电能耦合，因而会影响到发电机组的暂态稳定性，需重新计算电网潮流和短路保护。

就技术实用而言，离网型太阳能发电技术在民用商船相对成熟，而并网型应用则需解决船舶电力系统某些负载大幅变化工况下稳定并网逆变技术。

离网型太阳能光伏系统设计

为了最大限度发挥光伏发电的效能，保证其在船舶电力系统中集成应用的可靠性。首先，对安盛汽车船务所属的800车位PCC系列在营姊妹船电力系统进行实船调研，并对航线上日均有效太阳辐照强度与离网型光伏发电系统输出电能、蓄电池容量、负载日均能耗等进行了匹配优化计算，完成了离网型光伏发电系统总体设计，总体结构见图1。

图1 离网型光伏发电系统总体结构图

系统由太阳能电池阵列、光伏控制器、锂离子蓄电池组、光伏逆变器和电力管理系统等组成。

该离网型光伏发电系统太阳能电池装机容量为37.125kWp；光伏控制具有最大功率跟踪控制功能，具有100A×1.2倍电流通断能力；蓄电池组总容量为128kWh；光伏逆变器容量为20kVA。可实现三种运行模式：1）光伏发电系统正常运行状态：光伏发电大于负载消耗时，多余电能经BMS充入蓄电池；光伏发电小于负载消耗时，无缝切换为光伏和蓄电池组储能经光伏逆变后向负载供电。2）光伏发电系统长期出力不足状态：长期阴雨天光伏阵列电力输出不足，且蓄电池组剩余容量降到设定下限，系统自动切换至船电旁路向负载供能。3）光伏系统故障：可手动切换联锁断路器，由船电向负载供能。

研究开发的太阳能电力管理装置可实现光伏发电系统各模块状态参数实时采集，根据一定的策略对系统运行进行监测和显示报警，另外，通过提取存储的历史数据，可对系统发电量、稳定性等指标进行评估，以便于对系统设备相关工作参数进行优化，有利于系统更加高效、稳定地运行。

系统安装联调和测试检验

根据中国船级社（CCS）《钢质内河船舶建造规范（2015）》和《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南（2014）》的相关要求，系统中的光伏控制器、蓄电池组及BMS、光伏逆变器和太阳能电力管理系统等关键性设备，均通过CCS严格检验，并取得相应的船用产品证书。

实船实施中充分考虑到最大化利用太阳辐射能、便于船员监控管理和降低蓄电池舱室安全风险等问题，具体措施包括：（1）光伏电池阵列设置安装于罗经甲板层，采用小倾角结构设计方案；（2）光伏发电系统中的电气设备和蓄电池分别安装于船员居住甲板层上的电气设备间和蓄电池间；（3）针对大容量锂离子电池散热和消防灭火问题，设置独立通风机和七氟丙烷灭火报警系统；（4）太阳能电力管理系统增设至驾控室和集控室的延伸报警板。系统所有设备均于2015年9月在长航江东船厂完成安装，图2为该船光伏发电系统实船安装布置实景，图3为太阳能电力管理系统界面。

图2 “安吉204”轮光伏系统实景

图3 太阳能电力管理系统登陆界面和主界面

2015年10月16日试航期间，由船级社、船厂和船东组织了对整套系统的运行测试，主要包括：1）太阳能电池组件的输出特性；2）光伏控制器输入低电压保护和恢复电压阈值、短路保护、充满断开（HVD）、欠压断开（LVD）和恢复功能试验；3）太阳能电力管理系统参数显示、报警、记录功能试验，蓄电池间和电气设备间环境温度控制试验；4）光伏逆变器直流端欠压保护、短路保护和光伏电能与船电双向切换试验。并对系统进行了四小时满载效用试验。运行测试结果表明：该系统能在满载工况下稳定运行，电能质量满足CCS规范要求，锂电池储能系统能实现自动充放电管理，光伏电能/船电双模式自动切换可靠，状态和参数监测功能完善。

上海安盛汽车船务有限公司联合武汉理工大学新能源船舶项目组进行多次考察调研，并在武汉理工大学牵头承担工业及信息化部高技术船舶项目多项技术积累的基础上，根据内河汽车滚装船型结构和电力系统的具体特点，研究形成内河汽车滚装船离网型太阳能光伏发电系统的技术方案。在上述实施过程中，得到了CCS、设计院和船厂大力支持和帮助，针对安装工艺和系统功能完善提出了合理化建议。经一年余的努力后，完全具有完全自主知识产权的船用离网型太阳能光伏系统成功应用于“安吉204”内河汽车滚装船，且各项技术指标及性能均满足船舶规范要求。本系统投入运行可实现年均发电约45000kWh（按每年300天有效运行时间计算），可节约燃油约90000 kg，降低CO2排放量约28500kg，SOX约630kg和NOX约50kg。这必将成为我国长江黄金水道绿色航运的示范和引领。