太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在海警艦艇上的應(yīng)用

李香梅

（武警海警學(xué)院，浙江 寧波 315801）

0 引言

隨著我國(guó)海警事業(yè)的飛速發(fā)展，海警部隊(duì)也應(yīng)進(jìn)行新技術(shù)新能源的研究使用，對(duì)于執(zhí)行遠(yuǎn)洋航行任務(wù)的艦艇來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法24 h處于運(yùn)行狀態(tài)，在艦艇拋錨、主電源停機(jī)維護(hù)等情況時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)供可以給24 V電網(wǎng)使用，必要時(shí)候可通過(guò)逆變器逆變?yōu)?20 V或380 V供給日常生活用小功率電器，確保照明、儀表儀器及生活用電器的正常使用，在節(jié)省燃料資源，提高艦艇續(xù)航力、自持力有著重要意義[1]。

1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的基本原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光線(xiàn)照射在太陽(yáng)能電池上并在界面層被接納，具有足夠能量的光子可以在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激起，致使產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。當(dāng)把含空穴的P型半導(dǎo)體與含活躍電子較多的N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起的時(shí)候，會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，此時(shí)稱(chēng)之為PN結(jié)。當(dāng)有2部分組成的半導(dǎo)體晶片受光后，PN結(jié)中P型半導(dǎo)體的空穴往N型區(qū)移動(dòng)，N型區(qū)的活躍電子往P型區(qū)移動(dòng)，這就形成了從P型區(qū)到N型區(qū)之間的電流。由于電勢(shì)差的存在，此時(shí)組合成的半導(dǎo)體晶片便可形成電源，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工作原理示意圖

2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)組成如圖2所示。太陽(yáng)能光伏電池板在充放電控制器和太陽(yáng)能板收放控制系統(tǒng)的控制和保護(hù)下，吸收光能，轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在蓄電池組中，在需要的時(shí)候由分配電板進(jìn)行分配使用，在大多數(shù)情況下是供給低壓照明使用，少部分電量通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為380 V和220 V交流電源供給太陽(yáng)能板收放控制系統(tǒng)使用，必要時(shí)可供給艦艇上低功率生活電器使用，如電風(fēng)扇等。

圖2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)組成

2.1 太陽(yáng)能光伏電池板

太陽(yáng)能光伏電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心，其作用是將太陽(yáng)能的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，并將其送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，供給負(fù)載使用。擬用同天光伏科技公司生產(chǎn)的300 W太陽(yáng)能電池板9塊，每塊尺寸為1960 mm×990 mm×45 mm，重量為25 kg，為海警某型艦艇供低壓照明電路的3組蓄電池供電。太陽(yáng)能電池板擺放拼接方式如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能板拼接模型

2.2 充放電控制器

擬采用杭州超天科技有限公司的蓄久6路電瓶放電檢測(cè)儀作為線(xiàn)路中的充放電控制器。

每個(gè)蓄電池分別拉出一路接入控制儀，儀器記錄每個(gè)蓄電池放電時(shí)間，并及時(shí)對(duì)蓄電池電壓電量進(jìn)行檢測(cè)。放電過(guò)程中，當(dāng)單個(gè)蓄電池電壓低于10.20 V或高于最高電壓設(shè)定值16.2 V，儀器自動(dòng)終止該蓄電池組工作，起保護(hù)作用，按“啟動(dòng)/停止”按鈕不能啟動(dòng)放電，同時(shí)蜂鳴器長(zhǎng)音警報(bào)。正常放電過(guò)程中，按“啟動(dòng)/停止”按鈕，停止放電，放電指示燈滅。

當(dāng)蓄電池電量低時(shí)，儀器自動(dòng)切斷供電電路，電壓低指示燈亮起。若此時(shí)正處于白天以及主機(jī)停止工作階段，即通過(guò)繼電器控制系統(tǒng)控制的太陽(yáng)能電池板處于工作狀態(tài)，可通過(guò)充放電板的控制對(duì)該電池組進(jìn)行充電。該儀器連接充放電板，并且數(shù)據(jù)會(huì)傳輸?shù)匠浞烹姲屣@示。若太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)限于自然條件無(wú)法工作，必要時(shí)可手動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)充電。

2.3 逆變器

逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)化為交流電的裝置，實(shí)際是一種直流變交流的變壓器，擬采用同天光伏科技產(chǎn)品3200 W純正弦波逆變器。

設(shè)計(jì)線(xiàn)路中有9塊300 W的太陽(yáng)能電池板，每組蓄電池含電能4800 W，采用3200 W純正弦波逆變器，將蓄電池組24 V電轉(zhuǎn)化為220 V 50 Hz的純正弦波交流電，不僅滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的正常工作，在必要時(shí)也能讓電視、電風(fēng)扇等低功率生活電器運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4 太陽(yáng)能板收放控制系統(tǒng)

由于太陽(yáng)能電池板面積較大，黑夜處于不工作狀態(tài)，同時(shí)在艦艇高速航行狀態(tài)下難以抵抗大風(fēng)浪，為此將太陽(yáng)能電池板設(shè)置為可折疊的，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶的方式，使其同時(shí)滿(mǎn)足白天以及主機(jī)停止運(yùn)行2個(gè)條件時(shí)，折疊的太陽(yáng)能電池板舒展開(kāi)來(lái)，在黑夜或者主機(jī)啟動(dòng)艦艇航行時(shí)又折疊豎直收起。設(shè)計(jì)線(xiàn)路如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能板收放控制系統(tǒng)線(xiàn)路

線(xiàn)路中K5常閉觸頭是由一個(gè)安裝在配電板的繼電器控制的，繼電器連接著主機(jī)工作數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路，主機(jī)不工作時(shí)，觸頭處于閉合狀態(tài)；主機(jī)啟動(dòng)，觸頭斷開(kāi)，控制系統(tǒng)停止工作。

線(xiàn)路中KM3為光敏繼電器，由光敏電阻控制其工作。光照過(guò)低時(shí)，VT不通，繼電器不工作；光照強(qiáng)度上升，光敏電阻阻值下降，VT得到基極電流，產(chǎn)生集電極電流，促使繼電器吸合。

KT為延時(shí)繼電器，控制線(xiàn)路中2個(gè)觸頭延時(shí)斷開(kāi)。當(dāng)主機(jī)不工作，K5閉合。當(dāng)白天光照強(qiáng)度足夠時(shí)，光敏繼電器KM3工作，正轉(zhuǎn)KM3常開(kāi)觸頭閉合，反轉(zhuǎn)常閉觸頭斷開(kāi)，繼電器KM1工作，常開(kāi)開(kāi)觸頭閉合形成自鎖，常閉觸頭斷開(kāi)形成互鎖。正轉(zhuǎn)線(xiàn)路工作，伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)能板展開(kāi)，完全展開(kāi)時(shí)，延時(shí)繼電器工作，延時(shí)斷開(kāi)觸頭斷開(kāi)控制電路，伺服電機(jī)停止運(yùn)行；反之光照強(qiáng)度不足時(shí)反轉(zhuǎn)電路運(yùn)行收回太陽(yáng)能板。

2.5 工作過(guò)程

假設(shè)主機(jī)停機(jī)，光照充足，控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)工作展開(kāi)太陽(yáng)能板。太陽(yáng)能板在太陽(yáng)光照下開(kāi)始進(jìn)行光生伏特效應(yīng)，此時(shí)充放電板的低壓照明蓄電池組充電控制開(kāi)關(guān)打至1#低壓照明蓄電池組，太陽(yáng)能板與1#低壓照明蓄電池組并聯(lián)，通過(guò)浮充法為這一組蓄電池充電。蓄電池組與太陽(yáng)能板線(xiàn)路之間的充放電控制器起到穩(wěn)壓效果，控制電壓電流大小，同時(shí)作為保護(hù)報(bào)警裝置防止過(guò)充和短路等故障發(fā)生。蓄電池組連接分配電板，電量由分配電板合理分配，大部分直接作為24 V電壓直流電供小應(yīng)急電網(wǎng)的低壓照明系統(tǒng)使用，小部分通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)?80 V交流電供給伺服電機(jī)控制太陽(yáng)能板收放，必要時(shí)部分電量逆變?yōu)?20 V交流電供給風(fēng)扇等電器。

3 太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在海警艦艇上的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)思路

在海警某型艦艇上，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)折疊控制系統(tǒng)，自動(dòng)收放太陽(yáng)能光伏電池板[2]。工作時(shí)電池板平鋪開(kāi)來(lái)，取代后甲板原遮陽(yáng)布的位置；不工作時(shí)折疊存放，掛于后甲板板上建筑的墻壁上，不占用過(guò)多空間。艦艇應(yīng)急電網(wǎng)配備3組24 V蓄電池組供給低壓照明電路，每組蓄電池含2個(gè)酸性蓄電池，蓄電池組型號(hào)為12 V 200 Ah。

3.2 參數(shù)計(jì)算

1）確定蓄電池組可存儲(chǔ)的能量

根據(jù)蓄電池組型號(hào)可知，單個(gè)蓄電池容量為200 Ah。

單個(gè)最大輸出功率(儲(chǔ)存的能量)為：

低壓照明電路用蓄電池組單組儲(chǔ)存的能量為:

2）確定安裝位置的峰值日照時(shí)數(shù)

以寧波附近海域巡航為例，確定安裝位置的年總輻射量為5000～8000 MJ/m2,取寧波為7000 MJ/m2。

由表1可知，峰值日照時(shí)數(shù)=年輻射量×0.00076=5.32 h。

表1 年總輻射量與日平均峰值日照時(shí)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3）計(jì)算蓄電池組可放電時(shí)間

負(fù)載用電功率為蓄電池組最大輸出功率，每組最大輸出功率為P=4800 W；系統(tǒng)電壓為負(fù)載工作電壓。

海警某型艦艇低壓照明電路為24 V；安全系數(shù)在1.4～2.0，在系統(tǒng)資源配置允許的情況下，可以將其取為2.0。供低壓照明用蓄電池組容量為：

C=200 Ah×2個(gè)×3組=1200 Ah，

根據(jù)

可得

4）計(jì)算充滿(mǎn)蓄電池組需產(chǎn)生電數(shù)

3組蓄電池組耗盡電后重新充電需補(bǔ)充電量為：

W=用電功率×用電時(shí)間=4800 W×3 h=14.4 kW·h，即太陽(yáng)能電池板需為電池組提供14.4度電。

5）確定太陽(yáng)能電池板面積

選取同天光伏科技300 W太陽(yáng)能電池板，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 同天光伏科技300 W太陽(yáng)能電池板參數(shù)

單塊太陽(yáng)能光伏發(fā)電板在正常工作狀態(tài)下可提供電量為300 W×5.32 h=1.6 kW·h，即每塊電池板可在一天內(nèi)生產(chǎn)1.6度電。

保證一天內(nèi)為蓄電池組充滿(mǎn)電需要太陽(yáng)能電池板數(shù)為14.4/1.6=9塊，由廠家數(shù)據(jù)可知每塊電池板的面積約為2 m2，即太陽(yáng)能板的總面積為18 m2。

3.3 空間布置

為了有一個(gè)直觀的視覺(jué)效果，本文利用SolidWorks軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，模擬海警某型艦艇大致外形以及太陽(yáng)能電板布置位置[3]。圖5為太陽(yáng)能板展開(kāi)后的位置。

圖5 太陽(yáng)能板布置圖

表3 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)成本

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

1）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)成本

根據(jù)設(shè)想采用裝備進(jìn)行成本大致預(yù)算：

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)成本預(yù)算約為12000元。

2）柴油機(jī)供電

假設(shè)涉及的蓄電池全部由艦艇發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電。海警某型艦艇采用6135型柴油機(jī)和TFHX-40型同步發(fā)電機(jī)組成發(fā)電機(jī)組。經(jīng)查閱資料，6135柴油機(jī)以額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，40 kW的功率帶動(dòng)40 kW、400 V、50 Hz的TFHX-40型同步發(fā)電機(jī)工作，每產(chǎn)生1kW·h電，耗費(fèi)233 g柴油。

太陽(yáng)能系統(tǒng)為蓄電池組每日提供電量均用柴油機(jī)進(jìn)行發(fā)電，則每年耗費(fèi)柴油：14.4×365×233=1224648 g ≈1.2 t。

軍用負(fù)10號(hào)柴油大致在6784元/噸上下浮動(dòng)。則每年可節(jié)省柴油費(fèi)用約8000元，艦艇裝備此太陽(yáng)能系統(tǒng)1年半回本。

3）岸電供電

假設(shè)涉及的蓄電池全部由岸電進(jìn)行供電。

根據(jù)浙江省電網(wǎng)銷(xiāo)售電價(jià)表得知，部隊(duì)用電不滿(mǎn)1000 V的價(jià)格為0.7216元/kW·h。

太陽(yáng)能系統(tǒng)為蓄電池組每日提供電量均采用岸電供電，則每年花費(fèi)政府電價(jià)：0.7216×365×14.4=3792.7元。

可知設(shè)想系統(tǒng)能在較短時(shí)間內(nèi)回收成本。

4 可行性分析

1）海警某艦艇原后甲板遮陽(yáng)布面積約為65 m2，太陽(yáng)能板展開(kāi)后面積為18 m2，還剩下不少面積可供擴(kuò)展系統(tǒng)提高太陽(yáng)能發(fā)電量，太陽(yáng)能板收回后由3塊組合折疊掛在上建筑后甲板方向的墻壁上，不占用過(guò)多空間。

2）在主機(jī)運(yùn)行，艦艇航行過(guò)程中，太陽(yáng)能板折疊收于墻壁，對(duì)船體風(fēng)阻完全沒(méi)影響。

3）太陽(yáng)能板表面覆蓋鋼化玻璃作保護(hù)層，在抗風(fēng)浪、抗鹽堿抗腐蝕、抗雨雪等方面具有一定耐久性，可以保證在使用過(guò)程中的可靠性。

4）設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用9塊光伏太陽(yáng)能板，每塊重25 kg，加上電纜線(xiàn)路、控制箱、伺服電機(jī)、支撐鐵架等配套設(shè)備，系統(tǒng)總重不超過(guò)1 t，除去原遮陽(yáng)布重量，系統(tǒng)不影響艦艇穩(wěn)性問(wèn)題。

5）艦艇蓄電池使用免維護(hù)蓄電池組，并且系統(tǒng)采用浮充法對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，使用管理及維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程安全方便。

5 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于海警艦艇上還存在不少問(wèn)題，具體有：

1）由于日照不穩(wěn)定原因，很難實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電直接并入艦艇電網(wǎng)供全艦艇使用，需依靠蓄電池組儲(chǔ)蓄電能；

2）現(xiàn)有太陽(yáng)能技術(shù)轉(zhuǎn)換效率不高，大致均在15%～18%，海警艦艇蓄電池組數(shù)量眾多，容量較大，太陽(yáng)能技術(shù)很難為海警艦艇大量供電；

3）海警艦艇的電力系統(tǒng)采用380 V、220 V三相三線(xiàn)制及單相交流220 V雙線(xiàn)制，直流電網(wǎng)只占很小一部分，而要在海警艦艇上大面積使用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，需依靠大量穩(wěn)定高功率逆變器，在這方面對(duì)技術(shù)要求較高；

4）選用太陽(yáng)能板只采用鋼化玻璃做保護(hù)，抗腐蝕、抗鹽堿能力較弱，難以在海上長(zhǎng)時(shí)間工作；

5）浙江地區(qū)氣候多變，陰雨天氣偏多，海上陰晴不定，無(wú)法保證每日電量的充足供給，極易由于連續(xù)陰雨天氣而造成3組蓄電池組全部失電，此時(shí)需再通過(guò)柴油機(jī)為蓄電池組進(jìn)行充電，對(duì)蓄電池的壽命有不良影響。

相信隨著社會(huì)科技的發(fā)展以及海警大變革時(shí)代的到來(lái)，國(guó)家對(duì)海洋戰(zhàn)略的不斷重視和投入，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)必將應(yīng)用于海警部隊(duì)。