太阳能在救生艇

柯金丁 张海峰 袁镓腾 张青松

摘    要： 随着不可再生能源的无限利用及环境污染问题的日益突出，新型环保的可再生能源必将成为未来人类社会发展的主要能源。太阳能作为一种新型的可再生能源在各行各业都有广泛应用，欧美一些发达国家将太阳能作为海上交通工具的动力及辅助设备能源加以研究并取得初步的成功，研制出小型的太阳能船舶。因此，应研究一种太阳能救生艇，利用太阳能作为救生艇的辅助推进动力、改善救生艇的救生条件，从而提高救生艇的救生效率。太阳能在救生艇上的应用尚需解决许多关键问题，如太阳能电池板的安装、蓄电池的充放电控制、系统运行的连续性和稳定性等，本文就太阳能在救生艇上的应用的关键问题进行初步探讨研究。

关键词： 太阳能    救生艇    光伏系统

1.太阳能在海上的应用现状

1985年美国的德克萨斯州的Sun Smith公司推出了一种太阳能充电装置，可供车辆和船舶的蓄电池充电。之后，多个国家的企业和研究机构都成功制作了小型太阳能驱动的模型船。上世纪80年代，日本松下电器产业股份有限公司研发了一艘太阳能小艇，好天气时在太平洋上航行，一天可发出7千瓦时电力。2000年，随着世界第一艘商用太阳能/风能混合动力的SOLAR SAILOR号（图1）双体客船在澳大利亚悉尼水域试航成功，标志着可再生能源在船上的应用进入了一个新的里程。该船的8片可调控翼帆覆盖着太阳能发电装置，还用做风帆，船长约21米，可搭载100人左右。澳大利亚的企业和研究机构近年又提出雄心勃勃的太阳能船舶研究计划，建立太阳能、风能、燃料电池和燃油混合动力的多体船，计划在近几年内实现环球航行。

图1    澳大利亚的SOLARSAILOR号

除澳大利亚外，其他国家如美国、英国、德国和瑞士等非常重视太阳能船舶和混合动力船舶的开发和研究，都研制了不少太阳能游艇，并提出了相应的研究计划，计划将太阳能、风能等新能源技术应用在大型船舶上。2007年5月8日，经过5个多月的航行，瑞士的全太阳能动力船“太阳21号”（图2）完成了横渡大西洋之旅，成为世界上第一艘完全以太阳能为动力横跨大西洋的船只。

图2    瑞士的“太阳21号”

在国内，中国船舶及海洋工程设计研究院、中国船舶科学研究中心及上海大学等科研院所、高校也在开展或者关注太阳能等可再生能源动力船舶的研制，并建造出一些太阳能动力小艇。

2.太阳能救生艇的设计思路

2.1太阳能救生艇的提出

救生艇是一种具有一定浮力、强度、航速，在承载额定乘员的同时，还配备有一定的属具备品，并在恶劣天气下航行或漂流的刚性小艇，是海船非常重要的救生工具。当海难事故发生时，船上人员可以借助救生艇迅速脱离难船，利用救生艇进行海上求生活动，以最大限度保证旅客和船员的生命安全。目前海船上配备的救生艇都是采用压燃式四冲程柴油机作为推进动力，柴油机通过齿轮减速箱控制艇的进车、倒车、停车，经过尾轴传递到螺旋桨，使其正反旋转，实现使艇前进、后退或减速。但是该种救生艇配备的柴油只能维持救生艇持续航行24小时，当燃料用完后，救生艇就失去自航能力，只能靠人力航行，给海上求生活动造成巨大的威胁。因此，太阳能救生艇是一种以太阳能为辅助动力，旨在提高救生艇的续航能力和改善救生艇的救生条件，从而提高救生艇的救生效率。

2.2太阳能光伏系统

太阳能救生艇的核心是太阳能光伏系统，是一种将太阳能转变成电能的系统，包括太阳能电池板、控制器、逆变器、蓄电池组、电动机（交流负载）等。该系统各部分作用如下：

2.2.1太阳能电池板：是太阳能光伏发电系统的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或储存于蓄电池内备用。

2.2.2控制器：是对太阳能光伏发电系统进行控制的设备，是确保整个系统正常运行的控制核心。最主要作用是根据光照的强弱和负载的需求，自动控制蓄电池的最佳充放电方式和时机，保证负载能够持续、平稳地获得所需的电能。此外，还可以显示整个系统各个单元的运行状态和参数，对系统发生故障进行指示和诊断，保护系统各个设备。

2.2.3逆变器：将太阳能电池板产生的直流电转换成负载所需的交流电。

2.2.4蓄电池组：是太阳能光伏发电系统的储能部件，采用酸铅蓄电池。它的作用是将太阳能电池板产生的直流电直接储存起来，随时向负载提供。当光照较强，太阳能电池板产生的电能大于负载所需时，太阳能电池板除了对负载供电，还对蓄电池充电，将多余的电能储存在蓄电池内备用;当光照较弱，电池板产生的电能小于负载所需时，蓄电池开始放电，并向负载供应所需电能。

2.2.5电动机：即所述的负载，是系统的动力部件。电动机获得所需能量后运转，带动螺旋桨转动，产生动力。

2.3太阳能光伏系统的工作原理

太阳能光伏系统的工作原理如图3所示，在有光照的白天，太阳能电池板将太阳能转换成直流形式的电能，在控制器的控制下，一部分电能经过逆变器转换，直流电被转换成负载所需的交流电，该交流电可直接向交流负载（电动机）供应使其获得动力，电动机产生动力转动从而带动螺旋桨一起转动;另一部分电能直接储存于蓄电池组，在夜间或者白天光照不足的情况下，蓄电池开始放电，并经过逆变器转换，放出的直流电被转换成交流电，继续供负载（电动机）使用，从而产生动力带动螺旋桨转动。

图3    太阳能光伏系统原理图

而整个系统要连续、自动、稳定地运行，控制器起着不可或缺的作用，控制器是整个太阳能光伏系统的核心。它将系统的各个元件串联起来，保证各个元件能够正常工作。一方面，控制器要计算负载运行所需的功率，从而控制太阳能电池板的最大输出功率，以满足负载的需求。另一方面，它要控制蓄电池组的最佳充放电时机，以保证负载在各种天气条件下都能够获得足够的功率，从而保证系统运行稳定。

3.太阳能救生艇关键性技术研究分析

目前，关于太阳能救生艇的研究仅停留在理论阶段，要将太阳能救生艇应用于实践，研制出一种太阳能救生艇，还有待进一步论证研究。要将理论研究应用于实践，关键在于解决几大关键性技术问题。比如，太阳能电池板的安装问题、蓄电池的选择问题、充放电的自动控制问题、系统运行的连续性和稳定性问题等。

3.1太阳能电池板的安装

太阳能电池板的安装问题是首先要考虑的问题，因为太阳能电池板是整个太阳能光伏发电系统的基础，它能否最优化安装，关系到太阳能光伏发电系统能否产生足够的电能。关于太阳能电池板的安装，我们首要考虑它的发电效率问题。救生艇的外表面积本来就相对较小，能够安装太阳能电池板的空间相对有限，因此在安装太阳能电池板时，我们基于两点考虑：一是安装在救生艇上的太阳能电池板要足够牢固，经得起海上大风浪的抗击;二是产生足够的电能，尤其是在光照强度不高的情况下，如何产生足够的电能。

因此，为了解决上述问题，我们提出这样的方案：为了使电池板的受光面积尽可能大，我们在安装太阳能电池板时，采用可折叠式翼形太阳能电池板，这种电池板可以调整受光面积和受光角度，以便最大限度地利用太阳能。在天气晴朗的情况下，太阳能电池板可以展开到最大受光面积，有效利用光能，在风浪较大的情况下，考虑到它的牢固，可以适当折叠太阳能电池板，通过调整它的光照角度实现最大限度地利用光能。另外，为了提高太阳能光电转换效率，我们采用聚透镜提高受光强度，从而实现弱光高效发电的目标，其技术方案包括太阳能电池板和覆盖在太阳能电池板受光面上的微棱透镜板。微棱透镜板由多个凸透镜紧密排列而成，利用凸透镜将照射到太阳能电池板的平行太阳光聚集成多个亮度更高的光束，能提高光电转换效率和光照强度较弱时太阳能电池板的输出电压，使太阳能电池板在弱光时也可以正常供电。

3.2蓄电池的选择

蓄电池是太阳能光伏发电系统的储能部件，它的作用是将太阳能电池板产生的直流电直接储存起来，随时向负载提供。当光照较强，太阳能电池板产生的电能大于负载所需时，太阳能电池板除了对负载供电，还对蓄电池充电，将多余的电能储存在蓄电池内备用;当光照较弱，电池板产生的电能小于负载所需时，蓄电池开始放电，并向负载供应所需电能。因此蓄电池是太阳能光伏发电系统中不可缺少的元件之一，选择一种性能优良、使用寿命长、价格相对便宜的蓄电池尤其重要。目前，太阳能光伏系统中常应用的蓄电池主要有传统开口铅酸蓄电池、阀控式密封铅酸蓄电池和铬镍蓄电池三种，根据三种蓄电池的特性及价格等综合因素考虑，阀控式密封铅酸蓄电池是目前用蓄电池储能的最佳选择。

3.3充放电的自动控制

选择一种最佳蓄电池后，接下来要解决的关键问题是，如何实现蓄电池充电与放电的自动控制，这就涉及太阳能光伏发电系统的另一个重要元件——控制器。它是对太阳能光伏发电系统进行控制的设备，是确保整个系统正常运行的控制核心。最主要作用是根据光照的强弱和负载的需求，自动控制蓄电池的最佳充放电方式和时机，保证负载能够持续、平稳地获得所需的电能。除此之外，它还应该具有以下功能，以保证系统正常连续地运行。

3.3.1信号检测。检测光伏系统中各种装置和各个单元的状态和参数，为对系统进行判断、控制、保护等提供依据。

3.3.2最优充电控制。控制器根据当前太阳能资源状况和蓄电池荷电状态，确定最佳充电方式，以实现高效、快速地充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。

3.3.3设备保护。光伏系统连接的用电设备在有些情况下需要由控制器提供保护，如系统中逆变器电路故障而出现的过压和负载短路而出现的过流等，如不及时加以控制，就有可能导致光伏系统或用电设备损坏。

3.3.4故障诊断定位。当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型、指示故障位置，为系统检测维修提供方便。

3.3.5运行状态指示。通过指示灯、显示屏等方式指示光伏系统的运行状态。

3.4系统运行稳定性

这里所指的系统运行稳定性包含两方面：一是在内部环境下运行稳定;二是在外部环境下运行稳定。内部环境下运行的稳定性，指太阳能光伏系统的各个设备要正常运行，从而保证系统正常有序地运行，尤其是保证系统能够根据实际需要自动充放电，以满足负载的要求。在保证内部环境下运行稳定性方面，控制器起着核心作用。关于控制器的作用前面已经论述过。外部环境下运行的稳定性，指整个系统安装在救生艇后，要在海上变化多样的环境下正常运行，不仅要在风和日丽的良好气候下运行，而且要在狂风暴雨等不良气候下运行。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、盐雾腐蚀等环境下具体试验验证程序规范。因此，在海洋气候环境下，光伏系统要特别考虑使用防风雨及抗盐雾的保护装置，从而保证系统在外部环境条件下正常运行。

4.结语

太阳能作为一种新型、环保、可再生能源，在各个领域有广阔的应用。在节约资源和环境保护的双重制约下，太阳能已经初步应用于海上交通运输工具，随着太阳能技术越来越成熟，其应用将更广泛。因此，只要解决太阳能在救生艇应用中的几个关键技术难题，太阳能救生艇的问世将成为可能。

参考文献：

[1]孙玉伟.船用太阳能光伏发电系统设计及性能评估[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[2]吴新宪.太阳能和风能在船舶上的应用分析[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[3]韩烁.新能源在船舶中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[4]李进.太阳能在船舶动力装置中的应用与前景[J].船海工程，2010，39（4）.

[5]张为民，李晓武，雷霆.太阳电池-铅酸蓄电池充电控制器的研究[J].电源技术，2004.