摘 要

能源危机和环境污染问题将太阳能船舶推上了历史舞台，因其节能减排优势明显，所以光伏发电技术在船舶上的应用逐渐成为研究热点。本文以典型的海事趸船为研究对象，完成趸船用光伏并网系统的总体设计，重点针对并网逆变器的原理展开设计，分析光伏发电技术在船舶上应用的可行性和经济性。

在了解太阳能发电的一般技术基础上，根据趸船电力系统电力负荷，完成了系统总体结构的设计，并绘制了电气原理图。根据中国船级社（CCS）的相关技术要求，完成了光伏组件的选型，并完成了系统容量的设计、光伏阵列的布置以及直流防雷汇流设计等。 并网逆变器是系统的控制核心部件，因此针对并网逆变器，完成了并网逆变原理设计。最后论述了船用光伏系统的节能减排效果和经济性。

关键字：趸船；光伏并网；逆变原理；优势分析

Abstract

The energy crisis and environmental pollution issues have pushed solar ships onto the historical stage. Because of their obvious advantages in energy saving and emission reduction, the application of photovoltaic power generation technology in ships has gradually become a research hotspot. This paper takes a marine barge as the research object, completes the overall design of the photovoltaic grid-connected system for barges, focuses on the principle of grid-connected inverters, and analyzes the feasibility and economy of the application of photovoltaic technology on ships.

On the basis of understanding the general technology of solar power generation, according to the power load of the barge power system, the design of the overall structure of the system was completed, and the electrical schematic diagram was drawn. According to the relevant technical requirements of China Classification Society (CCS), the selection of photovoltaic modules was completed, and the design of system capacity, arrangement of photovoltaic arrays, and design of DC lightning arrester were completed. The grid-connected inverter is the core component of the control system. Therefore, for the grid-connected inverter, the design of the grid-connected inverter is completed. Finally, it discusses the energy saving and emission reduction effect and economy of marine PV systems.

Key words: Barge; photovoltaic grid connection; principle of inversion; advantage analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.3研究内容及目标 2

第2章 趸船光伏并网系统总体设计 3

2.1 典型40米海事趸船电力系统负荷分析 3

2.2趸船光伏并网系统结构设计 5

2.3趸船光伏系统容量设计 6

2.3.1光伏组件在船舶上使用的技术要求 6

2.3.2光伏电池组件的选型 6

2.3.3光伏组件的串并联组合方式 9

2.4光伏阵列布置 9

2.4.1光伏阵列布置方案 9

2.4.2光伏阵列最佳倾角的选取 10

2.4.3卡扣机构的设计 11

2.5直流防雷汇流设计 11

2.5.1接线盒 11

2.5.2直流防雷汇流箱 12

2.6本章小结 13

第3章 并网逆变原理设计 14

3.1最大功率点跟踪技术 15

3.1.1定电圧（CVT）跟踪法 16

3.1.2扰动观察法 16

3.1.3电导增量法 17

3.1.4并网逆变器最大功率点跟踪方法设计 19

3.2脉宽调制技术 19

3.2.1并网逆变器脉宽调制方法设计 19

3.2.2 SPWM脉宽调制技术原理 20

3.2.3脉宽调制信号生成方法 20

3.2.4 SPWM 波生成方法 23

3.3孤岛效应的检测与保护 24

3.3.1被动式孤岛效应的检测 24

3.3.2主动式孤岛效应的检测 25

3.3.3并网逆变器防孤岛检测方法设计 26

3.4本章小结 26

第4章 船用光伏系统优势分析 27

4.1节能减排的贡献 27

4.2经济性优势评估 28

4.2.1趸船所在地太阳能资源分析 28

4.2.2趸船光伏发电系统供电能力概算 28

4.2.3系统费用支出概算 28

4.3本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

能源危机的加重，环保意识的增强，新能源利用成为全世界关注的焦点。作为化石燃料消耗巨大的船舶节能减排责任重大，因此，绿色船舶和绿色航运是造船和航运业的发展方向。随着半导体制造技术和电力电子变换技术的发展，以光伏发电为典型代表的可再生能源，在节能减排方面所具有的独特优势已经越来越显著^[1]。太阳能发电的优势在于其取之不尽，对环境没有污染，因而在船舶的应用和推广受到业内推崇。

趸船是一种无动力装置的矩形平底船，通常停泊在岸边，一般用作浮动码头供人们装卸货物或其他用途。趸船停泊水域环境开阔，其顶篷甲板无遮蔽面积大，是光伏发电理想的应用场所，因此开展趸船光伏并网发电系统设计，具有较高市场应用前景。

1.2国内外发展现状

光伏发电技术在船舶领域的应用起步较晚，仅二十多年的发展历史^[2]。在小型船舶上的应用逐渐频繁，但是在大型船舶上的应用却屈指可数，所以船舶光伏发电技术尚待提高。

1997年，瑞士一家企业发明的历史上第一艘太阳能驱动邮船成功下水试航，船长27.5m，船上可以搭载60名乘客，船上的太阳能电池组件为蓄电池充电。

2010年，瑞士的一家公司生产出了一艘名为“星球太阳能”号的双体船，该船的动力来自于太阳能发电，船长31m，船宽15m，可搭载50人，500 m²的光伏阵列置于船体上方给船舶供电。

2017年，日本Eco Marine Power公司，为旗下数艘大型散货船进行了集成航行系统及太阳能电力系统的安装，该船依靠排列在甲板的太阳能风帆供电，供电量多少取决于具体航程和安装数量。

2010年，上海世博会上702研究所向世界展示了所研制的“尚德国盛号”游轮，这是我国第一艘太阳能和柴油混合动力游船，并且可以在纯柴电、纯电池、混合三种工作模式下进行切换。该船的太阳能系统由70块光伏组件组成，具有自动跟踪辐照方向的能力。

2013年，武汉理工大学新能源船舶科研团队以“中远腾飞”轮为实船示范研究对象，安装了光伏离/并网系统，该系统装机容量为143kW，可降低船舶柴油发电机组120kW至140kW的功率消耗，每年大约节约85万元油费，经济效益及社会效益显著。

通过以上分析不难发现，光伏发电技术在船舶上的应用的发展速度是非常快的，虽然更多的是应用在小型船舶上，但是在大型船舶上已经做了很多尝试。光伏技术在结构和可靠性上不断提高以及太阳能电池技术的发展，将会推动光伏技术在大型船舶上的大规模使用。

1.3研究内容及目标

（1）通过太阳能并网控制功能需求分析，以典型的40米海事趸船为研究对象，完成光伏并网发电系统总体结构设计，并完成光伏阵列布置及发电量的测算；

（2）围绕着最大功率点跟踪技术（MPPT）、脉宽调制技术及孤岛效应的检测与保护等关键性技术，展开对并网逆变器并网逆变原理的设计。

（3）通过与传统化石燃料的对比，突出船用光伏系统在节能减排与经济性方面的优势。

（4）最后总结全文，并针对船用光伏系统现阶段仍然存在的问题，提出展望。

第2章 趸船光伏并网系统总体设计

由于趸船所处水域开阔，顶篷甲板可利用面积大，所以光伏发电技术在趸船上的应用具有较高的市场应用前景，本次设计中选取武汉地区典型的40米海事趸船为研究对象，展开对趸船光伏并网系统的设计。

2.1 典型40米海事趸船电力系统负荷分析

海事趸船的主要用电负荷包括游步甲板、上甲板和主甲板的用电负荷，以及空调系统。主要用电设备包括照明设备、生活设备和工作设备，其中生活设备分为必要生活设备和非必要生活设备，必要生活设备指排风扇，插座，净水器，冰箱和饮水机等保障基本生活的设备，非必要设备指电视机，洗衣机，热水器和微波炉等非保障基本生活的设备。趸船电力系统负荷统计如表2.1、表2.2和表2.3所示。

表2.1 主甲板供电负荷

表2.2 上甲板供电负荷

空调系统：中央空调和政务大厅应急保障空调，其中政务大厅电力负荷为5kW。

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