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摘要：随着传统能源危机和生态环境恶化，船用太阳能系统受到了越来越多的关注。为了保证船用光伏系统的可靠性与鲁棒性，对系统中能量采集子系统、能量存储子系统和能量消耗子系统的能量特性进行分析，得到能量采集率、能量消耗率和系统能量状态概率，并通过随机队列分析方法得到系统设计指标。在基于能量动态特性的设计指标的基础上，设计船用光伏系统，设计方法兼顾了系统可靠性稳定性两方面。
关键词：可再生能源；光伏船舶；系统设计；能量动态特性；
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：1674-3520（2014）-06-00263-02
on Energy Dynamic Characteristics
Abstract: With the deterioration of ecological environment and traditional energy crisis, the ship powered by solar energy has attracted more and more attention. To ensure the reliability and the robustness of photovoltaic ship system, the energy characteristics of energy harvesting sub-system, energy storage sub-system and energy consumption sub-system were analyzed, and the energy arriving rate, energy consumption rate and system energy state probability were deduced. Then, the key system design parameters were proposed using queuing analysis methods to guide the design of photovoltaic ship system, taking into account the stability and the reliability of system.
Keywords: Renewable Energy; Photovoltaic Ship; System Design；Energy Dynamic Characteristics一、引言
在全球经济持续发展的今天，世界物资运输所需要的船舶数量愈来愈多，随之而来的船舶排放废弃物对环境的污染也日趋严重。这一趋势将逐年增长，到2020年，海上污染物的排放将比目前增加75%。因此，如何节约现有能源，开发利用新能源成为了船舶行业的重要目标之一[1]。
太阳能是最具代表性的可再生能源，其具有分布广泛，可广泛利用的优点。随着太阳能发电技术的日趋成熟和完善，在船舶上应用太阳能引起了船舶界的关注。太阳能的开发和利用不仅可以减缓传统能源紧张的压力，还能够解决环境污染问题。
传统的船用光伏系统设计主要采用经验的方法[2][3]，根据日平均有效光照强度、温度和日照时间等统计数据以及储能电池容量和充满所需时间，计算发电系统中的风机日输出功率和太阳能电池板的日输出功率。为保证系统供电的可靠性，设计发电子系统的日功率输出大于负载系统的日用电量。采用经验估算的风光互补供电系统设计方法会造成系统装机容量严重不足或者过剩现象。传统设计方法通常采用静态能量分析与设计方法，忽略了系统运行中的能量动态特性，无法保证系统的可靠性。同时，在传统设计方法中，缺少系统各组成部分可靠性、稳定性的评价指标对系统设计的指导，无法保证系统的经济性。
鉴于此，本文通过分析船用光伏系统中各子系统的能量动态特征，得到系统运行可靠性、经济性的设计指标。同时，供电系统的稳定性和可靠性为约束条件，对传统光伏系统进行设计。与传统设计方法相比，可以有效提高系统工作的稳定性，太阳能利用率等，从而保证所设计的船用光伏系统长时间可靠、经济的工作。
二、船用光伏系统组成
船用光伏系统主要由能量采集子系统、控制子系统、能量存储子系统和能量消耗子系统构成[4]。
（一）能量采集子系统：太阳能电池作为船用光伏系统中的能量采集部分，利用半导体材料的光电效应将辐射到其表面的光能转变为电能。太阳能电池的输出功率与太阳辐射强度、环境温度和太阳能电池板面积等因素相关。
（二）能量存储子系统：当光照充足导致太阳能电池产生的电能大于能量消耗子系统的能量需求时，电池组将过剩的电能储存起来；相反地，当系统发电量不足或负载电量增加时，则由电池组向负载补充电能，以保证系统供电的可靠性。
（三）能量消耗子系统：船舶的推进电机是船上的主要负载，其他负载还包含有照明设备、热水器、空调等。
（四）控制子系统：包括交、直流变换器和电压变换器以及能量控制器。交直流与电压变换器通常包括逆变器、整流器与斩波器等电子电力设备等。能量控制器对系统中的能量进行管理和控制，例如，根据太阳能发电与负载用电情况对储能电池组的充、放电控制等。
三、船用光伏系统的能量动态特征与设计指标
船用光伏系统的设计问题可以看作是一个目标优化问题，通常以系统的投资成本，太阳能电池板的安装面积，供电系统的稳定性和可靠性为约束条件，在气象数据和船只负载用电数据的基础上，对能量采集子系统和能量存储子系统的容量进行优化设计。
下文首先对光伏系统中的能量采集子系统、能量消耗子系统和能量存储子系统中的能量特征（能量采集率、能量消耗率和系统能量状态概率）进行分析，得到船用光伏发电系统中各子系统可靠性和稳定性的评价指标，最后，在能量约束指标的基础上对船用光伏系统进行优化设计。
（一）能量采集率
能量采集率是指能量采集子系统在单位时间内转化的能量。太阳能电池受到太阳辐射强度和环境温度的影响，其输出特性具有非线性。当太阳辐射强度相同时，随着温度的升高，太阳能电池最大输出功率降低；当环境温度相同时，随着太阳辐射强度的增加，太阳能电池最大输出功率增加。无论在任何温度和太阳辐射强度条件下，太阳能电池板存在一个最大功率点。显然，工况不同，太阳能电池板输出的最大功率也不同。
通常，太阳能电池厂商提供太阳能电池在标准测试条件下（即太阳光辐射强度参考值，环境温度参考值）的电气参数，如最大输出功率对应的电压，电流等。为了保证能量采集子系统运行在当前工况下的最佳状态，即保持太阳能电池始终输出最大功率，系统对太阳能电池的最大功率点进行跟踪控制[5]。因此，太阳能电池在任意辐射强度和温度条件下的电流电压输出特性能够近似表示为
（1）
（2）
其中，和分别为不同测量时间的太阳辐射强度和温度；补偿系数，，分别为，，；为自然对数的底数。在时刻时，面积为[单位：]的太阳能电池板输出功率，因此，在时间内，船用光伏系统的能量采集率为
（3）
（二）能量消耗率
能量消耗率是指能量消耗子系统在单位时间内消耗的能量。在能量消耗子系统中，主要负载为推进电机。假设推动电机的有效功率为，因此，所需的实际电机功率，其中表示推进系数。在船舶湿水面积一定的情况下，有效功率能够根据船舶阻力估算相关理论公式和航速确定[6]。因此，在时间内，船用光伏系统的能量消耗率为
（4）
（三）系统能量状态概率
由于电池组是作为船用光伏系统中的唯一储能设备，因此，系统能量状态能够由储能子系统中的能量状态直观反映。根据系统中的能量流动特点，利用随机队列模型对系统能量状态进行分析。如图1所示，船用光伏系统的能量流动过程能够抽象为单服务窗混合制的能量队列模型。该过程包括能量采集子系统将太阳能转换为电能（能量到达），并存储在能量存储子系统中（能量排队），存储在电池组中的能量供能量消耗子系统使用（能量离开）三个部分。当电池组荷电状态为100%时，采集的过剩电能将丢弃（能量溢出）。
图1.能量队列模型
已知在时间内，系统的能量采集率（能量到达率）为，系统的能量消耗率（能量离开率）为，能量存储子系统最大容量为（即，系统能量状态）。将系统能量流动过程离散化，利用离散的数学分析方法对该过程进行分析。本文将能量采集子系统的能量采集过程和能量消耗子系统的能量消耗过程拟合为参数为和的泊松过程，系统的能量流动过程能够利用Markov能量状态转移图描述，其中，每个节点对应系统每个能量状态。
图2.Markov能量状态转移图
在Markov能量状态转移图中，所有状态相互连通，且状态有限，因此存在平稳分布。
四、船用光伏系统设计方法
本文提出的设计方法综合考虑了太阳能电池配置与电池组容量配置相关的能量流过程，同时，考虑在无光极端条件下船用光伏系统应满足的设计指标，从而保证系统运行的可靠性。设计步骤如下：
（1）对船舶航行海域的日照强度和环境温度进行统计，通过式（1）—（3）得到时间内船用光伏系统的能量采集率；
（2）统计时间内船舶运行航速，得到推进电机的有效功率，并通过式（4）得到船用光伏系统的能量消耗率；
（3）根据系统的可靠性要求，在无光极端条件下电池组应满足负载的用电需求，因此，电池组容量为
（5）
其中，表示连续无有效利用太阳能的时间，为电池组的放电深度。
（4）在综合考虑3.4节提出的系统设计指标的基础上，对船用光伏系统进行优化设计。通常，光伏发电系统设计的总体原则是在保证满足负载供电需要的前提下，使得系统的经济性最好。因此，本文以最小化太阳能板面积为优化目标，建立优化问题：
（6）
其中，表示船用光伏系统允许的能量中断概率。式（6）为非线性凸优化问题，可以通过拉格朗日乘子法或者罚函数法进行求解。同样地，根据不同的优化目标，结合系统综合设计指标，能够设计不同的优化方案。系统设计流程图如图3所示。
图3.系统设计流程图
五、结论
船用光伏系统的设计问题是在气象数据和船只负载用电数据的基础上，对系统中能量采集子系统和能量存储子系统的容量进行优化设计。本文对系统中的能量特性进行分析，在此基础上提出船用光伏系统的设计方法，充分考虑了风光互补系统运行中的动态和非线性特性，可以有效保证所设计系统的可靠性与鲁棒性。
参考文献：
[1]严新平.新能源在船舶上的应用进展及展望[J].船海工程,2010,39(6):111-115,120
[2]张金花.太阳能光伏发电系统容量计算分析[J].甘肃科技,2009,25(12):57-60
[3]陈立剑,徐建勇.太阳能光伏电力推进在船舶上的应用研究[J].船海工程,2013,42(2):160-164
[4]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].化学工业出版社.2005
[5]张旭,张鹏,余峰,等.光伏并网逆变器最大功率点跟踪MPPT设计[J].船电技术,2013,33(11):62-64
[6]黄武林,张素荣.双体船阻力的一种估算方法[J].船舶工程,1987,2(1):13-17
关键词：可再生能源；光伏船舶；系统设计；能量动态特性；
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：1674-3520（2014）-06-00263-02
on Energy Dynamic Characteristics
Abstract: With the deterioration of ecological environment and traditional energy crisis, the ship powered by solar energy has attracted more and more attention. To ensure the reliability and the robustness of photovoltaic ship system, the energy characteristics of energy harvesting sub-system, energy storage sub-system and energy consumption sub-system were analyzed, and the energy arriving rate, energy consumption rate and system energy state probability were deduced. Then, the key system design parameters were proposed using queuing analysis methods to guide the design of photovoltaic ship system, taking into account the stability and the reliability of system.
Keywords: Renewable Energy; Photovoltaic Ship; System Design；Energy Dynamic Characteristics一、引言
在全球经济持续发展的今天，世界物资运输所需要的船舶数量愈来愈多，随之而来的船舶排放废弃物对环境的污染也日趋严重。这一趋势将逐年增长，到2020年，海上污染物的排放将比目前增加75%。因此，如何节约现有能源，开发利用新能源成为了船舶行业的重要目标之一[1]。
太阳能是最具代表性的可再生能源，其具有分布广泛，可广泛利用的优点。随着太阳能发电技术的日趋成熟和完善，在船舶上应用太阳能引起了船舶界的关注。太阳能的开发和利用不仅可以减缓传统能源紧张的压力，还能够解决环境污染问题。
传统的船用光伏系统设计主要采用经验的方法[2][3]，根据日平均有效光照强度、温度和日照时间等统计数据以及储能电池容量和充满所需时间，计算发电系统中的风机日输出功率和太阳能电池板的日输出功率。为保证系统供电的可靠性，设计发电子系统的日功率输出大于负载系统的日用电量。采用经验估算的风光互补供电系统设计方法会造成系统装机容量严重不足或者过剩现象。传统设计方法通常采用静态能量分析与设计方法，忽略了系统运行中的能量动态特性，无法保证系统的可靠性。同时，在传统设计方法中，缺少系统各组成部分可靠性、稳定性的评价指标对系统设计的指导，无法保证系统的经济性。
鉴于此，本文通过分析船用光伏系统中各子系统的能量动态特征，得到系统运行可靠性、经济性的设计指标。同时，供电系统的稳定性和可靠性为约束条件，对传统光伏系统进行设计。与传统设计方法相比，可以有效提高系统工作的稳定性，太阳能利用率等，从而保证所设计的船用光伏系统长时间可靠、经济的工作。
二、船用光伏系统组成
船用光伏系统主要由能量采集子系统、控制子系统、能量存储子系统和能量消耗子系统构成[4]。
（一）能量采集子系统：太阳能电池作为船用光伏系统中的能量采集部分，利用半导体材料的光电效应将辐射到其表面的光能转变为电能。太阳能电池的输出功率与太阳辐射强度、环境温度和太阳能电池板面积等因素相关。
（二）能量存储子系统：当光照充足导致太阳能电池产生的电能大于能量消耗子系统的能量需求时，电池组将过剩的电能储存起来；相反地，当系统发电量不足或负载电量增加时，则由电池组向负载补充电能，以保证系统供电的可靠性。
（三）能量消耗子系统：船舶的推进电机是船上的主要负载，其他负载还包含有照明设备、热水器、空调等。
（四）控制子系统：包括交、直流变换器和电压变换器以及能量控制器。交直流与电压变换器通常包括逆变器、整流器与斩波器等电子电力设备等。能量控制器对系统中的能量进行管理和控制，例如，根据太阳能发电与负载用电情况对储能电池组的充、放电控制等。
三、船用光伏系统的能量动态特征与设计指标
船用光伏系统的设计问题可以看作是一个目标优化问题，通常以系统的投资成本，太阳能电池板的安装面积，供电系统的稳定性和可靠性为约束条件，在气象数据和船只负载用电数据的基础上，对能量采集子系统和能量存储子系统的容量进行优化设计。
下文首先对光伏系统中的能量采集子系统、能量消耗子系统和能量存储子系统中的能量特征（能量采集率、能量消耗率和系统能量状态概率）进行分析，得到船用光伏发电系统中各子系统可靠性和稳定性的评价指标，最后，在能量约束指标的基础上对船用光伏系统进行优化设计。
（一）能量采集率
能量采集率是指能量采集子系统在单位时间内转化的能量。太阳能电池受到太阳辐射强度和环境温度的影响，其输出特性具有非线性。当太阳辐射强度相同时，随着温度的升高，太阳能电池最大输出功率降低；当环境温度相同时，随着太阳辐射强度的增加，太阳能电池最大输出功率增加。无论在任何温度和太阳辐射强度条件下，太阳能电池板存在一个最大功率点。显然，工况不同，太阳能电池板输出的最大功率也不同。
通常，太阳能电池厂商提供太阳能电池在标准测试条件下（即太阳光辐射强度参考值，环境温度参考值）的电气参数，如最大输出功率对应的电压，电流等。为了保证能量采集子系统运行在当前工况下的最佳状态，即保持太阳能电池始终输出最大功率，系统对太阳能电池的最大功率点进行跟踪控制[5]。因此，太阳能电池在任意辐射强度和温度条件下的电流电压输出特性能够近似表示为
（1）
（2）
其中，和分别为不同测量时间的太阳辐射强度和温度；补偿系数，，分别为，，；为自然对数的底数。在时刻时，面积为[单位：]的太阳能电池板输出功率，因此，在时间内，船用光伏系统的能量采集率为
（3）
（二）能量消耗率
能量消耗率是指能量消耗子系统在单位时间内消耗的能量。在能量消耗子系统中，主要负载为推进电机。假设推动电机的有效功率为，因此，所需的实际电机功率，其中表示推进系数。在船舶湿水面积一定的情况下，有效功率能够根据船舶阻力估算相关理论公式和航速确定[6]。因此，在时间内，船用光伏系统的能量消耗率为
（4）
（三）系统能量状态概率
由于电池组是作为船用光伏系统中的唯一储能设备，因此，系统能量状态能够由储能子系统中的能量状态直观反映。根据系统中的能量流动特点，利用随机队列模型对系统能量状态进行分析。如图1所示，船用光伏系统的能量流动过程能够抽象为单服务窗混合制的能量队列模型。该过程包括能量采集子系统将太阳能转换为电能（能量到达），并存储在能量存储子系统中（能量排队），存储在电池组中的能量供能量消耗子系统使用（能量离开）三个部分。当电池组荷电状态为100%时，采集的过剩电能将丢弃（能量溢出）。
图1.能量队列模型
已知在时间内，系统的能量采集率（能量到达率）为，系统的能量消耗率（能量离开率）为，能量存储子系统最大容量为（即，系统能量状态）。将系统能量流动过程离散化，利用离散的数学分析方法对该过程进行分析。本文将能量采集子系统的能量采集过程和能量消耗子系统的能量消耗过程拟合为参数为和的泊松过程，系统的能量流动过程能够利用Markov能量状态转移图描述，其中，每个节点对应系统每个能量状态。
图2.Markov能量状态转移图
在Markov能量状态转移图中，所有状态相互连通，且状态有限，因此存在平稳分布。
四、船用光伏系统设计方法
本文提出的设计方法综合考虑了太阳能电池配置与电池组容量配置相关的能量流过程，同时，考虑在无光极端条件下船用光伏系统应满足的设计指标，从而保证系统运行的可靠性。设计步骤如下：
（1）对船舶航行海域的日照强度和环境温度进行统计，通过式（1）—（3）得到时间内船用光伏系统的能量采集率；
（2）统计时间内船舶运行航速，得到推进电机的有效功率，并通过式（4）得到船用光伏系统的能量消耗率；
（3）根据系统的可靠性要求，在无光极端条件下电池组应满足负载的用电需求，因此，电池组容量为
（5）
其中，表示连续无有效利用太阳能的时间，为电池组的放电深度。
（4）在综合考虑3.4节提出的系统设计指标的基础上，对船用光伏系统进行优化设计。通常，光伏发电系统设计的总体原则是在保证满足负载供电需要的前提下，使得系统的经济性最好。因此，本文以最小化太阳能板面积为优化目标，建立优化问题：
（6）
其中，表示船用光伏系统允许的能量中断概率。式（6）为非线性凸优化问题，可以通过拉格朗日乘子法或者罚函数法进行求解。同样地，根据不同的优化目标，结合系统综合设计指标，能够设计不同的优化方案。系统设计流程图如图3所示。
图3.系统设计流程图
五、结论
船用光伏系统的设计问题是在气象数据和船只负载用电数据的基础上，对系统中能量采集子系统和能量存储子系统的容量进行优化设计。本文对系统中的能量特性进行分析，在此基础上提出船用光伏系统的设计方法，充分考虑了风光互补系统运行中的动态和非线性特性，可以有效保证所设计系统的可靠性与鲁棒性。
参考文献：
[1]严新平.新能源在船舶上的应用进展及展望[J].船海工程,2010,39(6):111-115,120
[2]张金花.太阳能光伏发电系统容量计算分析[J].甘肃科技,2009,25(12):57-60
[3]陈立剑,徐建勇.太阳能光伏电力推进在船舶上的应用研究[J].船海工程,2013,42(2):160-164
[4]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].化学工业出版社.2005
[5]张旭,张鹏,余峰,等.光伏并网逆变器最大功率点跟踪MPPT设计[J].船电技术,2013,33(11):62-64
[6]黄武林,张素荣.双体船阻力的一种估算方法[J].船舶工程,1987,2(1):13-17