混合光伏/柴油绿色船舶在单机并网模式下的实验研究外文翻译资料

混合光伏/柴油绿色船舶在单机并网模式下的实验研究

概括

本文给出了原始型绿色船舶在韩国巨济岛的运行结果。由于韩国是一个位于大陆和海洋之间的半岛，因此韩国是光伏/柴油绿色船舶应用的理想位置。在完成独立光伏（光伏）发电系统的地面测试之后，把该光伏系统应用到传统的柴油船中。原始的绿色船舶包括光伏发电系统，柴油发动机，储存能量的电池，混合控制系统，和一个独立的并网逆变器。绿色船舶的目的不仅是为了减少燃料消耗，并且还可以在不久的将来，支持把电网当做DG（分布式发电）连接到智能电网（土地）和微电网（岛）。本文最后以实验结果为基础，对了环境、经济和灵敏度进行了分析和讨论。

1.介绍

从世界各地来看，政府正在努力增加可再生绿色能源在电力生产中的份额。其重中之重是能源安全问题，碳基能源价格的提高，以及减少全球变暖问题。并且，全球航运业温室气体的排放是温室气体的主要来源，占据了全球约3%的CO2排放量。IMO（国际海事组织）为了全球航运事业，正在启用温室气体法规航运，例如，欧盟和联合国气候变化框架公约（联合国气候变化框架公约），申请对排放实质性影响的公约，但是对环境还是有很大的压力。此外，由于全球航运通常是由独立的柴油发电机供电，全球燃料价格的增加对航运业的影响很大。因此，可再生能源的利用在航运业将是一个很大的优势，特别是在减少二氧化碳排放量和降低对高度不可预测的柴油价格的依赖方面。在韩国，现在强制性的可再生能源的利用率目标是11%，而2008是2.4%。

如图1所示，表明了世界能源政策的增长趋势。因此，增加可再生能源的比例的每一种方法，都应该满足目标和期望。

许多研究已经仔细测试了混合能源系统。在可再生能源中，太阳能是对于海上航行的船舶来说最适用的。Abdullaha事实证明，在农村地区一个独立的光伏系统相对于混合动力方案来说，在持续的供电时，会延长雾霾和多云的时间。研究人员提出了可靠的和成本效益低的混合能源系统。因此，混合动力的绿色船舶 （混合光伏/柴油）的应用可能是一个有效的解决环境问题的方案。

本文提出了一种混合光伏/柴油绿色船舶在单独的并网状态下的运行模式。PV是在船上的电气负载系统的主电源，柴油发动机用于补偿脉动电光伏发电系统。蓄电池也安装在混合系统中提供稳定的电源。不同于陆地的传统光伏混合系统，混合绿色船舶利用的是船的自由空间。此外，还有与电网连接的逆变器，并且可以把从电网的智能电网的整体功率流扩大到离岛上的岛屿，这是更经济的混合光伏（单机）/柴油系统。此外，韩国是一个从北向南延伸的半岛，位于北纬33°~ 43°，且在东经124°~132°。由于韩国位于大陆和海洋之间，它运用PV /柴油绿色船舶的理想地点。因此，基于这个国家的特点，所提出的混合光伏/柴油绿色船舶是有效的。

本文报道的是原型绿色船舶在韩国巨济岛的运行结果。在独立光伏发电系统的地面测试后，光伏系统的应用采用传统的柴油船。原始绿色船舶由光伏（光伏）发电系统，柴油发动机，电池储能，混合控制系统，独立和并网逆变器组成。绿色船舶的目的不仅是为了最大限度地减少燃料消耗，同时在不久的将来也会支持电网过渡到智能电网。

本文的其余部分组织如下。第2节讨论了混合系统的配置和运行模式。第3节给出了搭载光伏系统的混合型绿色船舶的稳定性试验结果。第4节根据操作模式讨论了混合型绿色船舶的实验结果。第5节给出了混合型绿色船舶的环境、经济和敏感性分析。第4节总结全文。

2.提出的混合光伏/柴油绿色船舶实验系统

混合动力光伏/柴油绿色船舶的操作主要分为A型（在航）和B型（在港）。游船（85吨）的混合光伏/柴油系统的电气负载的额定功率为约3.2千瓦，如照明，GPS（全球定位系统）和通信系统和视频系统。图2显示所提出的混合系统的框图。表1提供了混合系统组件的详细信息。在常规船上，安装两台柴油发电机（20千瓦），就足以满足绞车电机少数的峰值负载，可以拉动船舶锚。船舶基本电气负荷额定功率在3千瓦以下，可光伏系统可以完全满足。

2.1混合型绿色船舶动力转换系统

如上所述，主要有两种操作模式。模式A（在航）就像陆地上光伏系统的独立模式，如图2所示。根据光伏发电的现状，船舶的电负荷可用蓄电池组或柴油发电机提供。左边和右边的屋顶光伏阵列由于不同的MPP（最大功率点）单独连接太阳能控制器（dc—dc转换器）。一旦邮轮在港口并且电池充满，额外的光伏发电可以通过并网逆变器被利用。为了满足并网逆变器的输入电压范围，左侧和右侧的光伏阵列串联连接，不需要额外的电源转换装置，就可以产生的加倍的VOC（开路电压）。混合动力系统的控制在图二进行了总结，SWA、SWB和SWC都是磁铁接触开关由实验室控制混合控制面板控制。ATS（自动转换开关）安装在dc—ac逆变器（独立的）输出之间，并且柴油发电机的输出仅仅改变了操作模式

混合绿色船舶监控系统采用LabVIEWTM程序建立，如图3所示。监控系统通过RS232通信连接到PC，数据在Excel文件中存储。控制板包括一个Atmel AVR ATmega 128。原型混合绿色船舶航行在巨济岛（岛）和小每勿（岛）之间。通过实验，验证了混合型绿色船舶的有效性。

2.2混合型绿色船舶的实施

在2010的陆地上的光伏/柴油混合系统的验证试验后，在寻找合适的船舶后，按照上述建议的设计，改造了一艘常规船。2011年该系统安装在了一艘85吨级的济州岛的游轮上。

与陆地上的光伏发电厂不同，光伏发电系统的总重量和光伏阵列的风压是海上船舶安全的主要问题。由KTS（韩国船舶安全技术权威）批准，光伏系统安装在一个传统的游轮上，并且由混合控制面板控制。3.2千瓦（200W / 16 EA）光伏阵列被安装在船的后面，如图4所示。考虑到了船舶的稳定性，在地下室安装了蓄电池组。第3节提供了安全问题的细节。

3.混合型绿色船舶稳定性

选定的实验船舶是一个正常的客船（85吨，263人次）。稳定性是客船最重要的问题之一。码头的背面是根据设计翻新，如图5所示，考虑乘客的平均高度，风压和船舶维护。

在2010的混合光伏/柴油系统在陆地上的验证实验中，光伏发电系统的发电量的通过改变太阳能电池板的倾斜角度进行测量。结果表明，由于太阳能电板存在污垢，该组具有0°倾斜的太阳能电板生产的电能极低。在这项研究中，安装了一个15°倾斜的太阳能电池板，而不是一个传统的船棚。一个聚碳酸酯片，一种透明的塑料材料，具有优异的抗冲击性，为了乘客的安全考虑，也安装在光伏阵列下面。

对于混合绿色船舶的稳定性，由KST对各组分进行重量检查和评估（韩国船舶安全技术管理局）。KST的主要目的是检查船舶安全根据容器以防止暴露的船和船员在海上可能发生的任何不可预知的危险。

根据韩国船舶安全法第28条（保持稳点），处在下面的任何一种情况的船东应根据确定或公开的由部长宣布的标来准保持稳，如由国土资源部，交通部或者海事部条例确定的船舶，如客船的长度为12米或更长。根据第28条的稳定性规定，船舶所有人应向部长提交稳定性的材料，以确定其稳定性是否适当，并应向船长提供稳定所需的所有必要材料。

在这项研究中，传统的船舶被修改为一个混合的绿色并且不改变主帧大小的船舶。拆除和安装的组件，如光伏阵列、功率转换单元和聚碳酸酯板材，这只对KG（垂直重心）和LCG（重心纵向位置）产生很小的影响。一个经授权的检验员检查装修后的混合绿色船舶，要确定在轻重量的增加（约1.154吨，增长1.38%），垂直重心的位移（0.033米增加）和重心纵向位置（0.029米到船首）。改造后的混合绿色船舶通过KST的稳定性检验，如表2所示，可以知道空船重量增加的公斤数在0.5%到2%。合理的绿色船舶，总增加重量为1.154吨，是船舶总重量的1.3%和总乘客重量的7％。这是以成年人的平均体重（即62公斤）计算，而且还不影响节能潜力。

4.混合光伏/柴油绿色船舶试验结果

本节中给出的实验结果是由KST检查后并且由韩国海洋警察授予操作权限后记录的船。实验按照操作模式进行，如第2节所述。

首先，在独立模式下，并且只有直流负载（如照明，通信和GPS（全球定位系统）设备）打开的情况下，对光伏阵列和电池组的输出进行了检查。图6有左边的光伏阵列电压（vpv_left），左侧侧电流的光伏阵列（ipv_left），电池电压（电池电压）和电池的电流（ibatt）的直流负载。在图5中，vpv_leftfrac14;= 107.26 V和ipv_leftfrac14;= 2.38，产生功率255 W到太阳能控制器。此外，电池电压为25.7 V，等于太阳能控制器的输出，并且在充电期间电池电流为2.401 A。在这种情况下，负载的功率小于光伏阵列的功率。

图7显示的是客轮在巨济岛和小每勿岛之间的客运船舶运行的电气负载中的电池电压（电池电压），电池电流（ibatt），独立的逆变器的电压和电流（VINV）。不像图6，在这个过程中，电负载包括DC和AC负载。在实验中，一个PWM（脉冲宽度调制）用于修正正弦波型用于独立型逆变器，如图7所示，产生了方波电压和60赫兹的电流。在测量过程中，提供给负载的功率约为773 W。

图8显示了记录在航行过程中光伏生产和电力的负载的数据。客船（7月21、2011）在巨济岛（岛）小每勿（岛）航行。光伏阵列的左侧和光伏阵列的右侧存在输出功率上的差异。这是因为光伏阵列倾斜15°（见图4），并且客船的滚动运俯仰和偏航都会产生影响。

另一方面，针对不同的MPP的问题，太阳能控制器分别连接在每边的光伏阵列，追踪每个阵列的最大功率点。电气负荷的变化由船长决定。当光伏阵列的输出功率高于电负载时，电池组被过量充电，供以后使用。与此相反，光伏阵列的输出功率小于连接的电气负载时，电池组会填补短缺。

在这项研究中，当船舶停靠在港口时，可以实现并网模式。在磁开关处光伏阵列使用一个简单的变化串联，因此Ns（串联连接的数目）= 8，NP（并行连接的数量）= 2。并网型光伏阵列的开路电压为265.6 V，满足DC-AC逆变器的输入电压范围（并网）。在电网故障的情况下，如电网过/欠电压，电网频率过高或低，过电流和接地故障，并网逆变器将等待5分钟前重新启动。图9显示了巨济岛的光伏阵列的电压（vpv_total），光伏阵列的电流（ipv_total），交流电网电压（vgrid_inv）和交流电网的电流（igrid_inv）。在并网型光伏阵列的输出电压升高到224 V，这是最大功率点电压（vmpp）。图9中在下午3:20 (2011,9月27)

注入到电网的有功功率为600 W）。注入电网的电流包括由于巨济岛弱畸变网格效应的影响产生的低阶谐波分量，在不久的将来需要使用SAPF（并联型有源电力滤波器）改善电能质量。

混合动力光伏/柴油操作通过改变电气负荷任意当船舶停泊在港内（10月31日，2011）进行了性能评估，如图10所示。在性能测试期间，操作模式从PV模式柴油模式变换了三次，反之亦然。柴油发电机达到正常运行用了8-10秒。然而，蓄电池的电力支持它暂时稳定，包括临界载荷，如GPS导航仪、LADAR（光探测和测距）和照明。

5.理想的混合光伏/柴油绿色船舶的环境和经济分析

韩国政府推出了一些新的激励和支持计划，如“100万绿色家园”计划。韩国的电价比欧洲和日本要便宜，但在不久的将来它们可能会上涨。这将引发屋顶光伏系统的安装。另一方面，这些光伏系统的支持计划限于地面安装类型或屋顶类型并且缺乏空间将是光伏安装的一个严重的限制。因此，混合光伏/柴油绿色船舶可以作为一个替代的解决方案，特别是在领土较小的国家。此外，全球燃料价格的增加上涨会对偏远地区，如岛屿产生很大的影响。因此，混合光伏/柴油绿色船舶将在这些位置上有很大的好处。

5.1环境分析

理想的混合光伏/柴油绿色船舶每年可以减少3.5吨温室气体当量。此外在20年时间里可以减少70年的温室气体总量。相比于柴油动力船可以减少温室气体70% PV的渗透，在表3中给出。CO2的减少量随着PV渗透率30，50和70%的增加被描绘在图11中，这显示了绿色船舶在CO2和燃料节约潜力的积极的影响。

5.2.经济敏感性分析

混合光伏/柴油绿色船舶每个组件，包括主要光伏模块，太阳能电池组和功率转换单元的总成本如表4所示。本节进行经济分析，以鼓励在船上安装混合光伏/柴油系统。为了简化成本分析，使用以下原则和方程来计算回收期：

1.初始投资成本（a）包括光伏系统的组成部分和常规船舶翻新工程造价。

2.维修费用不参与计算，因为它在光伏系统小得可以忽略不计。

3.柴油发电机的燃料消耗为每小时3升。

4.燃料价格（b）和光伏面板价格假定为常数。然而，最近，光伏面板价格一直在下降，化石燃料价格有所上涨。这将减少投资回收期。

5.利用光伏能源将导致收入的碳信用额（J）在20美元一吨温室气体[20,21]。韩国2015开始排放交易。碳定价将减少投资回收期。）

6.每天独立运行模式（E）包括船舶和岛屿的电力供应。

7.电网每年运行模式的运行时间（F）包括电网供电。电费（G）在韩国被假定为0.1美元/千瓦时）

8.混合光伏/柴油系统最大运行时间设

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