客轮屋顶太阳能光伏系统的应用：降低二氧化碳排放的一种途径

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Roof-shed solar PV potential on passenger ships: a way of reducing CO 2 emissions

　　摘要
柴油、重燃料油和低硫燃料油被用于为海洋船舶提供动力，而这些船舶会排放污染物和温室气体，对海洋生态系统造成破坏。本研究提出，在海上船舶上采用“屋顶式太阳能光伏系统”作为替代化石燃料的最合适可再生能源方案。为实现最大功率输出，太阳能电池板可在水平轴上以0°至40°的角度自由倾斜，并在垂直轴上自由旋转。研究基于22%的太阳能电池板效率，利用全球太阳能图谱、HOMER Pro、PVsyst、NREL的PVWatts计算工具以及VesselFinder等资料对光伏系统的性能进行了评估。结果表明，客轮的屋顶面积可达6,864平方米，足以安装2,330块太阳能电池板。这样的装置每天可产生4.08兆瓦时的电能（每年总计1,488兆瓦时），这些电能可用于满足船舶的各类需求，如烹饪、舱室供暖或制冷、风扇运转、电视播放、笔记本电脑使用、智能手机充电以及照明等。因此，通过安装太阳能发电系统，每年可避免约390.67吨二氧化碳排放到大气中，从而在一定程度上有助于减缓气候变化。

引言
航运的历史可追溯到人类文明的起源。从最早尝试跨越水域到现代的货轮和客轮，航运的发展对社会进步和全球贸易起到了至关重要的作用。海上运输系统构建了世界上最为重要且高效的贸易路线，是国际贸易的重要组成部分。1970年至2019年间，全球货轮数量大幅增长，从1970年的2,605艘增至1980年的3,704艘、1990年的4,008艘、2000年的5,984艘、2010年的8,408艘，最终在2019年达到11,071艘[1]。如今，航运在国际贸易中依然发挥着关键作用，它将各国经济紧密相连，促进了商品流通，同时也是地区乃至全球空气污染的重要来源[2]。然而，现有的国际及地区政策未能实现海运行业的脱碳目标，这就迫切需要加快零排放能源技术的应用[3]。有研究指出，船舶排放物会对空气质量产生负面影响，通过大气监测发现，港口地区的居民暴露在更高浓度的污染物质之中[4]。海运行业排放的大量颗粒物和气态污染物对欧洲沿海地区危害尤为严重，亟需采取有效的减排措施[5]。此外，更清洁的船舶排放物能带来显著的环境、公共卫生和经济效益，这为投资更清洁的海洋能源系统提供了依据[6]。目前，船舶主要依赖三种燃料——柴油、重燃料油以及低硫燃料油来驱动，其中重燃料油的使用最为广泛[7][8]。船舶燃烧燃料以产生能量，同时会排放多种空气污染物，包括二氧化硫[9][10]、二氧化碳[11]、氮氧化物[10]、甲烷[12]、细颗粒物（PM2.5和PM10）[12]，以及二氧化碳等温室气体[12]。这些气体和颗粒物会通过富营养化（由于营养物质过多导致生物过度生长，可能引发氧气耗尽）和酸化（酸性物质沉积影响海洋生态系统）等途径，对海洋生态系统和环境造成破坏。它们还会威胁海洋生物的健康。这些空气污染物也与气候变化密切相关——2023年全球温室气体排放中，船舶贡献了约3%的二氧化碳、19%的氮氧化物以及9%的二氧化硫[13]。

国际海事组织通过《防止船舶污染国际公约》对二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、消耗臭氧层物质以及挥发性有机化合物等污染气体实施了限制，旨在减少这些气体向环境中的排放，进而提升船舶管理的效率。将可再生能源太阳能系统纳入船舶的主电源系统，是节约能源、减少温室气体排放的有效途径。欧盟设定了到2050年所有交通领域实现温室气体排放量减少80%至95%的目标[14]。此外，众所周知，石油燃料价格高昂，且在全球范围内日益稀缺[15]。鉴于石油、天然气和煤炭等化石燃料的剩余储量分别只能在35年、37年和107年后耗尽，绿色航运已成为当今世界面临的最紧迫问题之一[16]。为满足能源需求或解决能源问题，许多国家正在逐步转向可再生能源[17]。随着可再生能源，尤其是太阳能和风能的成本不断下降，以及电力传输网络的不断完善，太阳能、风能和潮汐能的发展势头迅猛[18]。太阳能光伏是一种无限、纯净、绿色且符合生态要求的能源利用方式[19]。太阳每秒释放的能量约为3.8×1023千瓦，其中约60%（1.08×101?千瓦）直接照射到地球表面，其余40%则返回太空。即便只有0.1%的太阳能能够以10%的转换效率转化为电能，全球所能产生的能量也将是目前的四倍[20]。据预测，太阳未来可释放的能量高达450艾焦，这一数值是当前地球所需能量的7500倍[21]。

自2000年以来，全球范围内太阳能光伏系统的实际应用容量显著增长。太阳能光伏市场的不断扩大，反映了全球向可持续和可再生能源解决方案发展的趋势。目前，中国和美国分别拥有307吉瓦和122吉瓦的太阳能光伏装机容量，位居全球首位。而2022年太阳能光伏发电占比最高的国家和地区则是智利和洪都拉斯[22][23]。21世纪可再生能源政策网络组织在2022年的报告中估计，到2021年底，全球可再生能源的产能有望达到3,146吉瓦。2021年新增的175吉瓦太阳能光伏装机容量进一步刷新了纪录，使全球总装机容量达到约942吉瓦。扣除水力发电后，2021年全球可再生能源的发电容量从2020年的1,665.9吉瓦增长到了1,951吉瓦。其中，太阳能发电量约为942吉瓦，占总量的48.28%，成为最大的可再生能源类型；风能发电量为845吉瓦，占比43.31%；其他可再生能源包括生物能源143吉瓦、地热能14.5吉瓦、聚光太阳能发电6吉瓦以及海洋能0.5吉瓦，详见图1。

像太阳能这样的可再生能源属于绿色、清洁且永不枯竭的能源来源[25][26]。利用清洁能源和可再生能源发电，还有助于减少空气污染、水污染以及碳排放[27]。正是由于这些优势，可再生能源被视为船舶减少温室气体排放的有效策略[28]。在热带地区，船舶尤其能从太阳能中获益，因为船舶的上层甲板大部分时间都处于阳光直射之下[29]。目前，船舶上的太阳能光伏技术已经取得显著进展，有效的运行策略和流程也成为研究热点。这种技术有望显著提升船舶的能源利用效率，是船上最容易应用的可再生能源之一[30]。尽管目前只有低功率标准的船舶才配备可再生能源系统，但已有报道表明，一些从事商业活动的船舶也开始使用这类系统[31]。表1展示了可再生能源在区域及全球范围内的应用情况。

由于阴影变化和天气状况难以预测，太阳能光伏系统可被视为非线性系统。尽管太阳能光伏系统越来越受欢迎，但其效率仍会受到温度、太阳辐射强度、阴影、天气、季节以及一天中不同时间点的影响，因为阳光强度会随时间变化。为了解决这一问题，人们发明了最大功率点跟踪技术。通过该技术，太阳能光伏阵列可以持续高效运行，从而产出尽可能多的电能[46][47]。太阳能光伏系统的性能深受太阳辐射强度、温度以及部分遮阴等环境因素的影响，因此需要通过高效的最大功率点跟踪技术来最大化能量提取效率。有研究表明，基于最大功率点跟踪的PID控制器能够在太阳辐射变化、环境温度变化以及负载变化的情况下，保持输出电压稳定，从而提升功率输出[48]。在对基于软计算的最大功率点跟踪技术的深入研究中发现，在动态运行条件下，智能优化算法在适应性、跟踪精度以及效率方面均优于传统最大功率点跟踪技术[49]。同样，对各种最大功率点跟踪算法的广泛研究表明，选择合适的跟踪方法能够显著提升太阳能光伏系统在快速变化的环境条件下的效率、可靠性和动态响应能力[50]。最近，有一种经过参数优化的超扭转滑模型二模糊最大功率点跟踪控制器被提出，该控制器能够在不同的太阳辐射条件下实现更高的跟踪精度、更好的稳定性以及更小的稳态振荡[51]。所有这些研究都表明，对于那些环境条件持续变化的场合，如船舶集成型的太阳能光伏系统，采用先进的最大功率点跟踪技术对于提升系统的可靠性和能量收集能力至关重要。

目前，文献中记载了多种最大功率点跟踪策略，它们主要分为两类：传统最大功率点跟踪方法和先进技术。传统的最大功率点跟踪策略包括增量电阻法[52]、扰动观察法[53]以及INC算法。由于这些算法结构简单、易于实现，因此也被最广泛地使用。不过，它们的工作周期在稳态状态下会出现波动，从而导致能量损失。在光照均匀但存在部分遮阴的条件下，基于模糊逻辑[54]、神经网络[55]以及进化计算[56]的先进技术能够取得更好的效果。目前已有众多最大功率点跟踪控制方法被广泛应用[57]。这些控制器的核心功能是在光照稳定的区域或具有多个最大功率点的太阳能光伏系统中，持续监控某个最佳功率点。那些比传统方法更为先进、能够实现更好跟踪效果的算法包括仿生算法、人工智能算法以及软计算算法。近年来，人们越来越关注改进后的灰狼优化算法及其与粒子群优化算法的结合形式，因为这类仿生算法具备解决复杂优化问题的能力，例如多模态函数优化问题。经优化后的灰狼优化增强型粒子群优化算法，其能量产出比普通粒子群优化算法高19.8%，比扰动观察法高20.7%[60]。这类算法通常具有简单的搜索策略和出色的优化性能。在本研究中选择灰狼优化算法，是因为它的特性非常适合应用于船舶上安装的太阳能系统的动态运行环境。船舶的晃动、倾斜以及云层移动都会为船载太阳能光伏阵列带来部分遮阴效应，使得太阳辐射强度不断变化。需要强调的是，本研究并非声称灰狼优化算法始终优于其他所有仿生算法，而是考虑到所研究的船舶集成型太阳能系统，灰狼优化算法在跟踪精度、收敛速度、计算复杂度以及实施可行性之间取得了良好的平衡。因此，本研究提出了GWO型MPPT技术。在孟加拉国，传统的太阳能研究已在多个领域展开，包括家用太阳能系统（屋顶太阳能）[61]、[62]以及与之配套的光伏微型电力系统[63]、太阳能园区（内陆地区的巨大太阳能光伏电站）[64]、[65]，还有用于灌溉的太阳能系统（用于抽水灌溉的光伏系统）[66]、[67]，以及太阳能动力船舶设计[68]。不过，目前关于海上船舶的研究大多集中在传统独立的太阳能光伏系统上，尚未有人研究过表2中所展示的“船顶遮盖式太阳能光伏系统”。此前有一些研究人员探讨了在海洋工业中应用光伏系统的潜力，认为其能够为船舶上的各种设备提供动力，并有助于减少温室气体排放。然而，与传统混合推进系统、货船、游艇或概念性太阳能动力船舶等其他非传统应用相比，传统内河客轮的船顶遮盖区域应用光伏系统的潜力研究还相对较少。在海洋领域，有研究指出，通过采用混合太阳能-柴油船舶动力系统，每年可减少约4%的柴油消耗量以及8.5%的二氧化碳排放量，这一结论也得到了更多最新研究的验证。光伏系统非常适合用于船舶的辅助动力系统，如照明、导航、通信系统、通风系统以及酒店相关系统，从而减少对柴油发电机系统的依赖，助力实现国际海事组织提出的减碳目标[79]。该研究还强调了电池储能系统以及智能能源管理在不同运行条件下优化光伏系统运行的重要性。另有研究也对海洋船舶上光伏系统的应用进行了探讨[80]，指出决定光伏系统在船舶上应用成功的关键因素包括现有的甲板面积、太阳辐射强度、经济可行性以及船舶上的储能能力。该综述还指出，目前缺乏针对特定客轮船队的定量分析，需要开展基于实际船舶情况的光伏系统潜力分析，而本研究正是针对这一问题展开的。同样，有研究发现光伏系统能够显著降低海运领域的燃料消耗和二氧化碳排放量，但也指出，在实际应用中，这些系统会受到安装空间限制、海洋环境因素（如遮荫、振动、风荷载、盐雾等）以及经济因素的影响，尤其是对于大型商用船舶而言。还有研究通过模拟在电动客渡船上安装船顶光伏系统的情况，证明太阳能可以用来减少对电网电力的依赖，补充电池充电，从而使客渡船的运营更加可持续。他们还发现，要准确评估船舶上光伏系统的性能，就需要根据船舶的几何结构、运行方式以及当地的太阳能资源状况来进行合理的评估。这些研究进一步证明了在客轮船顶安装光伏系统是实现减少化石燃料使用和温室气体排放的有效手段。为了在全球范围内提升可持续性，或许有必要将目前作为全球变暖主要诱因的传统船用石油燃料，替换为可再生能源。好消息是，如果将本研究的成果付诸实践，在客轮上安装船顶光伏系统有望帮助人类保障能源安全，同时降低对碳基燃料的需求，进而大幅减少温室气体的排放。向碳中和的太阳能动力系统转型也在推动全球能源结构的重塑，使能源结构更加多样化。这项研究的创新之处在于：首先，它设计了客轮上光伏面板的“船顶遮盖式”布局并进行了建模；其次，计算了其能量产出；第三，测算了相较于传统燃煤发电厂发电方式，该系统能减少的二氧化碳排放量。尽管已有不少研究探讨了光伏系统在海运领域的应用，但仍然存在诸多研究空白。大多数现有研究要么侧重于概念性分析，要么关注混合推进系统或个别船舶的案例研究，而对整个客轮船队安装船顶光伏系统的潜力进行全面定量评估的研究仍然有限。在最近的一些研究中，[80]和[81]强调了进行实际且基于船舶自身的评估的重要性，这类评估需要考虑安装空间、太阳辐射强度、运行参数、储能需求以及经济因素。此外，目前还没有研究能够量化在客轮上整体安装船顶光伏系统后所能产生的可再生能源电量、节省的燃料量以及减少的二氧化碳排放量。与上述研究相比，本研究具有多项重要优势和创新点：首先，它是基于真实客轮进行的实际评估，而非概念性的船舶模型或通用类型的船舶；其次，该分析着眼于实际可利用的船顶遮盖区域，而非那种理想化的100%甲板覆盖的假设情况；第三，除了估算光伏系统的容量外，该研究还计算了每年的发电量以及二氧化碳减排量，从而可以直接评估光伏系统带来的环境效益；第四，大多数已发表的研究都聚焦于欧洲或全球的海洋环境，而本研究则探讨了在孟加拉国的客轮上安装光伏系统的可能性，这一领域目前研究较少，而且该地区每年充足的太阳辐射也为安装光伏系统创造了有利条件。这项研究的主要贡献在于构建了一个完整的框架，用于在实际场景下评估客轮上安装船顶光伏系统的潜力。该研究证实了利用现有的船顶空间可以产生可量化的可再生能源电量，并从减少化石燃料消耗和温室气体排放的角度，量化了这种能源生产带来的环境效益。此外，这些结果还有助于人们更好地理解在船舶上安装船顶光伏系统的技术可行性，为船舶设计师、运营商以及政策制定者提供了有价值的参考，有助于加快船舶行业的减碳进程，推动可再生能源技术在客轮领域的应用。本文共分为五个部分。第二部分介绍了研究材料与方法；第三部分阐述了研究结果与讨论，其中更深入地探讨了客轮上船顶遮盖式太阳能光伏系统的设计与建模，包括光伏系统规划与布置的各个组成部分、孟加拉湾地区光伏阵列的倾斜角度设计与建模，以及能量产出的数据分析与估算；第四部分通过计算二氧化碳排放量的减少量，阐述了“船顶遮盖式太阳能光伏系统”在海洋船舶中的重要性，即作为一种能够减少二氧化碳排放、缓解气候变化的绿色能源；最后是结论部分。研究方法为评估各类海洋船舶的太阳能利用水平，本研究采用了多种方法和技术。整个研究过程可分为四个阶段，如图2所示。第一阶段是确定研究区域并挑选客轮；第二阶段是数据分析；第三阶段是确定太阳能电池板的安装方向；第四阶段则是预测发电量以及由此带来的二氧化碳排放量减少量。客轮船顶遮盖式太阳能光伏系统的设计与建模本研究提出了一种新颖的“船顶遮盖式太阳能光伏系统”方案，用于在客轮上部署太阳能光伏系统。如图4及动画所示，该系统在船舶船顶上建造一个坚固的结构，太阳能电池板安装在支柱上，这些支柱能够在垂直轴上自由上下移动，从而灵活调整其倾斜角度，水平轴上的倾斜角度可在0°到40°之间变化。由于所研究的客轮没有甲板系统，因此……绿色能源：减少二氧化碳排放燃烧化石燃料产生了世界上75%以上的能源，这导致大量温室气体，尤其是二氧化碳，被排放到环境中，进而推动了不可持续的发展[104]。目前，重油、低硫燃料油、柴油和天然气是海洋船舶中最常用的燃料。全球海洋运输每年消耗的燃料量超过3亿吨，这些燃料所产生的二氧化碳排放量约占人为二氧化碳总排放量的3%[105]，正是这些排放导致了……结论本文探讨了在客轮上安装太阳能光伏系统的潜力。为此，本研究设计了一种创新的“船顶遮盖式太阳能光伏系统”布局。具体而言，该系统需要在船舶的上层建筑周围建造一个坚固的结构。在本研究中，我们提出了一种基于高效交流模块的技术方案，该方案应用于船舶上时，太阳能光伏系统的转换效率可超过22%。因为采用交流模块技术制造的微型逆变器比……具体建议基于以上研究结果，本文提出以下几项建议：a. 为减少对化石燃料的依赖并满足电力需求，应考虑在孟加拉湾地区的客轮上安装船顶遮盖式太阳能光伏系统，充分利用现有的船顶空间。b. 由于高效交流模块型光伏系统具有更高的可靠性、在部分遮荫条件下的更好能量产出效率，以及更易于维护的特点，因此推荐使用此类系统。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。阿卜杜拉-阿尔-马赫布布女士