海洋船舶应用优化方案

太阳能在船舶和海洋产业中有很多应用。太阳能特别适用于自主水下或海下运载工具（AUV）。AUV有一个独特的能力：它们能够在海下沿预定路径进行三维运动^[109，110]。本节将介绍几个由太阳能供电的船舶应用实例。

1.9.3.1 SAUV

本节介绍一个长航时太阳能供电AUV（SAUV）的电力结构^[109]。

SAUV II（见图1.104）是一个由美国海军研究部（U.S.Office of Naval Research）设计研发的太阳能供电水下机器人。它是专为诸如监测、监视或位置保持等与岸站实时通信非常重要的长航时任务而设计的。连续运行的SAUV II在白天使用太阳能对其锂离子锂电池进行充电，管理长时间（长达数月）的能源消耗。这种水下调查概念船有一个环境监测工具，该工具可以在大型浅水调查区进行自主移动采样。

由于SAUV II尺寸相对较小（长5m×宽1.1m×高0.5m；太阳能电池阵列板顶部为1.0m²；在空气中的总重为200kg），所以它非常易于部署和操作。该水下机器人可以从岸上的船用斜坡道发射，然后能独立跌落到预定区域。SAUV II可以在执行调查任务前预先编程，或者是在调查任务期间通过无线射频（RF）通信或铱星电话实时编程。该任务规划者基于Microsoft Windows的图形用户界面，可以对编程和任务察看进行直观呈现。任务控制器是基于PC-104的嵌入式单板处理器，能够在执行任务时解释高级命令来控制机器人的行为。现在已经开发了一款太阳能子系统试验床，用来进行子系统性能的经验式测量，并研究其相对于AUV应用的元器件效率、容量以及限制等^[110]。该实验床系统包括太阳能电池板（阵列）、一个电池系统、一个充电控制器、一个电池监测系统，以及监测电能的电流和电压传感器等。

图1.104　SAUV II（Falmouth Scientific，Inc.，http：//www.falmouth.com/DataSheets/SAUV.pdf）

测量数据直接由板载微处理器来采集并存储，然后通过直接连线（初始阶段）和无线遥测（后续阶段）将这些数据传输给实验室内的一套计算机系统，这样就能实现遥测系统的测试以及微处理器经由遥测通道发送的数据的比较。实验室计算机上的PC软件实时监视、分析并显示这些数据。它也具有对长时间段数据进行统计分析的能力，以便绘制直方图来辅助后续的能量利用与电池充电的规划战略。系统当中还集成了可变和可控负载，由此可以进行合理的电池放电仿真，仿真预期的AUV能量使用分配。系统结构如图1.105所示。

图1.105 太阳能系统试验台的结构图(www.xing528.com)

由太阳能电池板收集的能源总量通过一个时间的函数来衡量。充电/放电系统的效率可通过测量电池的能量输出与电池的测量值进行比较而得。根据测量计算得到的重要参数是能源效率[即放电（单位为Wh）/充电（单位为Wh）]。一般来说，典型的电池充电和放电效率约为90%，因为大部分电池会产生一些热量，或者需要一些热量。

1.9.3.2 太阳能供电船：科罗纳

图1.106所示为以太阳能为动力的船（科罗纳，Korona）^[112]。这种船有一个由太阳能电池供电的电动机。

图1.106 太阳能船科罗纳（R.Leiner，Proceedings of Africon，1～5页，2007年10月）

太阳能供电船科罗纳是由一台三相异步电动机驱动的，该电动机的能量由9m²的太阳能电池提供，而且还带有10个汽车电池作为储能介质。专门设计的船体和推进器可将最佳驾驶性能与能源高效利用结合起来^[112]。

所有的传感器都被连接到太阳能船船载信息管理系统（IMS）之上，如图1.107所示。下部代表的是能源供应链，从左侧开始，以光伏电池（光伏发电机）作为能源。DC-DC变换器将光伏电池电压调节到450V左右，这是电池组的电压，该电池组由10个传统的汽车电池组成。这些电池用作能量储存介质。

推进器是一种三相异步电动机，DC-AC逆变器将能量存储系统的直流电压转换为驱动电动机的交流电压^[112]。