摘 要

当前，绿色船舶和绿色航运已成为水路运输的发展方向，其中以太阳能的利用最具有革新性和代表性。虽然世界上许多国家对光伏发电技术在船舶上的应用做了一些研究，但主要还是集中在发达国家小型旅游船舶，对于大型船舶的研究报道很少。由于船用太阳能发电系统是一套分散的电力系统，如能设计一套监控装置实现系统数据的集中监测和电能管理，以保证其安全稳定运行和电能的有效利用，具有很高的工程实用价值。监控系统的作用不仅降低轮机维护人员的劳动强度、减少故障发生率、增加太阳能发电系统设备的使用寿命，还在于其提高了太阳能发电系统的供电可靠性和安全性。本设计是在了解太阳能发电技术的基础之上，熟悉离网型船用太阳能发电系统原理及其结构，并完成监控目的。主要的设计任务包括以下几个方面：

1、完成监控系统的总体结构硬件设计，包括传感器和可编程逻辑控制器的选型。

2、确定合适的通讯方式完成对各控制设备的访问和数据采集，依据系统的功能要求和硬件特点完成系统软件设计，包括基于CoDeSys开放式软件平台下完成用户程序设计。

3、在Auto CAD上完成PLC的接线图，在Control Builder Plus上实现监控系统的程序编写，并在ABB AC500平台上对所编写的程序进行调试，经过调试，监控系统程序能够按照监控的目的正常运行。

关键词：船舶；太阳能；发电技术；监控系统

Abstract

Currently, the green ship and green shipping has become the development direction of the water transport, of which the use of solar energy the most innovative and representative. While many countries of photovoltaic technology in the ship to do some research, but mainly concentrated in developed countries, small tourist ship for large vessels rarely reported. Since marine solar power system is a decentralized power system, if they can design a monitoring device for centralized monitoring and management of power system data in order to ensure efficient use of energy and its safe and stable operation, with high practical value. The role of the monitoring system not only reduces turbine maintenance labor intensity, reduce the failure rate and increase the service life of solar power generation system equipment, is still in its power to improve the reliability and security of solar power systems. This design is to understand the basis of solar power technology, marine familiar with off-grid solar power system principle and structure, and complete monitoring purposes. The main design tasks include the following:

1. Complete the hardware design of the overall structure of the monitoring system, including the selection of sensors and programmable logic controllers.

2. Determine the appropriate means of communication to complete access to all control and data acquisition devices, according to functional requirements of the system hardware and software design features of complete systems, including the completion of the user programming under CoDeSys based open software platform.

3. Complete the Auto CAD PLC wiring diagram, monitor and control system in the Control Builder Plus programming, and on the ABB AC500 platform programs written for debugging, after debugging, program monitoring system in accordance with the purpose of monitoring normal run.

Key words: ship; solar energy; power generation; monitoring system

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.1.1课题的研究背景 1

1.1.2课题研究的意义 1

1.2课题相关技术的国内外发展现状 2

1.2.1太阳能船舶的国内外发展现状 2

1.2.2太阳能光伏发电系统监控技术国内外发展现状 2

第2章 船用太阳能监控系统介绍 4

2.1离网型光伏发电系统工作原理 4

2.2船舶太阳能监控系统机构 4

2.2.1系统设计原则 4

2.2.2监控系统结构图 5

2.2.3监控系统结构组成 5

2.2.4系统通讯方式 6

2.2.5 系统用户组功能 7

第3章 系统硬件设计 10

3.1传感器的选型 10

3.1.1温湿度传感器的选型 10

3.1.2总辐射传感器的选型 10

3.1.3电流传感器的选型 10

3.2可编程逻辑控制器（PLC）的硬件配置 11

3.2.1系统PLC的地址分配 11

3.2.2系统PLC的选型 12

3.2.3上位机人机界面选型 12

3.3监控系统信号采集 13

3.3.1控制器和BMS数据采集 13

3.3.2逆变器数据采集 13

3.3.3环境参数的采集 13

3.2.3气象部门实时数据的采集 14

第4章 系统软件设计 15

4.1系统软件介绍 15

4.1.4 CoDeSys简介 15

4.1.2编程界面 15

4.2程序组织单元(POU) 16

4.3系统功能需求分析 17

4.3.1下位机主程序设计 18

4.3.2功能块的制作 19

4.4.3程序的编写 19

4.4对编写程序的编译与调试 20

4.4.1调试模式 21

4.4.2对编写程序的调试 21

第5章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1课题的研究背景

船舶具有运输量大、成本低、污染小的特点，特别是大型远洋船舶承载着大量的运输任务及扮演了全球贸易的中介，由于船舶运输的动力大多来自燃烧石油，在全球化石能源危机以及人类过度开采的大背景下，新能源的开发应运而生，而太阳能发电技术的能量来自太阳辐射，对环境基本无污染^[1]。当今国家间的竞争变成了能源的竞争，能源成为制约社会进步和经济发展的瓶颈，各种新能源的开发利用和普及迫在眉睫。一方面，随着经济的高速发展，各种环境问题凸显，建立资源节约型、环境友好型的发展方式成为国际的共鸣，在中国共产党第十八届五中全会中，确定中国社会未来的五大发展理念，其中就包括“绿色”这一方面，充分说明党和国家对于建设美好环境的坚硬态度。另一方面，大部分国家尤其以西方发达国家为主对船舶排放提出了高要求和严标注，这就迫使船舶不断对其结构进行改革。

太阳能发电系统作为船舶的动力用电或者辅助设备用电，解决了能源危机和绿色发展的两大难题，但是由于船舶用电相对于陆地用电来说有其特殊性，船舶作为一个独立的系统必须能够自给自足，所以其供电必须具有非常高的可靠性和安全性，其性能的对于船上人员的生命安全和财产安全至关重要。船用离网型太阳能发电系统是一个分散的电力系统，对其进行有效的监控，实现其安全稳定运行有着重要的意义^[2]。

1.1.2课题研究的意义

对离网型太阳能发电系统设计一套监控系统，对于船舶运输有着多方面的作用。其一，监控系统能够对太阳能发电系统的各个物理设备进行监控并进行故障报警和报表打印，从而对太阳能发电系统进行保护，延长相关设备的使用寿命，具有现实的经济价值。其二，能够直观清晰的对天阳能发电的所有参数进行显示，将劳动人员从繁琐的工作中解放出来，减少了劳动成本，提高工作效率和工作安全性。

船用离网型太阳能发电系统监控设计的实现对我国乃至世界船用太阳能技术的推广具有重要意义，从1839年A.E.Becquerel在对某些材料进行曝光实验时发现伴生电流—光生伏打效应至今，太阳能光伏发电技术取得一系列的技术突破，总装机容量不断上升。但是都只是局限于陆地发电，很少运用于船舶上特别是远洋大型船舶。本设计不但在技术应用上有着前沿的示范作用，还在于对学术研究和教学指导有着重要影响^[3]。

1.2课题相关技术的国内外发展现状

1.2.1太阳能船舶的国内外发展现状

太阳能发电技术作为船舶的动力或者辅助设备用电只是在发达国家的少数游艇上使用，在大型远洋船舶上的应用非常少。1997年，瑞士在日内瓦湖上运营了两艘太阳能驱动客运船，可载60人左右；2000年，澳大利亚建成了Solar Sailor号，这是世界上第一艘太阳能/风能混合动力双体客船，核载 100 人；德国在Alster河上建造了一艘太阳能动力游艇，船体长27m，重42t，可载100人左右，在发电量多余的情况下还可以实现与船舶主电网实现并网；2006 年，瑞士的全太阳能动力船舶“太阳21号”从瑞士巴塞尔开往纽约，是世界上首次依靠太阳能动力航行并跨越大西洋的船舶。国内船舶与海洋工程设计研究院、船舶科学研究中心和部分科研院所及高校也都开始关注新能源船舶的研究。

太阳能光伏发电技术的不断进步对于船用天阳能的应用有很大的促进作用，太阳能光伏发电在陆地的发展也同样有着重要的影响。远洋船舶的太阳能发电技术主要用作照明和辅助设备的供电。

1.2.2太阳能光伏发电系统监控技术国内外发展现状

船用太阳能监控系统的发展，使太阳能发电系统在最佳的状态下产生电能，有效降低了船用柴油发电机的工作负荷，监控系统的可靠性对离网型太阳能发电系统的运行十分重要，监控系统所涉及的监控参数多、工作环境恶劣、船舶机舱内温湿度大、烟雾和油气浓度大，船舶外围受海况和天气状况的影响大，这些客观的条件对监控系统提出了高要求，既要保证监控设备的有效运行，又要保证监控的可靠性和安全性。

国外完成的代表性研究包括：上个世纪，IEA-PVPS开展的Task2 项目，是最著名的光伏电站监控系统，实现了对世界各地300多个光伏电站的监控，该项目建立了不同形式光伏电站的技术数据和运行数据的数据库，不仅为光伏厂家、光伏实验室、光伏专家和用户提供了光伏系统及子系统的运行性能和成本等详细信息，而且为今后的光伏技术发展提供了充实的参数依据。美国电力科学研究院在上世纪90年代初对七个光伏电站同时进行了研究。

国内在光伏电站监控技术上远落后于发达国家，直到2009年才诞生了国内首家光伏系统监控平台—“绿色电力网”，经过不断的实验和改善，该平台于2010年正式投入使用，开创了国内光伏网络监控系统的先河^[4]。

第2章 船用太阳能监控系统介绍

2.1离网型光伏发电系统工作原理

根据不同的工作需要，太阳能光伏发电系统一般可分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统^[5]。本系统采用的是独立运行的光伏发电系统—离网型光伏发电系统，其发电系统原理图如图2.1所示，由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器等组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能转化为直流电能，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池进行充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池对负载供电，并且在太阳能发电系统瘫痪的情况下，能够实现船舶柴油发电机对照明负载及相关负载的供电，同时也要根据需要对蓄电池组进行算法充电。一方面保证船舶供电的可靠性和安全性，另一方面对蓄电池组进行了有效保护，延长其工作寿命。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器是将直流电逆变为稳定交流电的设备。