新能源前沿：從海浪中獲取能量

利用海浪能量的能力是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，可在海洋研究、水產(chǎn)養(yǎng)殖和國防領(lǐng)域提供全方位的應(yīng)用。Columbia Power Technologies (C·Power) 通過為海上活動提供清潔發(fā)電、存儲和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，幫助擴大海洋經(jīng)濟。C·Power 的自主海上電力系統(tǒng) (AOPS) 從波浪中捕獲機械能，并通過利用 Vicor 的電源模塊將其轉(zhuǎn)換為可用能量。

C·Power 高級研發(fā)電氣工程師 Joe Prudel 強調(diào)，SeaRAY AOPS 規(guī)模的波浪收集是一種能量轉(zhuǎn)換過程，它使用 Vicor 提供的模塊在廣泛的波浪氣候范圍內(nèi)有效地產(chǎn)生電力。“電源模塊使我們能夠在更廣泛的惡劣環(huán)境條件下運行。SeaRAY 在石油和天然氣行業(yè)有多種應(yīng)用，例如為海上傳感器或工業(yè)泵供電。所有 AOPS 都可以與不同類型的儲能相結(jié)合，從而擴展了應(yīng)用范圍。”

Vicor 和 C·Power 團隊設(shè)計了一種解決方案，通過隨著輸入波浪能量的變化對輸出電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)交流信號中海浪的超寬 30:1 輸入范圍（從猛烈的風暴到相對安靜的條件）。

收獲海洋能源

C·Power的宗旨是為海上數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)提供千瓦級的電力解決方案。C·Power 將其業(yè)務(wù)重點放在水下航行器的本地化發(fā)電上，該項目源于他們通過 DARPA 一項名為 Wave Energy Buoy Systems (WEBS) 的計劃收集環(huán)境數(shù)據(jù)的項目。過去，這些應(yīng)用由昂貴、笨重且不可充電的機載電池或由船舶或柴油發(fā)動機供電的水下電纜供電。因此，一個綠色、節(jié)能和具有成本效益的解決方案的概念誕生了。

因此，C·Power 為新應(yīng)用打開了大門，它是一種自主的、環(huán)保的、能夠?qū)?shù)據(jù)通信加倍的海洋電源。SeaRAY 是 C·Power 的 AOPS 平臺，它通過從海浪中產(chǎn)生 10W 到 1MW 的電源解決方案來提高能源效率和數(shù)據(jù)通信。C·Power 使用 Vicor Corporation 的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)創(chuàng)建了具有高功率重量比的設(shè)計。

“為了捕獲這些電壓脈沖，我們需要一種真正有效且開銷最小的方法。” 普魯?shù)聽栒f。“因此，我們必須弄清楚如何將骯臟的脈沖電壓從低至 15 V 轉(zhuǎn)換為高達 400 V，并產(chǎn)生調(diào)節(jié)電流以穩(wěn)定地為電池充電。這個想法是利用 Vicor 所做的無源 DC-DC 系統(tǒng)，將交流電壓整流為直流，為存儲充電。Vicor 的 BCM 升壓轉(zhuǎn)換器使我們能夠?qū)鬏旊妷禾岣叩?370 V DC。然后，我們還有一個板載電池，可以為浮標供電，”

SeaRAY 的設(shè)計還支持自主和遠程數(shù)據(jù)通信，允許從海洋到云端的實時數(shù)據(jù)傳輸。以前，海洋數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集頻率曾經(jīng)是有限的。通過更快的采集、增強離散化和提高測量質(zhì)量，蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信在云和 SeaRAY 之間傳輸實時數(shù)據(jù)，可以快速收集和傳播數(shù)據(jù)。

C·Power 系統(tǒng)的基本構(gòu)建塊具有全功率轉(zhuǎn)換、類似的能量存儲和通過變壓器連接到電網(wǎng)（圖 1）。

圖 1：SeaRAY 設(shè)計。電纜允許傳輸數(shù)據(jù)和能量（來源：Vicor）

超交流電壓的電源管理?

設(shè)計 C·Power 電子產(chǎn)品最具挑戰(zhàn)性的方面是平衡海浪能的不同特性。海浪的不可預(yù)測性需要一個能夠有效傳輸電力和為能量存儲設(shè)備充電的系統(tǒng)。SeaRAY 的電力電子設(shè)備年度轉(zhuǎn)換效率目標是使用 Vicors BCM 固定比率總線轉(zhuǎn)換器和 PRM 調(diào)節(jié)器模塊實現(xiàn)的。效率因波輸入范圍寬而變化，但在峰值波輸入時效率高達 94%。盡管海浪洶涌且不可預(yù)測，BCM 和 PRM 架構(gòu)仍可通過來自 SeaRAY 機載發(fā)電機的高度變化的功率脈沖提供穩(wěn)定和連續(xù)的電流（圖 2 和圖 3）。

圖 2：SeaRAY 使用 Vicor BCM 固定比率總線轉(zhuǎn)換器和 PRM 調(diào)節(jié)器模塊（來源：Vicor）

Vicor 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器用于將來自 SeaRAY 發(fā)生器的脈沖信號可變幅度和頻率交流電源轉(zhuǎn)換為不同功率級別的連續(xù)電流。此外，Vicor 模塊的電源轉(zhuǎn)換拓撲有助于減少板上的電磁干擾和噪聲。

“因此，如果我們能夠為海底的電池持續(xù)充電，那么海洋中的那個點就可以成為一個觀察點，而無需更換水下電池。” 普魯?shù)聽栒f。“我們使用由波浪能浮充電的磷酸鐵鋰電池。我們還實施了鋰離子電池，并且我們還在使用超級電容器來調(diào)節(jié)能量。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，我們也嘗試使用不同類型的電池。但是我們確實需要中間能量存儲才能從脈沖波能量轉(zhuǎn)換為某種形式的可用直流能量。通常，這些設(shè)備中的大多數(shù)都具有 GPS 和實時通信作為警報系統(tǒng)，”

Prudel 指出 Vicor 的電源模塊對于保持 SeaRay AOPS 的可靠運行至關(guān)重要，即使在平靜的水域中也是如此，在平靜的水域中，必須保存機載電源以確保系統(tǒng)正常運行時間。?