海洋資料浮標(biāo)多源耦合供電裝置的設(shè)計(jì)與研究

馬全黨，謝 娜，焦戰(zhàn)立，譚恒濤，金哲民

（1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063.2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063）

目前，浮標(biāo)多采用以蓄電池為主、太陽能電池為輔的供能方式。該方式受天氣變化、蓄電池容量及電能轉(zhuǎn)換效率等因素的限制，不能滿足高精度、多參數(shù)、多功能、大容量實(shí)時(shí)傳輸?shù)暮Ｑ笥^測傳感器的需求。因此多種能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成為了海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)能源供給的首選方案。

國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究與探討。文獻(xiàn)[1]以液壓傳動(dòng)為基礎(chǔ)構(gòu)建了風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了功率的基本穩(wěn)定，但流體的阻力與泄漏制約了效率的提高；文獻(xiàn)[2]研制了一種擺式波浪能發(fā)電裝置，解決了海水腐蝕滲透的問題，而能量需經(jīng)三級轉(zhuǎn)換，損耗大；文獻(xiàn)[3]采用模糊整數(shù)規(guī)劃算法優(yōu)化配置光伏/蓄電池動(dòng)力源，但對連續(xù)陰雨天數(shù)有限制，無法適應(yīng)較惡劣的天氣狀況。在此，以直徑3 m，總重2.7 t的浮標(biāo)為研究對象，設(shè)計(jì)了適應(yīng)其結(jié)構(gòu)的風(fēng)能、太陽能及潮流能耦合供電裝置。

1 多源耦合供電裝置

所設(shè)計(jì)的海洋資料浮標(biāo)供電裝置利用太陽能、風(fēng)能及潮流能耦合供電，根據(jù)典型區(qū)域的氣象條件提出太陽能電池的配置方案，利用雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)完成風(fēng)能和潮流能的一體化發(fā)電，采用磁懸浮軸承減小雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的機(jī)械摩擦功耗。該裝置可避免因太陽能不穩(wěn)定所致的電能供給短缺，且結(jié)構(gòu)輕便，發(fā)電效率高。

該裝置包括①光伏發(fā)電模塊、②風(fēng)流協(xié)同發(fā)電模塊、③電源管理模塊。文中在分析裝置運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合各設(shè)備的平均耗電情況（見表1），進(jìn)行模型建立和參數(shù)設(shè)計(jì)。該裝置可以充分利用海洋能源，使浮標(biāo)在更惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)功能的多樣化、數(shù)據(jù)的多元化和精確化。

2 光伏發(fā)電模塊

在此設(shè)計(jì)太陽能光伏發(fā)電模塊與風(fēng)流發(fā)電模塊協(xié)同工作，即設(shè)計(jì)太陽能每日供電量Qt為5.1 A·h。選擇長江口近海地區(qū)作為典型區(qū)域進(jìn)行分析計(jì)算，由相關(guān)氣象資料查得其某5年各月份平均日輻照度，見表2。表中，Ph為太陽總輻照度；Pd為太陽直射輻照度。其中Ph=Pd+太陽散射輻照度。

由于浮標(biāo)漂浮于海面，會(huì)隨著水流而轉(zhuǎn)動(dòng)或波動(dòng)，故在此設(shè)計(jì)的太陽能光伏板與水面平行，即光伏板傾斜角為0°。而此時(shí)光伏板上接受到的輻照度即為太陽直射地面的輻照度。

表2 典型區(qū)域各月平均日輻照度Tab.2 Average daily irradiance of each month in typical areas

以全年月平均日直射輻照度最小值為標(biāo)準(zhǔn)單位，則每月的太陽總輻照度均可換算為相應(yīng)數(shù)量的峰值日照時(shí)數(shù)，全年月平均峰值日照時(shí)數(shù)Tavg，以及在保證全年供電充足的情況下太陽能光伏組件輸出的最小電流Imin分別為

式中：H1為該地區(qū)全年平均日總輻射量，W·h/（m2·d）；P1為全年月平均日直射輻照度最小值，W/m2；Qt為每日需供電量，A·h；μ為太陽能光伏組件到儲(chǔ)能電池的電流輸入效率，取μ=0.8；ρ為儲(chǔ)能電池到耗電裝置的電流輸出效率，取ρ=0.8。

平均日輻照度最低的月份為太陽能光伏組件的極端工作時(shí)間，組件在該時(shí)段內(nèi)的發(fā)電量既要滿足基本用電需求，又要控制上限以實(shí)現(xiàn)資源的合理利用。全年最小月平均日照時(shí)數(shù)Tmin和最大輸出電流Imax分別為

式中：H2為全年月平均日總輻射量最小值，W·h/（m2·d）。

溫度的升高會(huì)導(dǎo)致太陽能光伏組件輸出功率的衰減，因此要保證組件在設(shè)計(jì)極限高溫下，仍能滿足工作要求。組件在高溫狀態(tài)的參數(shù)關(guān)系為

式中：U為組件工作電壓，V；I為工作電流，A；P為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的輸出功率，W；σ為太陽能光伏組件功率的溫度衰減系數(shù)，（%）；tmax為組件設(shè)計(jì)極限高溫，℃；ts為標(biāo)準(zhǔn)溫度，取 ts=25℃。

由表2可知，H1=187.6 W·h/（m2·d），H2=112.7 W·h/（m2·d），P1=41.7 W/m2。由式（1）和式（3）分別可得

Tavg=4.5 h/d

Tmin=2.7 h/d

進(jìn)一步地，由式（2）和式（4）分別求得

Imin=1.771 A

Imax=2.951 A

而實(shí)際中，其正常工作電流應(yīng)位于Imin與Imax兩者之間，在此選取I=2.361 A。

太陽能光伏組件的電壓應(yīng)保證儲(chǔ)能電池能夠進(jìn)行有效的充電。電源系統(tǒng)需要12 V工作電壓，而磷酸鐵鋰電池的單體標(biāo)稱電壓為3.2 V，故需4個(gè)磷酸鐵鋰電池單體串聯(lián)。磷酸鐵鋰電池的工作電壓為3.4 V，取電壓降為0.8 V，則太陽能光伏組件的工作電壓U=14.4 V。

晶體硅溫度衰減系數(shù)σSi常取0.4%～0.5%。在此取σSi=0.5%，所設(shè)計(jì)組件在50℃時(shí)也能正常工作，由式（5）可得組件的輸出功率P=38.86 W。

在此采用目前研發(fā)技術(shù)最成熟的單晶硅太陽能光伏板。其實(shí)用光電轉(zhuǎn)換效率約為15%，單體電池面積為40 mm×40 mm，工作電壓U0=0.5 V，則串聯(lián)的電池?cái)?shù)為

單體電池封裝后的平均功率為

P0=100（mW/cm2）×16 cm2×15%=0.24 W

所需單體電池總片數(shù)為

取n1=30，n2=180，則并聯(lián)光伏板為6塊，故采用“30串6并”，以滿足設(shè)備要求。經(jīng)測量和計(jì)算，該太陽能光伏組件技術(shù)參數(shù)如下：

開路電壓為15 V；

短路電流為3 A；

額定功率為40 W。

3 風(fēng)流協(xié)同發(fā)電模塊

3.1 整體運(yùn)行機(jī)理及發(fā)電機(jī)模型建立

雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)使傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)靜止不動(dòng)的定子即電樞部分相對于機(jī)座自由的旋轉(zhuǎn)[4]，減小了設(shè)備體積、重量，提高了工作效率。所設(shè)計(jì)的風(fēng)流雙轉(zhuǎn)子發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可見，風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸與外轉(zhuǎn)子共軸，水輪機(jī)傳動(dòng)軸與內(nèi)轉(zhuǎn)子共軸，且兩者旋轉(zhuǎn)方向始終相反，風(fēng)流等外力作用驅(qū)動(dòng)兩者逆向旋轉(zhuǎn)以發(fā)電。風(fēng)力機(jī)與水輪機(jī)軸承系統(tǒng)均在徑向采用機(jī)械軸承、在軸向采用磁軸承來控制轉(zhuǎn)子的5個(gè)自由度。

圖1 風(fēng)流雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of airflow double-rotor generator

參考永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程[5]，得到雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：ω1，ω2分別為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；I1，I2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2；T1，T2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，N·m；F1，F(xiàn)2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子總摩擦阻尼系數(shù)，N·m·s；Te為電磁轉(zhuǎn)矩，N·m。

內(nèi)外轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩大小相等，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)1和F2為常數(shù)，此時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與內(nèi)外轉(zhuǎn)子角速度的關(guān)系為

3.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)及水輪機(jī)模型建立

偏角固定的H型葉輪的機(jī)械輸入轉(zhuǎn)矩T與流速v的關(guān)系為

其中，對于H型葉輪，S=bD

式中：Cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，無量綱；ρ為流體密度，kg/m3；R為轉(zhuǎn)子半徑，m；v為來流速度，m/s；S為葉輪的截面面積，m2；D為葉輪直徑，m；b為葉片展長，m。

由貝茲理論[6]可得，垂直軸葉輪從流體中捕獲的功率Pf為

式中：ω為葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；Cp為能源利用系數(shù)，無量綱。

葉尖速比為葉輪的圓周切向速度與來流速度的比值[7]，用于衡量葉輪運(yùn)行速度的快慢，可表示為

式中：λ為葉尖速比，無量綱；N為葉輪轉(zhuǎn)速，r/s。

3.3 風(fēng)力機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

所采用的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)，額定功率PN=8 W，額定轉(zhuǎn)速為1200 r/min，取風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的機(jī)電效率為0.8，則垂直軸風(fēng)力機(jī)的軸功率P1=10 W。

目前，在實(shí)際運(yùn)用中垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)不到0.4，故在此取Cp=0.38。設(shè)某海域的額定風(fēng)速為6 m/s，大氣密度為1.225 kg/m3，由式（10）得S=0.2 m2，設(shè)計(jì)風(fēng)輪直徑為0.5 m，則風(fēng)輪葉片展長b=0.4 m。

葉尖速比越高，對應(yīng)的Cp越大，但過高的葉尖速比容易加劇葉片間的相互作用，使能源利用系數(shù)降低。綜合考慮風(fēng)機(jī)類型、葉片尺寸及式（11）所得結(jié)果，確定葉尖速比為5.2。葉輪的葉片數(shù)與其葉尖速比存在較大關(guān)聯(lián)，為保證較高的能源捕獲率，兩者往往呈反向趨勢，風(fēng)力機(jī)葉尖速比5～8所對應(yīng)的葉片數(shù)目為4～2，考慮到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與高效性，選取葉片數(shù)為4。風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)見表3。

表3 風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of wind turbine

3.4 水輪機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)H型垂直軸水輪機(jī)的額定功率PN=12 W，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，水輪機(jī)的機(jī)電效率為0.85，則垂直軸水輪機(jī)的軸功率P2=14 W。

設(shè)某海域水流速度為0.8 m/s，水流密度為1025 kg/m3。由于實(shí)際水輪機(jī)的水能利用系數(shù)在0.2～0.45波動(dòng)，故取Cp=0.325，則水輪機(jī)迎流面積S=0.16 m2，設(shè)計(jì)葉輪直徑為0.43 m，可得葉輪高度b=0.37 m。

水輪機(jī)葉尖速比及葉片數(shù)目的確定方法與風(fēng)力機(jī)相同，可得其葉尖速比λ=8.4，葉片數(shù)為3。水輪機(jī)主要參數(shù)見表4。

表4 水輪機(jī)主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of water turbine

3.5 磁軸承參數(shù)設(shè)計(jì)

風(fēng)流協(xié)同發(fā)電模塊采用磁懸浮軸承以減小發(fā)電機(jī)的摩擦損耗，降低機(jī)組啟動(dòng)速度，提高能源利用率。在此采用文獻(xiàn)[8]所設(shè)計(jì)的磁軸承結(jié)構(gòu)。該磁軸承由輔助軸承、吸力盤及穩(wěn)定裝置組成，吸力盤在未通電時(shí)由輔助軸承支撐，通電后向上運(yùn)動(dòng)，通過穩(wěn)定裝置保證其懸浮的穩(wěn)定性。

對于垂直軸發(fā)電機(jī)，當(dāng)電磁吸力與各部分重力及外擾力平衡時(shí)，轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)即可起浮并穩(wěn)定的懸浮于平衡位置。即：

式中：m為重物質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；fd為最大擾動(dòng)力，N。

考慮到尺寸、材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求，所設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)總重102 kg，水輪機(jī)總重108 kg，由于兩者重量差較小，取水輪機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)，流體斜向上或斜向下等產(chǎn)生的最大干擾力fd=200 N，則設(shè)計(jì)的磁軸承應(yīng)提供1280 N的力。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，計(jì)算所得磁軸承的主要參數(shù)見表5。

表5 磁軸承主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of magnetic bearing

磁軸承具有無摩擦、無磨損的優(yōu)點(diǎn)，減小了電機(jī)工作中的電磁和機(jī)械阻力矩，可使其發(fā)電效率在相同工況下提升為原來的1.2倍。風(fēng)力機(jī)的額定功率P1=8 W，水輪機(jī)的額定功率P2=12 W，雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率為η，取η=0.87，則雙轉(zhuǎn)子在額定功率下工作的月發(fā)電量為

Q=120%（P1+P2）η×30×24 kW·h=15 kW·h

4 電源管理模塊

在此采用新興的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)存電能。該類電池具有安全性能高，使用壽命長，單位重量或體積容量大的優(yōu)良特性，工作溫度范圍為-20～75℃[9]，由于它在低溫時(shí)工作效率明顯降低，故在此加裝了電源恒溫模塊，使其工作溫度穩(wěn)定在23℃以上，以保證其長時(shí)間處于良好的放電狀態(tài)。

由表1可得，浮標(biāo)設(shè)備日平均總耗電量Qd為15.3 A·h，設(shè)計(jì)磷酸鐵鋰電池容量在30 d無任何其他電能來源時(shí)各用電器仍可正常工作，放電深度為d=80%，則所需電池容量C為

因此選擇電壓為3.2 V，容量為75 A·h的磷酸鐵鋰電池8塊，“2并4串”排布組成電源。

電源模塊整體設(shè)計(jì)如圖2所示。通過電池管理系統(tǒng)對集能裝置-磷酸鐵鋰電池、磷酸鐵鋰電池-負(fù)載的對接過程進(jìn)行控制管理，實(shí)現(xiàn)過充和過放保護(hù)及整流穩(wěn)壓，由電源恒溫模塊維護(hù)電池高效工作溫度。

圖2 電源管理方案Fig.2 Power management scheme

5 系統(tǒng)試驗(yàn)

以江蘇中部沿海的氣象資料為依據(jù)，選取當(dāng)?shù)啬橙盏娘L(fēng)速、流速、光照強(qiáng)度等信息，該海域該天漲潮流平均流速0.9 m/s，落潮流平均流速0.6 m/s，漲潮歷時(shí)5 h，落潮流歷7.5 h，夜晚風(fēng)速約7 m/s，白天風(fēng)速降到5 m/s，一天之中最大光照強(qiáng)度為1200 W/m2，最高溫度16℃，最低溫度8℃。根據(jù)以上氣象數(shù)據(jù)得出各發(fā)電裝置輸出功率，如圖3所示。

圖3 發(fā)電功率日變化Fig.3 Daily variation of generated output

太陽能發(fā)電模塊主要工作于11：00—17：00，該時(shí)段發(fā)電量占全天總發(fā)電量的89%；風(fēng)流發(fā)電模塊在夜晚的發(fā)電功率略高于白天的發(fā)電功率，且由于潮汐的影響，發(fā)電功率圍繞某一中心線以一定規(guī)律上下波動(dòng)，因此太陽能發(fā)電模塊與風(fēng)流發(fā)電模塊在一天中具有時(shí)間互補(bǔ)性。

整合該地10 a的月平均風(fēng)速、流速及光照強(qiáng)度等氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算浮標(biāo)全年各月供電曲線。由圖4所示全年發(fā)電曲線可見，夏季光伏發(fā)電量多，冬季風(fēng)能潮流能資源豐富，風(fēng)流發(fā)電量多，其次在夏季的8月份也出現(xiàn)了風(fēng)流發(fā)電量的極值點(diǎn)，主要考慮夏季季風(fēng)和臺風(fēng)的共同影響所致。

圖4 全年月平均發(fā)電量Fig.4 Annual average monthly power generation

圖5為浮標(biāo)全年每月總發(fā)電量的余值，在12個(gè)月份中，只有1，2，9月份的發(fā)電余量為負(fù)值，可配合磷酸鐵鋰內(nèi)儲(chǔ)蓄的電量維持浮標(biāo)的正常工作，其中浮標(biāo)發(fā)電余量最小值為-1.3 kW·h，為電池容量的18.9%。因此該浮標(biāo)的供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的供電。

圖5 全年月發(fā)電余量Fig.5 Annual monthly power generation surplus

6 結(jié)語

文中提出了一種風(fēng)光流多種能源耦合供電裝置的設(shè)計(jì)方案，考慮到海上太陽能資源的不穩(wěn)定性，結(jié)合其與風(fēng)流協(xié)同發(fā)電模塊的協(xié)調(diào)性及浮標(biāo)用電量，對太陽能電池進(jìn)行了合理配置。針對風(fēng)流協(xié)同發(fā)電模塊，以風(fēng)輪、水輪帶動(dòng)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)高效運(yùn)行，采用磁懸浮軸承減小了機(jī)械磨損與摩擦損耗，建立了風(fēng)流雙轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型，并對其主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的電源模塊實(shí)現(xiàn)了對電能的儲(chǔ)存、釋放與管理。研究表明該供能系統(tǒng)可穩(wěn)定滿足浮標(biāo)用電設(shè)備的電能需求。