海洋資料浮標多源耦合供電裝置的設計與研究

馬全黨，謝 娜，焦戰立，譚恒濤，金哲民

（1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063.2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063）

目前，浮標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換效率等因素的限制，不能滿足高精度、多參數、多功能、大容量實時傳輸的海洋觀測傳感器的需求。因此多種能源互補發電系統成為了海洋資料浮標系統能源供給的首選方案。

國內外學者對此進行了大量的研究與探討。文獻[1]以液壓傳動為基礎構建了風浪互補發電系統，實現了功率的基本穩定，但流體的阻力與泄漏制約了效率的提高；文獻[2]研制了一種擺式波浪能發電裝置，解決了海水腐蝕滲透的問題，而能量需經三級轉換，損耗大；文獻[3]采用模糊整數規劃算法優化配置光伏/蓄電池動力源，但對連續陰雨天數有限制，無法適應較惡劣的天氣狀況。在此，以直徑3 m，總重2.7 t的浮標為研究對象，設計了適應其結構的風能、太陽能及潮流能耦合供電裝置。

1 多源耦合供電裝置

所設計的海洋資料浮標供電裝置利用太陽能、風能及潮流能耦合供電，根據典型區域的氣象條件提出太陽能電池的配置方案，利用雙轉子發電機完成風能和潮流能的一體化發電，采用磁懸浮軸承減小雙轉子發電機的機械摩擦功耗。該裝置可避免因太陽能不穩定所致的電能供給短缺，且結構輕便，發電效率高。

該裝置包括①光伏發電模塊、②風流協同發電模塊、③電源管理模塊。文中在分析裝置運行機理的基礎上，結合各設備的平均耗電情況（見表1），進行模型建立和參數設計。該裝置可以充分利用海洋能源，使浮標在更惡劣的環境下實現功能的多樣化、數據的多元化和精確化。

2 光伏發電模塊

在此設計太陽能光伏發電模塊與風流發電模塊協同工作，即設計太陽能每日供電量Qt為5.1 A·h。選擇長江口近海地區作為典型區域進行分析計算，由相關氣象資料查得其某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。

由于浮標漂浮于海面，會隨著水流而轉動或波動，故在此設計的太陽能光伏板與水面平行，即光伏板傾斜角為0°。而此時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準單位，則每月的太陽總輻照度均可換算為相應數量的峰值日照時數，全年月平均峰值日照時數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能電池的電流輸入效率，取μ=0.8；ρ為儲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間，組件在該時段內的發電量既要滿足基本用電需求，又要控制上限以實現資源的合理利用。全年最小月平均日照時數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）。

溫度的升高會導致太陽能光伏組件輸出功率的衰減，因此要保證組件在設計極限高溫下，仍能滿足工作要求。組件在高溫狀態的參數關系為

式中：U為組件工作電壓，V；I為工作電流，A；P為標準溫度下的輸出功率，W；σ為太陽能光伏組件功率的溫度衰減系數，（%）；tmax為組件設計極限高溫，℃；ts為標準溫度，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

進一步地，由式（2）和式（4）分別求得

Imin=1.771 A

Imax=2.951 A

而實際中，其正常工作電流應位于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保證儲能電池能夠進行有效的充電。電源系統需要12 V工作電壓，而磷酸鐵鋰電池的單體標稱電壓為3.2 V，故需4個磷酸鐵鋰電池單體串聯。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σSi常取0.4%～0.5%。在此取σSi=0.5%，所設計組件在50℃時也能正常工作，由式（5）可得組件的輸出功率P=38.86 W。

在此采用目前研發技術最成熟的單晶硅太陽能光伏板。其實用光電轉換效率約為15%，單體電池面積為40 mm×40 mm，工作電壓U0=0.5 V，則串聯的電池數為

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為

取n1=30，n2=180，則并聯光伏板為6塊，故采用“30串6并”，以滿足設備要求。經測量和計算，該太陽能光伏組件技術參數如下：

開路電壓為15 V；

短路電流為3 A；

額定功率為40 W。

3 風流協同發電模塊

3.1 整體運行機理及發電機模型建立

雙轉子發電機使傳統發電機靜止不動的定子即電樞部分相對于機座自由的旋轉[4]，減小了設備體積、重量，提高了工作效率。所設計的風流雙轉子發電系統的結構如圖1所示。由圖可見，風力發電機傳動軸與外轉子共軸，水輪機傳動軸與內轉子共軸，且兩者旋轉方向始終相反，風流等外力作用驅動兩者逆向旋轉以發電。風力機與水輪機軸承系統均在徑向采用機械軸承、在軸向采用磁軸承來控制轉子的5個自由度。

圖1 風流雙轉子發電機結構Fig.1 Structure of airflow double-rotor generator

參考永磁同步發電機的運動方程[5]，得到雙轉子發電機的運動方程為

式中：ω1，ω2分別為內、外轉子角速度，rad/s；I1，I2分別為內外轉子總轉動慣量，kg/m2；T1，T2分別為內外轉子的機械轉矩，N·m；F1，F2分別為內外轉子總摩擦阻尼系數，N·m·s；Te為電磁轉矩，N·m。

內外轉子受到的電磁轉矩大小相等，發電機穩定運行時，F1和F2為常數，此時機械轉矩與內外轉子角速度的關系為

3.2 垂直軸風力機及水輪機模型建立

偏角固定的H型葉輪的機械輸入轉矩T與流速v的關系為

其中，對于H型葉輪，S=bD

式中：Cm為轉矩系數，無量綱；ρ為流體密度，kg/m3；R為轉子半徑，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為葉輪旋轉的角速度，rad/s；Cp為能源利用系數，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為葉輪轉速，r/s。

3.3 風力機參數設計

所采用的H型垂直軸風力機，額定功率PN=8 W，額定轉速為1200 r/min，取風力機系統的機電效率為0.8，則垂直軸風力機的軸功率P1=10 W。

目前，在實際運用中垂直軸風力機的風能利用系數達不到0.4，故在此取Cp=0.38。設某海域的額定風速為6 m/s，大氣密度為1.225 kg/m3，由式（10）得S=0.2 m2，設計風輪直徑為0.5 m，則風輪葉片展長b=0.4 m。

葉尖速比越高，對應的Cp越大，但過高的葉尖速比容易加劇葉片間的相互作用，使能源利用系數降低。綜合考慮風機類型、葉片尺寸及式（11）所得結果，確定葉尖速比為5.2。葉輪的葉片數與其葉尖速比存在較大關聯，為保證較高的能源捕獲率，兩者往往呈反向趨勢，風力機葉尖速比5～8所對應的葉片數目為4～2，考慮到風機系統運行的穩定性與高效性，選取葉片數為4。風力機主要參數見表3。

表3 風力機主要參數Tab.3 Main parameters of wind turbine

3.4 水輪機參數設計

設計H型垂直軸水輪機的額定功率PN=12 W，額定轉速為300 r/min，水輪機的機電效率為0.85，則垂直軸水輪機的軸功率P2=14 W。

設某海域水流速度為0.8 m/s，水流密度為1025 kg/m3。由于實際水輪機的水能利用系數在0.2～0.45波動，故取Cp=0.325，則水輪機迎流面積S=0.16 m2，設計葉輪直徑為0.43 m，可得葉輪高度b=0.37 m。

水輪機葉尖速比及葉片數目的確定方法與風力機相同，可得其葉尖速比λ=8.4，葉片數為3。水輪機主要參數見表4。

表4 水輪機主要參數Tab.4 Main parameters of water turbine

3.5 磁軸承參數設計

風流協同發電模塊采用磁懸浮軸承以減小發電機的摩擦損耗，降低機組啟動速度，提高能源利用率。在此采用文獻[8]所設計的磁軸承結構。該磁軸承由輔助軸承、吸力盤及穩定裝置組成，吸力盤在未通電時由輔助軸承支撐，通電后向上運動，通過穩定裝置保證其懸浮的穩定性。

對于垂直軸發電機，當電磁吸力與各部分重力及外擾力平衡時，轉軸系統即可起浮并穩定的懸浮于平衡位置。即：

式中：m為重物質量，kg；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；fd為最大擾動力，N。

考慮到尺寸、材料和結構強度的需求，所設計的風力機總重102 kg，水輪機總重108 kg，由于兩者重量差較小，取水輪機數據進行軸承設計，流體斜向上或斜向下等產生的最大干擾力fd=200 N，則設計的磁軸承應提供1280 N的力。根據文獻[8]，計算所得磁軸承的主要參數見表5。

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

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

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良特性，工作溫度范圍為-20～75℃[9]，由于它在低溫時工作效率明顯降低，故在此加裝了電源恒溫模塊，使其工作溫度穩定在23℃以上，以保證其長時間處于良好的放電狀態。

由表1可得，浮標設備日平均總耗電量Qd為15.3 A·h，設計磷酸鐵鋰電池容量在30 d無任何其他電能來源時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。

電源模塊整體設計如圖2所示。通過電池管理系統對集能裝置-磷酸鐵鋰電池、磷酸鐵鋰電池-負載的對接過程進行控制管理，實現過充和過放保護及整流穩壓，由電源恒溫模塊維護電池高效工作溫度。

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

5 系統試驗

以江蘇中部沿海的氣象資料為依據，選取當地某日的風速、流速、光照強度等信息，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5 h，落潮流歷7.5 h，夜晚風速約7 m/s，白天風速降到5 m/s，一天之中最大光照強度為1200 W/m2，最高溫度16℃，最低溫度8℃。根據以上氣象數據得出各發電裝置輸出功率，如圖3所示。

圖3 發電功率日變化Fig.3 Daily variation of generated output

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

整合該地10 a的月平均風速、流速及光照強度等氣象數據，計算浮標全年各月供電曲線。由圖4所示全年發電曲線可見，夏季光伏發電量多，冬季風能潮流能資源豐富，風流發電量多，其次在夏季的8月份也出現了風流發電量的極值點，主要考慮夏季季風和臺風的共同影響所致。

圖4 全年月平均發電量Fig.4 Annual average monthly power generation

圖5為浮標全年每月總發電量的余值，在12個月份中，只有1，2，9月份的發電余量為負值，可配合磷酸鐵鋰內儲蓄的電量維持浮標的正常工作，其中浮標發電余量最小值為-1.3 kW·h，為電池容量的18.9%。因此該浮標的供電系統可以實現可靠、穩定的供電。

圖5 全年月發電余量Fig.5 Annual monthly power generation surplus

6 結語

文中提出了一種風光流多種能源耦合供電裝置的設計方案，考慮到海上太陽能資源的不穩定性，結合其與風流協同發電模塊的協調性及浮標用電量，對太陽能電池進行了合理配置。針對風流協同發電模塊，以風輪、水輪帶動雙轉子電機高效運行，采用磁懸浮軸承減小了機械磨損與摩擦損耗，建立了風流雙轉子的數學模型，并對其主要參數進行了設計。所設計的電源模塊實現了對電能的儲存、釋放與管理。研究表明該供能系統可穩定滿足浮標用電設備的電能需求。