水質監測無人船的輔助能源系統研究

郁 誠，王 銘，趙宇軒

（1.天津大學化工學院，天津 300000；2.江西科技學院，江西 南昌 330098；3.江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212013）

1 智能化風光互補發電系統

水質監測無人船智能化風光互補發電系統如圖1所示，利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩定的輸出；系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、智能控制器、蓄電池組、逆變器、交流負載、直流負載等組成。根據水質監測無人船的空間合理地進行設計、布局，可以高效率地將太陽能、風能轉化成電能[3-4]；智能控制器實時控制蓄電池組的充電與放電；逆變器實現電流轉換，將蓄電池組提供的直流電轉換成交流電為交流負載供電，提高能源的利用率。

圖1 智能化風光互補發電系統

該系統是集風能、太陽能能源發電技術及智能控制技術為一體的復合可再生能源發電系統[5]。可適應多種運行環境，控制方便，在保證同樣供電的情況下，可減少儲能蓄電池的容量。系統根據風力和太陽輻射變化情況，可以在以下三種模式下運行：風力發電機組單獨向負載供電；光伏發電系統單獨向負載供電；風力發電機組和光伏發電系統聯合向負載供電。理論上，水質監測無人船所需要的電力能源基本可以自給自足。

2 太陽能發電系統

太陽能發電系統中，最基本的單元是太陽能電池，把一系列的太陽能電池通過排列后，再串聯、并聯組成光伏陣列。“光生伏特”效應是太陽能電池的能量轉換原理。當太陽發出的光照射線照射到P-N結上，形成光生的電子-空穴對，內建電場會在太陽能電池內產生，空穴會在內建電場的影響下流入P區，與此同時，電子將會流入N區。此時兩端接通產生回路，電路中就會有電流產生。目前，市場上主流的太陽能電池的種類有三種：單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。其中，轉換率最高的是單晶硅，可高達至24%；多晶硅次之，僅12%左右；非晶硅最差，而且轉化率也不穩定。太陽能發電的通用公式：

式中，L為年發電量；Q為年輻射總量；S為受熱面積；η為光伏組件的轉換效率；η1環境影響系數。通過公式（1）可以看出，年發電量L與年輻射總量、光伏電池的轉換效率、發電環境等各方面因素相關。

3 風能發電系統

氣流的流動產生了風[6]，對于水質監測無人船，可以使用小型水平軸的風力發電機組，如圖2所示。與垂直軸相比，水平軸風力發電機具有啟動風速低、更適宜在水面上工作等優點。其主要部分為風輪、風輪葉片、風力發電機、支撐架等。

圖2 水平軸風力發電機示意圖

當氣流流過風輪葉片時就會形成動能，然后帶動風輪旋轉形成機械能，再把機械能傳遞給發電機，通過發電機實現機械能與電能的轉換，這就是風力發電的基本原理。風流過截面的能量稱為風能，又叫風的功率（W）。其公式為：

式（2）中，ρ為空氣密度（在標準的大氣壓強下ρ=1.225 5 kg/m3）；V為風速（m/s）；A為葉片掃掠一圈的受力面積（m2）。

通過風力發電機的特性，由貝茲定律可以得出[7]，風力發電機的機械功率表示為Pm：

式（3）中，ρ為空氣密度（kg/m3）；V為風速（m/s）；R為葉片的長度；Cp為風能利用系數。（由貝茲定律得出：Cp≈0.593。實驗表明，風能的利用系數Cp將會小于0.593[2]，一般在0.15~0.5之間。）

4 儲能與轉換

蓄電池是水質監測無人船的能源核心，給船上的各種監測設備提供能源并用來存儲風力、太陽能發電的儲能元件；充電和放電是蓄電池的兩個主要功能，科學選擇蓄電池的材料與合理的使用方法，可以有效提高蓄電池的壽命以及整個系統的效率[8]。目前，較為廣泛使用的蓄電池種類有鋰離子電池、鉛酸蓄電池[9]。其中，鋰離子蓄電池有使用壽命長、自放電率低、綠色環保、充電的接受性能極好，同體積下與鉛酸蓄電池相比重量輕和存儲能量大等優點；缺點是價格貴，需要保護線路，防止過充電、過放電等。對于監測無人船的空間結構而言，需要蓄電池具有更小體積、更高存儲的容量以及綠色無污染等優點。所以，用鋰離子蓄電池作為水質監測無人船的存儲能源裝置更為合適。同時，智能控制器能檢測鋰離子電池的電量，防止過充與過放，避免對電池造成損傷[10]，智能控制器也能控制逆變器，完成電流的轉換，以供交流負載設施使用。蓄電池在充電時，電流與電壓的變化曲線如圖3所示。

圖3 蓄電池充電時電壓與電流的變化曲線

5 仿真測試

設定溫度為20 ℃，風速8 m/s，光照強度200 W/m2，負載150 W，10 min后風速降為2 m/s，20 min后光照強度降為100 W/m2，30 min后負載加大到300 W模擬惡劣環境下的系統狀況。當輔助能源發電量下降時，智能控制器將會立即小幅調動蓄電池的能源；當負載加大時，智能控制器大幅度調動蓄電池的能源，以保證負載設備能正常運作。

6 總結

展望未來，綠色的可再生能源的獲取將會成為一種新的趨勢，將會有更多的設備與可再生能源掛鉤。本文設計的系統是在已有的技術基礎上，對硬件和軟件的合理性進行設計并改進，為水質監測無人船設計了一個更穩定、更加可靠的系統方案。對可再生能源的利用，減少了環境的污染與能源的消耗，不僅可以提升水質檢測無人船的持續航行能力，實現連續、實時監測；而且能節約大量的財力和人力，有助于我國能源的可持續發展。