野戰(zhàn)方艙智能電源系統(tǒng)設計研究

摘要：為了更好地促進軍民融合式后勤保障體系，以民間科技手段不斷改進部隊保障裝備，針對野戰(zhàn)方艙供電系統(tǒng)的難題，提出利用風能、太陽能兩種最方便、無污染、無噪音的綠色再生資源。提出的野戰(zhàn)方艙智能電源系統(tǒng)設計方案，很好地綜合了風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的優(yōu)缺點，可以為野戰(zhàn)方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應，系統(tǒng)維護量少、使用方便，能夠解決野戰(zhàn)方艙的各種用電需求，確保野戰(zhàn)方艙正常運轉。
關鍵詞：野戰(zhàn)方艙；軍民融合式后勤保障體系；智能電源；風光互補

0 引言
近期民技軍用式后勤保障體系的提出，要求以最優(yōu)、最大限度的民間科技手段不斷改進部隊保障裝備。所謂“民技軍用”，是將相對成熟的民用高新技術成果經過適應性開發(fā)研究，移植于武器裝備研制和國防科研生產的一種工程技術開發(fā)活動，這對于充分利用社會資源、逐步建立適應武器裝備建設需要和市場經濟發(fā)展要求的軍品市場監(jiān)管體系，具有重要的現(xiàn)實意義。隨著科學技術的不斷進步、裝備的日益復雜化以及戰(zhàn)爭條件的日趨嚴酷，對后勤保障起關鍵作用的野戰(zhàn)方艙的性能要求也越來越高，野戰(zhàn)方艙不僅要具有較強的環(huán)境適應能力，較高的電磁屏蔽性能，還應具有穩(wěn)定、方便、可靠的電源系統(tǒng)。
我國可再生能源的儲備十分豐富，其中以太陽能和風能尤為突出。風能和太陽能具有天然的互補性：白天日照強，太陽能豐富；晚上風多，風能充足。夏日和冬日風能和太陽能也有很好的互補效果，風力太陽能互補系統(tǒng)的特點使它能成為持續(xù)穩(wěn)定供電的電源。由于野戰(zhàn)方艙的工作地區(qū)基本沒有電力供應，本文設計的風光互補智能投切電網系統(tǒng)可以作為獨立的電源系統(tǒng)應用于野戰(zhàn)方艙中，因此具有相當大的優(yōu)勢。它不但能達到大量節(jié)能的目標，并且安裝程序大大簡化，應用和維護都方便許多，能夠滿足后勤保障快速穩(wěn)定的供電要求。

1 軍民融合式后勤保障體系
軍民融合式后勤保障體系既以科學發(fā)展觀為指導，以使命任務為牽引，以提高遂行多樣化軍事任務綜合保障能力為目標，客觀上要求必須摒棄傳統(tǒng)的思想框架，把戰(zhàn)區(qū)軍民融合式后勤保障體系發(fā)展目標定位于“應對多種安全威脅，支援保障遂行多樣化軍事任務”上，統(tǒng)籌各項能力建設，提升整體保障功能。
軍民融合式后勤保障體系提出的加強后勤核心保障能力建設，要求保障軍隊遂行作戰(zhàn)任務應具備的綜合能力，其中包括戰(zhàn)爭方式的軍事行動和非戰(zhàn)爭方式的軍事行動，這就要求從優(yōu)化保障體制、改進保障裝備、提高指揮自動化建設水平等方面入手，以提高保障效益，增強保障能力。

2 野戰(zhàn)方艙
野戰(zhàn)方艙在后勤核心能力保障建設中發(fā)揮著極其重要的作用，主要包括方艙醫(yī)院，方艙指揮中心，方艙廚房等。目前我國野戰(zhàn)方艙的電源系統(tǒng)主要是利用電站方艙或發(fā)電掛車發(fā)電的方式供電，該供電方式供電系統(tǒng)鋪設范圍大、噪聲大，而且油耗量大，需要頻繁加油，這些缺點限制了野戰(zhàn)方艙更好的應用。本文提出的風光互補智能投切電網系統(tǒng)主要采用風光互補的供電方式，只有在極少數(shù)情況下使用發(fā)電機組供電，并且克服了有光沒有風，有風沒有光的情況，能夠確保在任何復雜條件下都能保證野戰(zhàn)方艙的正常穩(wěn)定供電。

3 野戰(zhàn)方艙風光互補智能投切電網系統(tǒng)總體設計
3．1 系統(tǒng)構成介紹
野戰(zhàn)方艙風光互補智能投切電網系統(tǒng)由四大部分組成：
(1)太陽能發(fā)電系統(tǒng)
太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要采用太陽能帳篷的方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽能電池板，太陽能帳篷即在野戰(zhàn)方艙的外壁涂上一層太陽電池材料制成的薄膜，并且太陽電池表面設有一層透明防護層，有效保護薄膜太陽電池不易劃傷。光伏陣列將太陽能通過光生伏打效應轉換成直流電，通過變換器為各部分負載供電。其主要作用是有陽光的情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力，并將多余電能儲存在蓄電池里。太陽能發(fā)電部分原理框圖如圖1所示。

圖1中，太陽電池方陣的支路通過二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池和負載供電。其中充電控制器采用增量控制太陽電池方陣對蓄電池的充電過程，當蓄電池組的充電電壓到達設定的最高充電電壓時，自動依次切斷一個或數(shù)個方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓繼續(xù)增長，確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲存太陽電池發(fā)出的電能。
(2)風力發(fā)電系統(tǒng)
風力發(fā)電系統(tǒng)的風輪通過可折疊的支架安裝在野戰(zhàn)方艙頂部，使用時打開支架現(xiàn)場安裝風輪，并調節(jié)風輪的方向，不影響野戰(zhàn)方艙的運輸。風輪將風能通過空氣動力學原理轉換成機械能，驅動永磁同步發(fā)電機發(fā)出與風速成一定關系的交流電，經整流變成直流電，并經過變換器為各部分負載供電。風力發(fā)電機的設計功率可根據(jù)野戰(zhàn)方艙供電容量的實際需要進行調整。其主要作用是有風情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力，并將多余電能儲存在蓄電池里。
(3)蓄電池系統(tǒng)
蓄電池系統(tǒng)主要由鉛酸蓄電池組組成，其主要作用是平時將多余的風電或光電儲存，在即無風，又無光的情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力。由于野戰(zhàn)方艙的工作環(huán)境比較復雜，且存在一定的不確定性，因此在本系統(tǒng)中選用了抗高低溫特性好的蓄電池，同時選配的蓄電池組除具有儲能的功能外，還具有一定的穩(wěn)壓功能。
(4)柴油機組供電部分
當連續(xù)多日無太陽、無風且蓄電池系統(tǒng)儲存的電能已經無法繼續(xù)支持負載的正常工作時，可啟動備用柴油機組供電部分為負載供電。該系統(tǒng)利用原有的野戰(zhàn)方艙的柴油機組供電部分，未作功能性改動。
3．2 系統(tǒng)基本原理
本文設計的風光互補供電系統(tǒng)包括風力發(fā)電機、太陽能電池組件陣列、AC整流濾波模塊、電壓調節(jié)控制器、逆變器、旁路切換單元、蓄電池組及輸入／輸出配電等。其供電原理如下：
(1)白天：太陽能電池組件產生的直流電流與風力發(fā)電機組發(fā)出的交流電經整流后，其中一部分通過電壓調節(jié)控制器、主控制單元及逆變器轉化為交流電供負載使用，另一部分對蓄電池進行充電，當陽光或風能不足時，蓄電池的電能通過逆變器轉化為交流電供交流負載使用。供電系統(tǒng)充分利用了太陽能資源和風力資源并使這兩種資源相互補充，有效利用。
(2)夜間：夜間光伏陣列無功率輸出，此時采用風力發(fā)電機組和蓄電池組共同供電的模式。系統(tǒng)自動檢測分析負載功率的大小，而采用風力發(fā)電經逆變器供電和蓄電池經逆變器供電，即AC-DC-AC和PV-DC-AC，兩種模式復合供電，系統(tǒng)根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率來確定兩者供電的比例，此模式能夠充分利用風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，比常規(guī)的風力發(fā)電系統(tǒng)中風機的利用率提高10％～20％。