為海浪能采集實(shí)現(xiàn)重大工程突破

開發(fā)利用海浪能是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，海洋工程師正在改進(jìn)技術(shù)，以提供可靠、經(jīng)濟(jì)高效的海洋能源發(fā)與存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)全新的海上數(shù)據(jù)與通信服務(wù)。

哥倫比亞電力技術(shù)公司 (C-Power) 位于俄勒岡州科瓦利斯市，是波浪能系統(tǒng)的全球領(lǐng)先企業(yè)，通過為海上設(shè)備提供低可靠、經(jīng)濟(jì)高效的發(fā)電與存儲(chǔ)解決方案以及數(shù)據(jù)及通信服務(wù)，幫助擴(kuò)展海洋經(jīng)濟(jì)。C-Power 自主海上無人電力系統(tǒng) (AOPS) 可捕獲機(jī)械動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)化為可用的電力，用于廣泛的海洋應(yīng)用，如海洋油氣勘探與生產(chǎn)、海洋碳封存、海洋研究、水產(chǎn)養(yǎng)殖與國(guó)土防御等。

圖1 雖然太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展備受關(guān)注，但C-Power 卻是高效利用海浪能源，實(shí)現(xiàn)各種新型海上應(yīng)用的先鋒，這些應(yīng)用包括油氣勘探與生產(chǎn)、海上碳封存、海洋研究、水產(chǎn)養(yǎng)殖與國(guó)土防御等。

采集千瓦級(jí)海洋能源

C-Power 成立于 2005 年，隨著其在新興海洋能源采集領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，其核心業(yè)務(wù)已獲得長(zhǎng)足發(fā)展。當(dāng)其他公司追求大型兆瓦級(jí)系統(tǒng)時(shí)，C-Power 公司專注于為海上數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提供遠(yuǎn)程千瓦級(jí)電力，最初是通過參與DARPA 的一個(gè)名為“波浪能源浮標(biāo)系統(tǒng)”(WEBS) 的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的。

C-Power 通過 WEBS 項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)早期商機(jī)，即為水下機(jī)器人、海洋水下操作設(shè)備以及用于收集環(huán)境數(shù)據(jù)的公海傳感器進(jìn)行就地發(fā)電。在此之前，這些應(yīng)用需要使用昂貴、笨重的非充電機(jī)載電池供電，或從船舶或柴油發(fā)電機(jī)通過水下電線供電。隨著 AOPS 的發(fā)展，C-Power 可提供了一種自主、環(huán)保、同時(shí)可用作通信管道的海上電源，開啟了一扇無法想像的全新應(yīng)用之門。

SeaRAY 提高電源效率，增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信

名為 SeaRAY 的最新 AOPS 平臺(tái)是 C-Power 近期工作重點(diǎn)的關(guān)鍵，所帶來的電源系統(tǒng)能夠利用海浪發(fā)電 10W 到 1MW。為了在低級(jí)別的功率譜實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，C-Power 使用 Vicor 公司的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，設(shè)計(jì)了具有高功率重量比的 SeaRAY AOPS。小型化的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了機(jī)動(dòng)性和商業(yè)可行性，使 SeaRAY 更容易交付和安裝，從而可節(jié)省數(shù)萬(wàn)美元的日常運(yùn)營(yíng)成本。

C-Power 公司高級(jí)研發(fā)電氣工程師 Joe Prudell 表示：“我們真的需要寬范圍的 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器，這種電源在我們將脈沖海浪能轉(zhuǎn)換為半穩(wěn)定 DC 電源時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行控制和穩(wěn)壓。這項(xiàng)工作極具挑戰(zhàn)性。使用 Vicor 電源模塊能在不同功率下執(zhí)行這項(xiàng)工作，這的確是一大優(yōu)勢(shì)。”

圖2 SeaRAY 的設(shè)計(jì)可將信息從海洋直接發(fā)送到云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、自主數(shù)據(jù)通信。使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信在云端和 SeaRAY AOPS 之間實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，可以更頻繁地采集并提供更多、更豐富的數(shù)據(jù)

此外，SeaRAY 設(shè)計(jì)還可實(shí)現(xiàn)自主遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，將海洋發(fā)生的事件實(shí)時(shí)傳輸至云端。以前，海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的廣度和頻率上都有限制。使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信在云端和 SeaRAY 之間實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，可以更頻繁地采集并提供更多、更豐富的數(shù)據(jù)。

從不斷變化的電能來源中采集能量

C-Power 的主要電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是協(xié)調(diào)整合復(fù)雜的海浪能與 SeaRAY 苛刻的電源轉(zhuǎn)換需求。這包括超寬的 30:1 輸入范圍，它反映了海浪不可預(yù)測(cè)的特性。Vicor 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)能夠高效轉(zhuǎn)換電源并為儲(chǔ)能設(shè)備充電的系統(tǒng)。此外，該單元還可接受來自 C-Power 系統(tǒng)的外部控制信號(hào)，以實(shí)時(shí)匹配精確的電源轉(zhuǎn)換需求。

C-Power 首席執(zhí)行官 Reenst Lesemann 指出：“能夠?qū)⒎浅＜值碾娫磁渲棉D(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)用解決方案，然后對(duì)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)并將其轉(zhuǎn)化為可用于多種移動(dòng)及靜態(tài)負(fù)載的可用能源，的確是一種領(lǐng)先技術(shù)。這是其他公司無法做到的?！?/p>

SeaRAY 的可擴(kuò)展電源設(shè)計(jì)使用 Vicor BCM?固定比率母線轉(zhuǎn)換器和PRM? 穩(wěn)壓器模塊，及復(fù)雜的多級(jí)分立式轉(zhuǎn)換器，可高效轉(zhuǎn)換洶涌、不可預(yù)測(cè)的波浪動(dòng)能并提供可受控制的電源。這幫助 C-Power 將 SeaRAY 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換效率從 50% 左右提高到了 85% 至 94% 之間。

圖 3 SeaRAY使用 Vicor BCM^? 固定比率轉(zhuǎn)換器和PRM? 穩(wěn)壓器模塊，及複雜的多級(jí)分立式轉(zhuǎn)換器，可高效轉(zhuǎn)換洶湧、不可預(yù)測(cè)的波浪動(dòng)能並提供可受控制的平穩(wěn)電源。這幫助 C-Power 將 SeaRAY 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換效率從 50% 左右提高到超過 90%。

Vicor 穩(wěn)定寬輸入 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的使用為 C-Power 提供了急需的控制，因?yàn)?SeaRAY 不僅可將脈沖海浪電源轉(zhuǎn)換為各準(zhǔn)位的 穩(wěn)定的DC 母線電源，同時(shí)還可在不同的功率下產(chǎn)生恒流。此外，Vicor 模塊中使用的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)溥€有助于最大限度降低 SeaRAY 上的電磁干擾和噪聲，以免影響傳感器測(cè)量精度。

Lesemann 表示：“有很多公司都在嘗試捕獲并轉(zhuǎn)換波浪動(dòng)能，但能在緊湊的小型封裝中實(shí)現(xiàn)并從運(yùn)營(yíng)和物流的角度滿足客戶需求又是另一回事。這就是我們?cè)?Vicor 的幫助下，能夠比其它公司做得更好的地方?！?/p>