馬全黨，謝 娜，焦戰(zhàn)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(shù)、多功能、大容量實時傳輸?shù)暮Ｑ笥^測傳感器的需求。因此多種能源互補發(fā)電系統(tǒng)成為了海洋資料浮標系統(tǒng)能源供給的首選方案。

國內(nèi)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(fā)電系統(tǒng)，實現(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[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)三級轉換，損耗大；文獻[3]采用模糊整數(shù)規(guī)劃算法優(yōu)化配置光伏/蓄電池動力源，但對連續(xù)陰雨天數(shù)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(jù)典型區(qū)域的氣象條件提出太陽能電池的配置方案，利用雙轉子發(fā)電機完成風能和潮流能的一體化發(fā)電，采用磁懸浮軸承減小雙轉子發(fā)電機的機械摩擦功耗。該裝置可避免因太陽能不穩(wěn)定所致的電能供給短缺，且結構輕便，發(fā)電效率高。

該裝置包括①光伏發(fā)電模塊、②風流協(xié)同發(fā)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(shù)設計。該裝置可以充分利用海洋能源，使浮標在更惡劣的環(huán)境下實現(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

在此設計太陽能光伏發(fā)電模塊與風流發(fā)電模塊協(xié)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(qū)作為典型區(qū)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(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準單位，則每月的太陽總輻照度均可換算為相應數(shù)量的峰值日照時數(shù)，全年月平均峰值日照時數(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(nèi)的發(fā)電量既要滿足基本用電需求，又要控制上限以實現(xiàn)資源的合理利用。全年最小月平均日照時數(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(tài)的參數(shù)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(shù)，（%）；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(tǒng)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(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(fā)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(lián)的電池數(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”，以滿足設備要求。經(jīng)測量和計算，該太陽能光伏組件技術參數(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 風流協(xié)同發(fā)電模塊

3.1 整體運行機理及發(fā)電機模型建立

雙轉子發(fā)電機使傳統(tǒng)發(fā)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(fā)電系統(tǒng)的結構如圖1所示。由圖可見，風力發(fā)電機傳動軸與外轉子共軸，水輪機傳動軸與內(nèi)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(fā)電。風力機與水輪機軸承系統(tǒng)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(fā)電機結構Fig.1 Structure of airflow double-rotor generator

參考永磁同步發(fā)電機的運動方程[5]，得到雙轉子發(fā)電機的運動方程為

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

內(nèi)外轉子受到的電磁轉矩大小相等，發(fā)電機穩(wěn)定運行時，F(xiàn)1和F2為常數(shù)，此時機械轉矩與內(nèi)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(shù)，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(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(shù)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(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)與其葉尖速比存在較大關聯(lián)，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(shù)目為4～2，考慮到風機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與高效性，選取葉片數(shù)為4。風力機主要參數(shù)見表3。

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

3.4 水輪機參數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)為3。水輪機主要參數(shù)見表4。

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

3.5 磁軸承參數(shù)設計

風流協(xié)同發(fā)電模塊采用磁懸浮軸承以減小發(fā)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(wěn)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(wěn)定裝置保證其懸浮的穩(wěn)定性。

對于垂直軸發(fā)電機，當電磁吸力與各部分重力及外擾力平衡時，轉軸系統(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(shù)據(jù)進行軸承設計，流體斜向上或斜向下等產(chǎn)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(jù)文獻[8]，計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，減小了電機工作中的電磁和機械阻力矩，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(fā)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(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，以保證其長時間處于良好的放電狀態(tài)。

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(tǒng)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(xiàn)過充和過放保護及整流穩(wěn)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(tǒng)試驗

以江蘇中部沿海的氣象資料為依據(jù)，選取當?shù)啬橙盏娘L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(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，該時段發(fā)電量占全天總發(fā)電量的89%；風流發(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，因此太陽能發(fā)電模塊與風流發(fā)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(shù)據(jù)，計算浮標全年各月供電曲線。由圖4所示全年發(fā)電曲線可見，夏季光伏發(fā)電量多，冬季風能潮流能資源豐富，風流發(fā)電量多，其次在夏季的8月份也出現(xiàn)了風流發(fā)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(fā)電量Fig.4 Annual average monthly power generation

圖5為浮標全年每月總發(fā)電量的余值，在12個月份中，只有1，2，9月份的發(fā)電余量為負值，可配合磷酸鐵鋰內(nèi)儲蓄的電量維持浮標的正常工作，其中浮標發(fā)電余量最小值為-1.3 kW·h，為電池容量的18.9%。因此該浮標的供電系統(tǒng)可以實現(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(wěn)定性，結合其與風流協(xié)同發(fā)電模塊的協(xié)調(diào)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(xié)同發(fā)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(shù)學模型，并對其主要參數(shù)進行了設計。所設計的電源模塊實現(xiàn)了對電能的儲存、釋放與管理。研究表明該供能系統(tǒng)可穩(wěn)定滿足浮標用電設備的電能需求。