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新能源前沿：从海浪中获取能量

2021-09-13 11:29:00

利用海浪能量的能力是一个快速发展的领域，可在海洋研究、水产养殖和国防领域提供全方位的应用。Columbia Power Technologies (C·Power) 通过为海上活动提供清洁发电、存储和数据通信服务，帮助扩大海洋经济。C·Power 的自主海上电力系统 (AOPS) 从波浪中捕获机械能，并通过利用 Vicor 的电源模块将其转换为可用能量。

C·Power 高级研发电气工程师 Joe Prudel 强调，SeaRAY AOPS 规模的波浪收集是一种能量转换过程，它使用 Vicor 提供的模块在广泛的波浪气候范围内有效地产生电力。“电源模块使我们能够在更广泛的恶劣环境条件下运行。SeaRAY 在石油和天然气行业有多种应用，例如为海上传感器或工业泵供电。所有 AOPS 都可以与不同类型的储能相结合，从而扩展了应用范围。”

Vicor 和 C·Power 团队设计了一种解决方案，通过随着输入波浪能量的变化对输出电压进行动态调节，以适应交流信号中海浪的超宽 30:1 输入范围（从猛烈的风暴到相对安静的条件）。

收获海洋能源

C·Power的宗旨是为海上数据传输网络提供千瓦级的电力解决方案。C·Power 将其业务重点放在水下航行器的本地化发电上，该项目源于他们通过 DARPA 一项名为 Wave Energy Buoy Systems (WEBS) 的计划收集环境数据的项目。过去，这些应用由昂贵、笨重且不可充电的机载电池或由船舶或柴油发动机供电的水下电缆供电。因此，一个绿色、节能和具有成本效益的解决方案的概念诞生了。

因此，C·Power 为新应用打开了大门，它是一种自主的、环保的、能够将数据通信加倍的海洋电源。SeaRAY 是 C·Power 的 AOPS 平台，它通过从海浪中产生 10W 到 1MW 的电源解决方案来提高能源效率和数据通信。C·Power 使用 Vicor Corporation 的电源转换技术创建了具有高功率重量比的设计。

“为了捕获这些电压脉冲，我们需要一种真正有效且开销最小的方法。” 普鲁德尔说。“因此，我们必须弄清楚如何将肮脏的脉冲电压从低至 15 V 转换为高达 400 V，并产生调节电流以稳定地为电池充电。这个想法是利用 Vicor 所做的无源 DC-DC 系统，将交流电压整流为直流，为存储充电。Vicor 的 BCM 升压转换器使我们能够将传输电压提高到 370 V DC。然后，我们还有一个板载电池，可以为浮标供电，”

SeaRAY 的设计还支持自主和远程数据通信，允许从海洋到云端的实时数据传输。以前，海洋数据收集系统的数据收集频率曾经是有限的。通过更快的采集、增强离散化和提高测量质量，蜂窝网络和卫星通信在云和 SeaRAY 之间传输实时数据，可以快速收集和传播数据。

C·Power 系统的基本构建块具有全功率转换、类似的能量存储和通过变压器连接到电网（图 1）。

图 1：SeaRAY 设计。电缆允许传输数据和能量（来源：Vicor）

超交流电压的电源管理

设计 C·Power 电子产品最具挑战性的方面是平衡海浪能的不同特性。海浪的不可预测性需要一个能够有效传输电力和为能量存储设备充电的系统。SeaRAY 的电力电子设备年度转换效率目标是使用 Vicors BCM 固定比率总线转换器和 PRM 调节器模块实现的。效率因波输入范围宽而变化，但在峰值波输入时效率高达 94%。尽管海浪汹涌且不可预测，BCM 和 PRM 架构仍可通过来自 SeaRAY 机载发电机的高度变化的功率脉冲提供稳定和连续的电流（图 2 和图 3）。

图 2：SeaRAY 使用 Vicor BCM 固定比率总线转换器和 PRM 调节器模块（来源：Vicor）

Vicor 的 DC-DC 转换器用于将来自 SeaRAY 发生器的脉冲信号可变幅度和频率交流电源转换为不同功率级别的连续电流。此外，Vicor 模块的电源转换拓扑有助于减少板上的电磁干扰和噪声。

“因此，如果我们能够为海底的电池持续充电，那么海洋中的那个点就可以成为一个观察点，而无需更换水下电池。” 普鲁德尔说。“我们使用由波浪能浮充电的磷酸铁锂电池。我们还实施了锂离子电池，并且我们还在使用超级电容器来调节能量。随着电池技术的发展，我们也尝试使用不同类型的电池。但是我们确实需要中间能量存储才能从脉冲波能量转换为某种形式的可用直流能量。通常，这些设备中的大多数都具有 GPS 和实时通信作为警报系统，”

Prudel 指出 Vicor 的电源模块对于保持 SeaRay AOPS 的可靠运行至关重要，即使在平静的水域中也是如此，在平静的水域中，必须保存机载电源以确保系统正常运行时间。