野戰方艙智能電源系統設計研究

摘要：為了更好地促進(jìn)軍民融合式后勤保障體系，以民間科技手段不斷改進(jìn)部隊保障裝備，針對野戰方艙供電系統的難題，提出利用風(fēng)能、太陽(yáng)能兩種最方便、無(wú)污染、無(wú)噪音的綠色再生資源。提出的野戰方艙智能電源系統設計方案，很好地綜合了風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)，可以為野戰方艙提供連續、可靠的電力供應，系統維護量少、使用方便，能夠解決野戰方艙的各種用電需求，確保野戰方艙正常運轉。
關(guān)鍵詞：野戰方艙；軍民融合式后勤保障體系；智能電源；風(fēng)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(jìn)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(shù)成果經(jīng)過(guò)適應性開(kāi)發(fā)研究，移植于武器裝備研制和國防科研生產(chǎn)的一種工程技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)，這對于充分利用社會(huì )資源、逐步建立適應武器裝備建設需要和市場(chǎng)經(jīng)濟發(fā)展要求的軍品市場(chǎng)監管體系，具有重要的現實(shí)意義。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、裝備的日益復雜化以及戰爭條件的日趨嚴酷，對后勤保障起關(guān)鍵作用的野戰方艙的性能要求也越來(lái)越高，野戰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，還應具有穩定、方便、可靠的電源系統。
我國可再生能源的儲備十分豐富，其中以太陽(yáng)能和風(fēng)能尤為突出。風(fēng)能和太陽(yáng)能具有天然的互補性：白天日照強，太陽(yáng)能豐富；晚上風(fēng)多，風(fēng)能充足。夏日和冬日風(fēng)能和太陽(yáng)能也有很好的互補效果，風(fēng)力太陽(yáng)能互補系統的特點(diǎn)使它能成為持續穩定供電的電源。由于野戰方艙的工作地區基本沒(méi)有電力供應，本文設計的風(fēng)光互補智能投切電網(wǎng)系統可以作為獨立的電源系統應用于野戰方艙中，因此具有相當大的優(yōu)勢。它不但能達到大量節能的目標，并且安裝程序大大簡(jiǎn)化，應用和維護都方便許多，能夠滿(mǎn)足后勤保障快速穩定的供電要求。

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(xué)發(fā)展觀(guān)為指導，以使命任務(wù)為牽引，以提高遂行多樣化軍事任務(wù)綜合保障能力為目標，客觀(guān)上要求必須摒棄傳統的思想框架，把戰區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(wù)”上，統籌各項能力建設，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任務(wù)應具備的綜合能力，其中包括戰爭方式的軍事行動(dòng)和非戰爭方式的軍事行動(dòng)，這就要求從優(yōu)化保障體制、改進(jìn)保障裝備、提高指揮自動(dòng)化建設水平等方面入手，以提高保障效益，增強保障能力。

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

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

圖1中，太陽(yáng)電池方陣的支路通過(guò)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(yáng)電池方陣對蓄電池的充電過(guò)程，當蓄電池組的充電電壓到達設定的最高充電電壓時(shí)，自動(dòng)依次切斷一個(gè)或數個(gè)方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓繼續增長(cháng)，確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲存太陽(yáng)電池發(fā)出的電能。
(2)風(fēng)力發(fā)電系統
風(fēng)力發(fā)電系統的風(fēng)輪通過(guò)可折疊的支架安裝在野戰方艙頂部，使用時(shí)打開(kāi)支架現場(chǎng)安裝風(fēng)輪，并調節風(fēng)輪的方向，不影響野戰方艙的運輸。風(fēng)輪將風(fēng)能通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)原理轉換成機械能，驅動(dòng)永磁同步發(fā)電機發(fā)出與風(fēng)速成一定關(guān)系的交流電，經(jīng)整流變成直流電，并經(jīng)過(guò)變換器為各部分負載供電。風(fēng)力發(fā)電機的設計功率可根據野戰方艙供電容量的實(shí)際需要進(jìn)行調整。其主要作用是有風(fēng)情況下，向野戰方艙提供電力，并將多余電能儲存在蓄電池里。
(3)蓄電池系統
蓄電池系統主要由鉛酸蓄電池組組成，其主要作用是平時(shí)將多余的風(fēng)電或光電儲存，在即無(wú)風(fēng)，又無(wú)光的情況下，向野戰方艙提供電力。由于野戰方艙的工作環(huán)境比較復雜，且存在一定的不確定性，因此在本系統中選用了抗高低溫特性好的蓄電池，同時(shí)選配的蓄電池組除具有儲能的功能外，還具有一定的穩壓功能。
(4)柴油機組供電部分
當連續多日無(wú)太陽(yáng)、無(wú)風(fēng)且蓄電池系統儲存的電能已經(jīng)無(wú)法繼續支持負載的正常工作時(shí)，可啟動(dòng)備用柴油機組供電部分為負載供電。該系統利用原有的野戰方艙的柴油機組供電部分，未作功能性改動(dòng)。
3．2 系統基本原理
本文設計的風(fēng)光互補供電系統包括風(fēng)力發(fā)電機、太陽(yáng)能電池組件陣列、AC整流濾波模塊、電壓調節控制器、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(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電流與風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的交流電經(jīng)整流后，其中一部分通過(guò)電壓調節控制器、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(jìn)行充電，當陽(yáng)光或風(fēng)能不足時(shí)，蓄電池的電能通過(guò)逆變器轉化為交流電供交流負載使用。供電系統充分利用了太陽(yáng)能資源和風(fēng)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(wú)功率輸出，此時(shí)采用風(fēng)力發(fā)電機組和蓄電池組共同供電的模式。系統自動(dòng)檢測分析負載功率的大小，而采用風(fēng)力發(fā)電經(jīng)逆變器供電和蓄電池經(jīng)逆變器供電，即AC-DC-AC和PV-DC-AC，兩種模式復合供電，系統根據風(fēng)力發(fā)電系統的發(fā)電功率來(lái)確定兩者供電的比例，此模式能夠充分利用風(fēng)力發(fā)電系統發(fā)電，比常規的風(fēng)力發(fā)電系統中風(fēng)機的利用率提高10％～20％。