為海浪能采集實(shí)現重大工程突破

開(kāi)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)濟高效的海洋能源發(fā)與存儲，并實(shí)現全新的海上數據與通信服務(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，是波浪能系統的全球領(lǐng)先企業(yè)，通過(guò)為海上設備提供低可靠、經(jīng)濟高效的發(fā)電與存儲解決方案以及數據及通信服務(wù)，幫助擴展海洋經(jīng)濟。C-Power 自主海上無(wú)人電力系統 (AOPS) 可捕獲機械動(dòng)能并將其轉化為可用的電力，用于廣泛的海洋應用，如海洋油氣勘探與生產(chǎn)、海洋碳封存、海洋研究、水產(chǎn)養殖與國土防御等。

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)現各種新型海上應用的先鋒，這些應用包括油氣勘探與生產(chǎn)、海上碳封存、海洋研究、水產(chǎn)養殖與國土防御等。

采集千瓦級海洋能源

C-Power 成立于 2005 年，隨著(zhù)其在新興海洋能源采集領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，其核心業(yè)務(wù)已獲得長(cháng)足發(fā)展。當其他公司追求大型兆瓦級系統時(shí)，C-Power 公司專(zhuān)注于為海上數據通信網(wǎng)絡(luò )提供遠程千瓦級電力，最初是通過(guò)參與DARPA 的一個(gè)名為“波浪能源浮標系統”(WEBS) 的項目實(shí)現的。

C-Power 通過(guò) WEBS 項目，發(fā)現了一個(gè)早期商機，即為水下機器人、海洋水下操作設備以及用于收集環(huán)境數據的公海傳感器進(jìn)行就地發(fā)電。在此之前，這些應用需要使用昂貴、笨重的非充電機載電池供電，或從船舶或柴油發(fā)電機通過(guò)水下電線(xiàn)供電。隨著(zhù) 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(kāi)啟了一扇無(wú)法想像的全新應用之門(mén)。

SeaRAY 提高電源效率，增強數據通信

名為 SeaRAY 的最新 AOPS 平臺是 C-Power 近期工作重點(diǎn)的關(guān)鍵，所帶來(lái)的電源系統能夠利用海浪發(fā)電 10W 到 1MW。為了在低級別的功率譜實(shí)現目標，C-Power 使用 Vicor 公司的電源轉換技術(shù)，設計了具有高功率重量比的 SeaRAY AOPS。小型化的設計增強了機動(dòng)性和商業(yè)可行性，使 SeaRAY 更容易交付和安裝，從而可節省數萬(wàn)美元的日常運營(yíng)成本。

C-Power 公司高級研發(fā)電氣工程師 Joe Prudell 表示：“我們真的需要寬范圍的 DC-DC 電源轉換器，這種電源在我們將脈沖海浪能轉換為半穩定 DC 電源時(shí)，可以對其進(jìn)行控制和穩壓。這項工作極具挑戰性。使用 Vicor 電源模塊能在不同功率下執行這項工作，這的確是一大優(yōu)勢?！?/p>

圖2 SeaRAY 的設計可將信息從海洋直接發(fā)送到云端，實(shí)現遠程、自主數據通信。使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )和衛星通信在云端和 SeaRAY AOPS 之間實(shí)時(shí)傳輸數據，可以更頻繁地采集并提供更多、更豐富的數據

此外，SeaRAY 設計還可實(shí)現自主遠程數據通信，將海洋發(fā)生的事件實(shí)時(shí)傳輸至云端。以前，海洋數據采集系統在數據采集的廣度和頻率上都有限制。使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )和衛星通信在云端和 SeaRAY 之間實(shí)時(shí)傳輸數據，可以更頻繁地采集并提供更多、更豐富的數據。

從不斷變化的電能來(lái)源中采集能量

C-Power 的主要電源設計挑戰是協(xié)調整合復雜的海浪能與 SeaRAY 苛刻的電源轉換需求。這包括超寬的 30:1 輸入范圍，它反映了海浪不可預測的特性。Vicor 電源系統設計團隊提供了一個(gè)能夠高效轉換電源并為儲能設備充電的系統。此外，該單元還可接受來(lái)自 C-Power 系統的外部控制信號，以實(shí)時(shí)匹配精確的電源轉換需求。

C-Power 首席執行官 Reenst Lesemann 指出：“能夠將非常棘手的電源配置轉化為經(jīng)濟高效的實(shí)用解決方案，然后對電源進(jìn)行調節并將其轉化為可用于多種移動(dòng)及靜態(tài)負載的可用能源，的確是一種領(lǐng)先技術(shù)。這是其他公司無(wú)法做到的?！?/p>

SeaRAY 的可擴展電源設計使用 Vicor BCM?固定比率母線(xiàn)轉換器和PRM? 穩壓器模塊，及復雜的多級分立式轉換器，可高效轉換洶涌、不可預測的波浪動(dòng)能并提供可受控制的電源。這幫助 C-Power 將 SeaRAY 設計的轉換效率從 50% 左右提高到了 85% 至 94% 之間。

圖 3 SeaRAY使用 Vicor BCM^? 固定比率轉換器和PRM? 穩壓器模塊，及複雜的多級分立式轉換器，可高效轉換洶湧、不可預測的波浪動(dòng)能並提供可受控制的平穩電源。這幫助 C-Power 將 SeaRAY 設計的轉換效率從 50% 左右提高到超過(guò) 90%。

Vicor 穩定寬輸入 DC-DC 轉換器的使用為 C-Power 提供了急需的控制，因為 SeaRAY 不僅可將脈沖海浪電源轉換為各準位的 穩定的DC 母線(xiàn)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換拓撲還有助于最大限度降低 SeaRAY 上的電磁干擾和噪聲，以免影響傳感器測量精度。

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