新能源前沿：從海浪中獲取能量

利用海浪能量的能力是一個快速發展的領域，可在海洋研究、水產養殖和國防領域提供全方位的應用。Columbia Power Technologies (C·Power) 通過為海上活動提供清潔發電、存儲和數據通信服務，幫助擴大海洋經濟。C·Power 的自主海上電力系統 (AOPS) 從波浪中捕獲機械能，并通過利用 Vicor 的電源模塊將其轉換為可用能量。

C·Power 高級研發電氣工程師 Joe Prudel 強調，SeaRAY AOPS 規模的波浪收集是一種能量轉換過程，它使用 Vicor 提供的模塊在廣泛的波浪氣候范圍內有效地產生電力。“電源模塊使我們能夠在更廣泛的惡劣環境條件下運行。SeaRAY 在石油和天然氣行業有多種應用，例如為海上傳感器或工業泵供電。所有 AOPS 都可以與不同類型的儲能相結合，從而擴展了應用范圍。”

Vicor 和 C·Power 團隊設計了一種解決方案，通過隨著輸入波浪能量的變化對輸出電壓進行動態調節，以適應交流信號中海浪的超寬 30:1 輸入范圍（從猛烈的風暴到相對安靜的條件）。

收獲海洋能源

C·Power的宗旨是為海上數據傳輸網絡提供千瓦級的電力解決方案。C·Power 將其業務重點放在水下航行器的本地化發電上，該項目源于他們通過 DARPA 一項名為 Wave Energy Buoy Systems (WEBS) 的計劃收集環境數據的項目。過去，這些應用由昂貴、笨重且不可充電的機載電池或由船舶或柴油發動機供電的水下電纜供電。因此，一個綠色、節能和具有成本效益的解決方案的概念誕生了。

因此，C·Power 為新應用打開了大門，它是一種自主的、環保的、能夠將數據通信加倍的海洋電源。SeaRAY 是 C·Power 的 AOPS 平臺，它通過從海浪中產生 10W 到 1MW 的電源解決方案來提高能源效率和數據通信。C·Power 使用 Vicor Corporation 的電源轉換技術創建了具有高功率重量比的設計。

“為了捕獲這些電壓脈沖，我們需要一種真正有效且開銷最小的方法。” 普魯德爾說。“因此，我們必須弄清楚如何將骯臟的脈沖電壓從低至 15 V 轉換為高達 400 V，并產生調節電流以穩定地為電池充電。這個想法是利用 Vicor 所做的無源 DC-DC 系統，將交流電壓整流為直流，為存儲充電。Vicor 的 BCM 升壓轉換器使我們能夠將傳輸電壓提高到 370 V DC。然后，我們還有一個板載電池，可以為浮標供電，”

SeaRAY 的設計還支持自主和遠程數據通信，允許從海洋到云端的實時數據傳輸。以前，海洋數據收集系統的數據收集頻率曾經是有限的。通過更快的采集、增強離散化和提高測量質量，蜂窩網絡和衛星通信在云和 SeaRAY 之間傳輸實時數據，可以快速收集和傳播數據。

C·Power 系統的基本構建塊具有全功率轉換、類似的能量存儲和通過變壓器連接到電網（圖 1）。

圖 1：SeaRAY 設計。電纜允許傳輸數據和能量（來源：Vicor）

超交流電壓的電源管理?

設計 C·Power 電子產品最具挑戰性的方面是平衡海浪能的不同特性。海浪的不可預測性需要一個能夠有效傳輸電力和為能量存儲設備充電的系統。SeaRAY 的電力電子設備年度轉換效率目標是使用 Vicors BCM 固定比率總線轉換器和 PRM 調節器模塊實現的。效率因波輸入范圍寬而變化，但在峰值波輸入時效率高達 94%。盡管海浪洶涌且不可預測，BCM 和 PRM 架構仍可通過來自 SeaRAY 機載發電機的高度變化的功率脈沖提供穩定和連續的電流（圖 2 和圖 3）。

圖 2：SeaRAY 使用 Vicor BCM 固定比率總線轉換器和 PRM 調節器模塊（來源：Vicor）

Vicor 的 DC-DC 轉換器用于將來自 SeaRAY 發生器的脈沖信號可變幅度和頻率交流電源轉換為不同功率級別的連續電流。此外，Vicor 模塊的電源轉換拓撲有助于減少板上的電磁干擾和噪聲。

“因此，如果我們能夠為海底的電池持續充電，那么海洋中的那個點就可以成為一個觀察點，而無需更換水下電池。” 普魯德爾說。“我們使用由波浪能浮充電的磷酸鐵鋰電池。我們還實施了鋰離子電池，并且我們還在使用超級電容器來調節能量。隨著電池技術的發展，我們也嘗試使用不同類型的電池。但是我們確實需要中間能量存儲才能從脈沖波能量轉換為某種形式的可用直流能量。通常，這些設備中的大多數都具有 GPS 和實時通信作為警報系統，”

Prudel 指出 Vicor 的電源模塊對于保持 SeaRay AOPS 的可靠運行至關重要，即使在平靜的水域中也是如此，在平靜的水域中，必須保存機載電源以確保系統正常運行時間。?