一種弱海流葉輪發(fā)電儲(chǔ)電系統(tǒng)研究

李 旺，王育才，黃 闖，宋博義

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072）

0 引言

目前，隨著化石燃料資源的日益枯竭，對(duì)海洋能源的有效利用已成為當(dāng)前世界上主要沿海國(guó)家的戰(zhàn)略性選擇[1]。海流能是指海水流動(dòng)的動(dòng)能，是一種以動(dòng)能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。海流能的主要利用方式為發(fā)電，其原理與風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電類似，依靠海流的沖擊力使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，故又稱“水下風(fēng)車”[2]。一般來說，弱海流廣泛存在于各處海域[3]，開發(fā)弱海流發(fā)電可以為各種海洋設(shè)備提供可持續(xù)的能量。海流能葉輪發(fā)電裝置輸出的是交流電，無法直接儲(chǔ)存和利用。因此，提出將儲(chǔ)電系統(tǒng)作為后置處理裝置，將輸出的交變電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，能夠解決這一問題。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

葉輪發(fā)電儲(chǔ)電系統(tǒng)由電能存儲(chǔ)和充電子系統(tǒng)以及內(nèi)測(cè)、控制子系統(tǒng)構(gòu)成，其原理構(gòu)成如圖1所示。

圖1 發(fā)電和存儲(chǔ)系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)功能

葉輪發(fā)電儲(chǔ)電系統(tǒng)的功能主要有：

a.當(dāng)電機(jī)工作于發(fā)電工況時(shí)，通過二極管向電容器充電并向電壓調(diào)整模塊提供電能，電壓調(diào)整模塊和充電管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。

b.當(dāng)電機(jī)超轉(zhuǎn)致使其系統(tǒng)電壓可能過高時(shí)，通過高速開關(guān)向泄流負(fù)載提供電流，加大電機(jī)轉(zhuǎn)矩，降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，確保系統(tǒng)不超載。

c.利用電機(jī)軸上的編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過電樞電流的測(cè)量得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通過電流、電壓的測(cè)量得到系統(tǒng)電功率，測(cè)量值儲(chǔ)存于Flash中。

d.測(cè)量、高速開關(guān)的控制等功能均由單片機(jī)及其輔助電路實(shí)現(xiàn)。

2 電能存儲(chǔ)和充電子系統(tǒng)

2.1 基本原理

系統(tǒng)將海流沖擊葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電能，通過處理后存儲(chǔ)在蓄電池中，以供利用?？傮w來說，系統(tǒng)電路分為電能存儲(chǔ)和控制記錄2部分。電能存儲(chǔ)電路包括過壓反向保護(hù)電路、電流監(jiān)測(cè)電路、儲(chǔ)電電容、過壓泄流兼電壓監(jiān)測(cè)電路、DC-DC模塊和充電管理電路6部分；控制記錄部分是MCU內(nèi)測(cè)系統(tǒng)。電能存儲(chǔ)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

由海流驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生電能，電機(jī)的電壓輸出范圍是0V以上，而后端電路的可用電壓在3.5V以上，系統(tǒng)的過壓反向保護(hù)電路的作用是保護(hù)后端電路。電流監(jiān)測(cè)電路與過壓泄流兼電壓監(jiān)測(cè)電路的作用，在于監(jiān)測(cè)電路中的電流電壓值并送入MCU內(nèi)測(cè)系統(tǒng)中。同時(shí)，后者還用于電路過壓保護(hù)。DCDC模塊電路用于輸出某一恒定電壓。

2.2 系統(tǒng)電路硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 過壓反向保護(hù)電路

電路主要由LTC4365和2個(gè)MOS開關(guān)管組成。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速過快或過慢時(shí)開關(guān)斷開，當(dāng)電壓在安全范圍以內(nèi)時(shí)MOS開關(guān)閉合，這樣可以起到保護(hù)后端的電路和提高電能利用率的作用。過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)的門限值通過改變電阻R1，R2，R26，R28的阻值來設(shè)定，電路如圖3所示。

圖3 過壓反向保護(hù)電路

2.2.2 電流監(jiān)測(cè)電路

電路的功能是監(jiān)測(cè)主干電路的電流，并將與電流正比的電壓值送入MCU內(nèi)測(cè)系統(tǒng)的ADC采樣。電路應(yīng)用INA213芯片，通過差模放大的原理放大變換后的電壓信號(hào)，在INA213的同向、反向輸入端加入R4，R5和C4進(jìn)行低通RC濾波，以濾除干擾。電路如圖4所示。

圖4 電流監(jiān)測(cè)電路

2.2.3 過壓泄流兼電壓監(jiān)測(cè)電路

電路的功能是當(dāng)前端電路電壓高于設(shè)定門限值14.5V時(shí)，自動(dòng)開啟泄流作用以達(dá)到降壓的目的，對(duì)后端電路有一定的保護(hù)作用。電路由2部分組成：由MOS開關(guān)管SI4497DY和三端并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431組成的過壓泄流電路；由R18，R39，C17組成的電壓監(jiān)測(cè)電路。電路如圖5所示。

圖5 過壓泄流兼電壓監(jiān)測(cè)電路

2.2.4 DC-DC模塊電路

電路的功能是將電機(jī)的輸出電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)的電路中，LT3759需要搭配外部MOS開關(guān)管搭建成SEPIC結(jié)構(gòu)電路。電路如圖6所示。

圖6 LT3759連接的SEPIC模式電路

2.2.5 充電管理電路

充電管理電路用一個(gè)比較器，通過電流反饋?zhàn)饔貌粩嗾{(diào)節(jié)DC-DC模塊輸出電壓，完成對(duì)鋰離子電池的恒流充電過程。電路中設(shè)計(jì)了電壓反饋和電流反饋2種反饋回路。電壓反饋是由R1，R2產(chǎn)生反饋電壓，使SEPIC電路穩(wěn)定到一個(gè)基本的輸出電壓。電流反饋通過R4采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過運(yùn)放U1和比較器U2產(chǎn)生反饋電壓。電路如圖7所示。

圖7 充電管理電路

3 內(nèi)測(cè)、控制子系統(tǒng)

內(nèi)測(cè)、控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)DC／DC變換器通路電流電壓參量的監(jiān)測(cè)、控制和記錄的功能。

3.1 內(nèi)測(cè)、控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MCU片上有豐富的模擬和數(shù)字模塊，利用片上12位ADC，采集電能存儲(chǔ)電路的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流等信號(hào)，并實(shí)時(shí)記錄到在電路板上的SD卡中。MCU片可以根據(jù)輸入電壓和輸入電流信號(hào)判定是否開始DC／DC電壓轉(zhuǎn)換；根據(jù)輸出電壓、輸出電流可以判斷鋰電池的充電狀態(tài)，并且根據(jù)所需的充電曲線，通過片上12位DAC產(chǎn)生控制電壓，來控制DC／DC電壓變換電路輸出的電壓。內(nèi)測(cè)、控制子系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 內(nèi)測(cè)、控制系統(tǒng)原理

3.2 內(nèi)測(cè)、控制子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序在上電之后進(jìn)行初始化，主要包括設(shè)定TimerA捕獲參數(shù)，TimerB計(jì)時(shí)參數(shù)，ADC轉(zhuǎn)換模式設(shè)定，DAC初始化設(shè)置。而后讀取外部撥碼開關(guān)的數(shù)值，確定工作狀態(tài)。

a.進(jìn)入數(shù)據(jù)導(dǎo)出工作狀態(tài)后初始化串口，進(jìn)入命令解析循環(huán)。當(dāng)上位機(jī)有命令輸入時(shí)按照命令執(zhí)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，數(shù)據(jù)導(dǎo)出，SD卡擦除程序。

b.當(dāng)進(jìn)入正常的記錄工作狀態(tài)，也就是在水下時(shí)正常的內(nèi)測(cè)和控制狀態(tài)，開啟TimerA，TimerB和ADC轉(zhuǎn)換。隨即根據(jù)電能存儲(chǔ)子系統(tǒng)輸出的電壓電流判斷鋰電池的充電狀態(tài)，計(jì)算DAC輸出的控制電壓的數(shù)值。此部分程序的代碼較少，實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不是很高，所以放在主程序的循環(huán)中。

c.在主程序循環(huán)時(shí)，3個(gè)中斷服務(wù)程序可以隨時(shí)打斷。3個(gè)中斷服務(wù)程序分別是：計(jì)數(shù)器A中斷服務(wù)程序，完成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量；計(jì)數(shù)器B中斷服務(wù)程序程序，完成10 ms中斷進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)記錄；SPI中斷服務(wù)程序，完成MCU向Micro SD卡中寫入數(shù)據(jù)。

主程序流程與中斷服務(wù)程序流程分別如圖9和圖10所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以可調(diào)直流穩(wěn)壓電源替代電機(jī)，穩(wěn)壓電源輸出電壓在3.5～14.5V之間變化，子系統(tǒng)的電池充電輸出端接電阻模擬充電負(fù)載，電池充電輸出端接示波器，分別進(jìn)行空載和帶載（模擬負(fù)載5.7Ω）2種條件下的實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，在空載和帶載的條件下，當(dāng)輸入電壓在3.5～14.5 V之間變化時(shí)，儲(chǔ)電系統(tǒng)均能輸出12V穩(wěn)定電壓。

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

儲(chǔ)電系統(tǒng)能夠?qū)⑷~輪發(fā)電系統(tǒng)輸出的交流電轉(zhuǎn)化為可以直接利用、儲(chǔ)存的直流電。在海流流速為0.1m／s的最小設(shè)計(jì)工況時(shí)，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，穩(wěn)定輸出12V電壓并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。在發(fā)電和電能存儲(chǔ)過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流和電壓等參數(shù)的記錄，可以用于對(duì)海洋探測(cè)設(shè)備、坐底設(shè)備提供持續(xù)能源。儲(chǔ)電系統(tǒng)能夠作為葉輪海流能發(fā)電系統(tǒng)、海洋晃動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)等的后置處理模塊，具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1]劉美琴，仲 穎，鄭 源，等.海流能利用技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].可再生能源，2009，27（5）：78-80.

[2]鄧隱北，熊 雯.海洋能的開發(fā)與利用[J].可再生能源，2004，（3）：70-72.

[3]余 志.海洋能源的種類[J].太陽能，1999，（4）：25.