水质监测无人船的辅助能源系统研究

郁 诚，王 铭，赵宇轩

（1.天津大学化工学院，天津 300000；2.江西科技学院，江西 南昌 330098；3.江苏大学京江学院，江苏 镇江 212013）

1 智能化风光互补发电系统

水质监测无人船智能化风光互补发电系统如图1所示，利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出；系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、智能控制器、蓄电池组、逆变器、交流负载、直流负载等组成。根据水质监测无人船的空间合理地进行设计、布局，可以高效率地将太阳能、风能转化成电能[3-4]；智能控制器实时控制蓄电池组的充电与放电；逆变器实现电流转换，将蓄电池组提供的直流电转换成交流电为交流负载供电，提高能源的利用率。

图1 智能化风光互补发电系统

该系统是集风能、太阳能能源发电技术及智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统[5]。可适应多种运行环境，控制方便，在保证同样供电的情况下，可减少储能蓄电池的容量。系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。理论上，水质监测无人船所需要的电力能源基本可以自给自足。

2 太阳能发电系统

太阳能发电系统中，最基本的单元是太阳能电池，把一系列的太阳能电池通过排列后，再串联、并联组成光伏阵列。“光生伏特”效应是太阳能电池的能量转换原理。当太阳发出的光照射线照射到P-N结上，形成光生的电子-空穴对，内建电场会在太阳能电池内产生，空穴会在内建电场的影响下流入P区，与此同时，电子将会流入N区。此时两端接通产生回路，电路中就会有电流产生。目前，市场上主流的太阳能电池的种类有三种：单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。其中，转换率最高的是单晶硅，可高达至24%；多晶硅次之，仅12%左右；非晶硅最差，而且转化率也不稳定。太阳能发电的通用公式：

式中，L为年发电量；Q为年辐射总量；S为受热面积；η为光伏组件的转换效率；η1环境影响系数。通过公式（1）可以看出，年发电量L与年辐射总量、光伏电池的转换效率、发电环境等各方面因素相关。

3 风能发电系统

气流的流动产生了风[6]，对于水质监测无人船，可以使用小型水平轴的风力发电机组，如图2所示。与垂直轴相比，水平轴风力发电机具有启动风速低、更适宜在水面上工作等优点。其主要部分为风轮、风轮叶片、风力发电机、支撑架等。

图2 水平轴风力发电机示意图

当气流流过风轮叶片时就会形成动能，然后带动风轮旋转形成机械能，再把机械能传递给发电机，通过发电机实现机械能与电能的转换，这就是风力发电的基本原理。风流过截面的能量称为风能，又叫风的功率（W）。其公式为：

式（2）中，ρ为空气密度（在标准的大气压强下ρ=1.225 5 kg/m3）；V为风速（m/s）；A为叶片扫掠一圈的受力面积（m2）。

通过风力发电机的特性，由贝兹定律可以得出[7]，风力发电机的机械功率表示为Pm：

式（3）中，ρ为空气密度（kg/m3）；V为风速（m/s）；R为叶片的长度；Cp为风能利用系数。（由贝兹定律得出：Cp≈0.593。实验表明，风能的利用系数Cp将会小于0.593[2]，一般在0.15~0.5之间。）

4 储能与转换

蓄电池是水质监测无人船的能源核心，给船上的各种监测设备提供能源并用来存储风力、太阳能发电的储能元件；充电和放电是蓄电池的两个主要功能，科学选择蓄电池的材料与合理的使用方法，可以有效提高蓄电池的寿命以及整个系统的效率[8]。目前，较为广泛使用的蓄电池种类有锂离子电池、铅酸蓄电池[9]。其中，锂离子蓄电池有使用寿命长、自放电率低、绿色环保、充电的接受性能极好，同体积下与铅酸蓄电池相比重量轻和存储能量大等优点；缺点是价格贵，需要保护线路，防止过充电、过放电等。对于监测无人船的空间结构而言，需要蓄电池具有更小体积、更高存储的容量以及绿色无污染等优点。所以，用锂离子蓄电池作为水质监测无人船的存储能源装置更为合适。同时，智能控制器能检测锂离子电池的电量，防止过充与过放，避免对电池造成损伤[10]，智能控制器也能控制逆变器，完成电流的转换，以供交流负载设施使用。蓄电池在充电时，电流与电压的变化曲线如图3所示。

图3 蓄电池充电时电压与电流的变化曲线

5 仿真测试

设定温度为20 ℃，风速8 m/s，光照强度200 W/m2，负载150 W，10 min后风速降为2 m/s，20 min后光照强度降为100 W/m2，30 min后负载加大到300 W模拟恶劣环境下的系统状况。当辅助能源发电量下降时，智能控制器将会立即小幅调动蓄电池的能源；当负载加大时，智能控制器大幅度调动蓄电池的能源，以保证负载设备能正常运作。

6 总结

展望未来，绿色的可再生能源的获取将会成为一种新的趋势，将会有更多的设备与可再生能源挂钩。本文设计的系统是在已有的技术基础上，对硬件和软件的合理性进行设计并改进，为水质监测无人船设计了一个更稳定、更加可靠的系统方案。对可再生能源的利用，减少了环境的污染与能源的消耗，不仅可以提升水质检测无人船的持续航行能力，实现连续、实时监测；而且能节约大量的财力和人力，有助于我国能源的可持续发展。