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无人船能源系统的设计、仿真及实验评估
文章信息：
文章历史：2018年2月3日在线提供
关 键 词：再生能源 电力供应 能源建模 效率
摘要
虽然化石燃料是世界上最丰富，最经济，最可靠的能源生产方式，但长期使用也将会引起严重的问题。这作为一个严重的问题已经在科学界引起共识。另一方面，可再生能源作为能源生产的替代品发挥着关键作用。环境问题和化石燃料的耗竭为使用可再生资源的电动和混合动力汽车，特别是在交通运输方面，铺平了道路。
本研究探讨了太阳能在一艘名叫Morvarid无人船能源系统中的重要性，该无人船有望自主完成测深任务。在描述Morvarid的能量系统的主要部分之前，回顾了最重要的和相关的研究。然后通过数值计算和建模，为Morvarid能量系统选择最合适的组分。提出了一种8千瓦时锂离子电池插电式混合管理系统。对全年光伏阵列面积进行了建模，得到了表面面积为8平方米的光伏阵列是最佳选择的结论。最后一节通过试验验证了船舶电源管理的可靠性和能源安全。在奇加湖的实验测试表明，Morvarid的发电系统使用太阳跟踪器，每天可以产生5.8千瓦时的能量。所建议的能源管理系统优化了可用能源的使用，使船只在三天的阴天内，每天最多可工作7小时而无需充电。当只在日常工作中使用能源时，船在晴天甚至不需要充电。
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1.介绍
社会对环境问题的日益认识和对地球资源的合理利用已使公共行政部门表现出越来越大的关注。因此，为了从这一新的角度处理经济和社会发展问题，专门有就如何提高生活质量和扩大环境保护和可持续发展的研究。在这方面，可再生能源似乎是解决有限矿物燃料及其对环境的有害影响问题的最高效和最有效的办法。有两个主要原因迫使人们寻找矿物燃料的替代资源;首先，它们不是以任何显著的速度新形成的，因此目前的储备是有限的。其次，环境污染是化石燃料不可避免的副产品，它会加剧全球变暖并引发其他问题。
资源的存储生命周期定义为已知可获得的数量除以当前使用的速度。因此，乐观地说，石油或天然气资源的寿命只有几十年，而煤炭的寿命只有几百年[1]。随着燃料储量使用年限的缩短，储量的开采难度加大，需要更先进的技术，导致燃料价格上涨。后来，替代来源不得不进入市场，虽然价格昂贵。可再生能源使各国免受铀、天然气和煤炭价格波动、贸易和运输问题的影响，并有可能改善矿物资源匮乏国家的能源安全[2]。矿物燃料供应的问题不仅与其数量有限有关，而且与诸如空气污染、臭氧损耗、酸雨、森林破坏，以及放射性物质的排放等环境问题有关。如果人类要在环境影响最小的情况下实现光明的能源未来，就必须同时考虑这些问题。有很多证据表明，如果人类继续破坏环境，未来将受到负面影响。化石燃料和核能的排放越来越多地决定了它们继续使用的另一个基本限制。电力部门对化石燃料的过度消耗是造成全球二氧化碳排放量最大的原因，同时也向环境排放了大量的其他污染物，如NOx、Sox、CO、PM和空气毒素。地球的大气和海洋受到来自地下物质如二氧化碳[3]的物质排放的影响。这些燃料的燃烧释放大量的二氧化碳和污染物到大气中，这大大提高了大气中二氧化碳的浓度。通过重复这一循环，温室效应将会加剧，从而在一个世纪或更短的时间内导致巨大的气候变化。因此，新工业的发展，预计将要更加有效和环保[4]。
可再生能源是一种可行的替代能源，可以减少对化石燃料的依赖，提高环境的可持续性。可再生能源，早在史前时期就为人类所熟知[5]。太阳是人类使用的第一种能源。风力、水力、地热、生物质能和潮汐是近几个世纪的新的可再生能源。光伏系统是最著名的可再生能源之一，发展迅速，在发达国家和发展中国家都很受欢迎。太阳能电池板通过光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电系统可以在大型并网电厂或小型独立系统中发电。在独立光伏发电机中，所产生的能量被直接利用或与存储(电池或能量储备组件)[6]相关联使用。
可再生太阳能，可以作为一种主要的来源，以满足在发展中国家和欠发达国家的能源短缺[7]，特别是在运输系统。光伏系统广泛应用于屋顶、免费区域和道路的发电。电动汽车和混合动力汽车是电动移动设备的常见例子。使用太阳能的电池充电器预计将在白天产生相当大的能量[8]。此外，智能充电是更有效的方式，利用太阳能发电过剩的太阳高峰期，为车辆储能[9]。
在海洋技术中给化石燃料船提供替代品问题的最佳解决方案之一是在船舶/船只上安装启用太阳能，因为它在海洋运输[10]中具有巨大的潜力。太阳能船可以沿着海岸线、河流、湖泊航行，执行预定的任务，尽管速度较低。太阳能动力的绿色生态旅游船似乎非常适合在旅游地区使用。在一项研究中，Khedari和Hirunlabh(2011)开发了一种光伏船原型，服务于曼谷和泰国游客[11]。除了一些著名的应用，在有许多旅游景点在河岸的泗水市(印度尼西亚)，一艘太阳能船投入使用[12]。太阳能也可以作为一艘船的总能量平衡的环保部分。能源供应系统的组合作为一种混合技术可以帮助实现更好和更有效的设备。例如，内陆渡轮可以使用太阳能和燃料电池，零排放船舶是一个具有吸引力的选择。另一方面，柴油和太阳能可以结合用于长途旅行。柴油电力驱动系统已经相当普遍。在一项研究中，一艘混合动力船是由柴油发电机、燃料电池和太阳能发电机分别以50%、30%和20%的比例组合而成。此外，太阳能和风能可以结合，使用固定帆配备太阳能电池板[13]。
1.1文献综述
第一艘太阳能船之一是1988年7月在瑞士博福特举行的世界第一届太阳能船比赛的获胜者。这艘名为科罗娜的太阳能船使用光伏发电驱动三相交流电机。在该研究中，特别关注的是优化包括机械部件在内的整个系统的水动力行为。结果表明，该方法适用于绝大多数内河船舶[14]。Torreglosa等人(2016)分析了光伏太阳能电池板和电池作为电动汽车充电站的最佳可能潜力。结果表明，该充电站运行良好，能量管理良好。主要贡献是电动汽车充电站(EVCS)的分散控制方案，使各能源独立工作，使得电动汽车充电站的扩展更容易实现[15]。在一项研究中，Becherif 等人(2011)研究了使用光伏板的电动汽车及其充电器电池的设计和尺寸。他们比较了不同的电池电动车(BEV)充电拓扑结构。对欧洲驾驶圈(ec -15)进行了仿真，并将仿真结果与汽车制造商提供的数据进行了比较。他们评估了这个BEV[16]的充电时间和充放电特性。了解电池的一般行为也很重要(例如电压对SOC和电流的依赖性)。Tremblay 等人(2007)用一个简单的模型表明，在放电曲线上只需要三个点，就可以准确地表示制造商的放电曲线[17]。电动汽车(ev)电池应具有高比能和高比功率，重量轻，能够储存和保护大量的能量和功率。选择的电池还应该有一个较长的生命周期，能够充放电尽可能多的次数，而不显示任何显著的性能下降。它应该能够在相当大的温度范围内运行，应该是安全的，易于处理和回收，成本合理的[16]。
除了太阳能船的许多应用被测试外，Spagnolo等人(2012)提出了实现一种零冲击太阳能船的想法，供游客在阳光明媚的天气沿海岸、河流、湖泊运输。这艘船由放置在平顶结构上的光伏发电机充电的锂离子电池提供动力。创新的电池充放电管理系统，优化电池使用，延长导航期间的使用寿命[18]。商业帆船改装的技术研究由Alfonsin等人(2015)提出。由燃料电池和电池组成的电力混合推进系统已经在最初使用内燃机(ICE)制造的帆船上实现。电网也在港口提供电池电能。通过车载光伏发电和海上发电系统提供的能量，电解水，净化使用的氢气[19]。Gorter(2015)优化了一艘pv驱动的赛艇，效率提高了15%。在比赛中，他检查了船的螺旋桨设计，以及它与光伏模块产生的功率的关系[20]。Lee et al.(2012)在韩国Geoje岛对一艘使用PV/diesel的原型混合动力船green ship进行了研究。该原型由光伏发电系统、柴油机、蓄电池储能、混合控制系统和单机并网逆变器组成。实验结果表明，最大限度地降低燃料消耗和电网作为分布式发电的增加有助于开发未来的能源容量[21]。在另一项研究中，对一种无人船(USV)动力系统进行了优化，采用了传统化石燃料和一些可再生能源组合的方式。结果表明，从日出到日落，太阳能的贡献率约为19.6%，波浪能[22]的贡献率约为5.53%。Nasirudin等人(2017)设计了一艘太阳能船，采用一种确定最便宜和最合适的光伏(PV)系统尺寸的方法。以台湾型休闲客船为例，采用简单算法提出了成本和尺寸的优化方法[23]。Kamble 等人(2017)将他们设计的船安装了一个带有光伏电池的后置电力系统，以保证船舶的驱动[24]。Boukenoui等人(2017)比较了两种不同的最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracker)类方法，改进了增量电导(improved-incond)对最大功率点(Maximum Power Point)进行了快速收敛，模糊逻辑控制器(FLC)能够适应辐照度和温度水平的变化。因此，PV车辆在短时间内达到MPP，功率波纹[25]非常小，取得了良好的性能。Das等人(2015)建立了在绿色航行的经济和技术层面使用buck转换器。该系统从光伏电源中提取全部电能，并送入直流负载，既提高了发电量，又降低了成本[26]。
通过对一些文献的回顾，可以明显地看出，绿色交通技术特别是电力交通系统的研究还有待加强和完善。毕竟，本文的主要目的是介绍一种高效率的无人船[USV](Morvarid1)能源系统的设计过程。本文的下一个目标是突出能量导出和能量消耗中的一些主要参数，并使用仿真对这些参数进行评估。最后，需要结合车辆模型、负载和电池规格来确定太阳能船运行时间和子系统大小之间的复杂交互作用。
2. 材料和方法
本节讨论一种能够电动推进的自主船舶(称为Morvarid)的配置能量系统。Morvarid是为自主环境调查和数据监测任务，特别是水文监测[27]而设计和构建的。自主水面舰艇的一些基本构件是;一个船体，推进系统，导航，制导和控制单元，一个车载pc，最后是能源系统。因此，从船体设计开始，考虑到常用平台，Morvarid选用了玻璃纤维双壳双体船设计。由于转向机构的稳定性和简单性，采用差动推力进行转向，因此本设计被选中。推进系统使用两个电动机作为推进器。电力推进具有有效的操纵性、精确平滑的速度控制、机组紧凑、噪声低、污染小等优点。经试验测试，Morvarid艇重约700公斤，最大巡航速度可达5节。Morvarid尺寸，长约3.8米，宽约2.4米，高约1.5米，划分为小型船舶，如图1所示。
图1 插电式混合太阳能动力无人船 (Morvarid)的外观，钢结构面板支架，及转向机构方向和数量
Morvarid是一种插电式混合太阳能动力无人船[USV]，它使用了车载太阳能阵列，配备了单轴太阳跟踪系统，可以有效地将太阳能转化为电能。提取的能量暂时储存在一个容量为8千瓦时的高科技锂离子电池组中。由于这种新型能源发电系统的能源效率很重要，因此，正确的最大功率点跟踪器（Maximum Power Point Tracker）和太阳跟踪系统的安装将是必不可少的。然而，在移动结构中，太阳跟踪系统将非常复杂，需要更多的关注。
2.1能源发电单元
为了设计一种高性能的船舶光伏阵列，不仅需要对其能量性能进行评估，还需要考虑光伏组件的成本、重量、尺寸等其他有效参数[28]。在考虑船舶水线及其稳定性的基础上，优化了光伏阵列的总重量，并根据项目资金、阵列类型等因素确定了成本。在这样的系统中，值得信赖的轻量级结构将是值得赞赏的。该结构应能保护阵列免受大风、巨浪和风暴的侵袭。因此，我们设计并建造了一个钢结构(316L，适用于潮湿天气)来支撑无人船（USV）上的四个模块，如图1所示。这种结构可以在两个轴承上沿纵轴旋转60度左右。使用单轴太阳跟踪系统，使阵列能够改变其角度，以保持在最大可能的效率。太阳跟踪系统的另一个目标是通过倾斜阵列，利用风、雨或露水来清除阵列上的灰尘。
通过考虑用户标称功率和模拟光伏发电量，可以对系统的功率周期进行估计，确定系统的可实现能量。利用MATLAB Simulink工具箱对单个光伏板进行仿真，如图2所示。由于所产生的功率直接与太阳辐射和组件尺寸有关，因此可以通过考虑系统消耗和特定区域的太阳辐射来优化光伏系统。从NASA卫星数据中提取了全年的太阳辐射信息，如图3所示。
图2 MATLAB Simulink中的光伏板仿真
图3 奇加尔湖(德黑兰)太阳辐射图。
Morvarid boat所需的功率由公式估算。(1)，其中v1、v2、v3分别表示耗电设备为24v、12v、5v。绘制的电流，从左到右分别表示为;驱动电机(im1, im2)，激光雷达电流(ilid)， LED (LED)， IPC (iIPC)，前置摄像头(icam)，开关和POE (isw)，太阳跟踪电机(iST)， ecosounders (iecs)，主板(iMb)， IMU板(iIb)， GPS板(iGPb)和跟踪板(iTb)。
（1）
因此，对于耗电量，考虑三种情况;分别显示为慢速巡航、正常运动和快速巡航;以瓦特为单位的Psc、Pnm和Pfc。据测量，在水文测量作业的慢巡航
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资料编号：[1554]
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