目前大多数海洋浮标平台的供电是使用化学能或者更换蓄电池的方式，但这种方法存在供电时间短，供电补给时间长，补给困难和补给成本高等诸多问题。文章提出一种为海洋浮标供电的风光互补供电方案，对其典型应用进行配置和设计，经过海洋平台上的应用后得出，在解决防台风等问题基础后，风光互补发电系统是海洋浮标供电的良好方案。
0 引言
目前海上浮标供电是通过海底电缆从附近的综合平台引电或者定期更换内部蓄电池的方式进行的，并且部分观测测量平台、海上雷达站、岛基水声网络中心站等的供电依然采用传统的柴油机发电方式，存在噪音大、污染环境、油料补给困难、补给时间长、补给成本高等诸多问题。
供电方案常常成为海上浮标工作时间的制约因素之一，甚至因为供电容量限制了设备的用电。面对上述突出的问题，研究开发就地安装、成本低廉、维护管理方便、资源节约、环境友好型的供电系统，是平台开发的当务之急。
本文通过依据一型浮标负载耗电对风光互补系统进行配置计算。探讨这种自主式风光互补发电系统在海洋浮标上的应用可行性。
1. 风光互补发电系统
风光互补发电系统是一套为外部提供电源供应的系统，该系统是利用风力发电机组和太阳能电池方阵(将交流电转化为直流电)，将发出的电能通过控制器存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，控制器控制其输出，也可通过逆变器逆变后供应给交流负载。系统由风力发电机组与太阳能电池板互补供电，夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风力发电机组和太阳能更经济、科学。
1.1 供电系统的组成与工作原理
如图1，风光互补发电系统主要包含小型风力发电机、太阳能电池组件(含支架)、汇流箱、蓄电池组、风光互补控制器，逆变器(交流负载)等。
风光互补控制器控制风力发电机和太阳能电池组件优先给负载供电，多余电量为蓄电池进行充电，并对风力发电机组的转速进行控制和进行电池管理。当需要使用交流电时，则通过逆变器为负载供应电源。
1.2 风力发电机选型
考虑海洋环境复杂多变，台风频繁，因此大型风力发电机在平台的安装因为安全问题受到限制，一般尽量减少风力发电机组的受风面积从而让浮标平台更加平衡和稳定，也有通过多个小型风力发电机组并联后为系统供电。对于用电量不大的浮标平台，则可以使用300W 风力发电机。本文所选的杭州瑞利科技的300W 风力发电机组在平均风速为8m/s 时日发电量可达7.2kWh，即使在6m/s 时发电量也可达1.8kWh，而该风速海上都比较常见，基本满足常规用电需求。对于海洋上12m/s 以上的风速，配套风光互补控制器自动对风力发电机组进行卸荷做降速控制，而在台风天气控制器控制风力发电机组执行机械刹车让之停转来实现自身进行保护。
图2 是本方案中选择的FD-2.0～0.3/8.5 水平轴风力发电机，其技术参数为：
切入风速：2.2 ～ 2.5m/s;
额定风速：8.5m/s;
安全风速：60m/s;
额定转速：500rpm;
额定功率：300W;
风轮半径：2.0m;
额定电压：DC28V;
风叶材料：碳纤维;
保护方式：电磁制动/ 机械刹车。
1.3 太阳能电池组
考虑到海洋环境台风的影响，尽量减小太阳能板受风面积，根据平台空间的限制，可以选用柔性太阳能板如图3 进行裁减。常规用法为平铺安装在平台上，尽管降低了太阳能发电效率，但增强了系统的可靠性。平台较大时，则可选用防腐蚀支架安装太阳能板。
1.4 供电系统的配置与设计
某大型海洋浮标(图4)负载包含，大型声换能器、雷达反射天线，UHF、VHF 天线，卫星通讯天线、航标灯、声学传感器、水质传感器、中央电子处理系统以及螺旋桨动力装置等。
浮标平均功耗为135W，一天耗电3.24kWh。海洋气候风光互补尤其强烈，没有太阳时则风力较好，无风则太阳较好，中间状态既无风也无太阳天气较少，但考虑系统安全，无充电情况下按照系统可用电三天计算，某外海最低月平均风速为6m/s， 根据所选型的FD-2.0-0.3/8.5 的300W 永磁风力发电机组，发电平均功率为125W，因此要保证系统的用电量，推算得需要太阳能板的每天的发电量为：
3.24kWh-24h×125W=0.24kWh
查询平台安装地日平均光照时长为3.5 小时，因此可以计算选择太阳能板的功率为：
0.24kWh÷3.5=68Wp
考虑系统容量和平台安装角度，微系统留好多倍余量，尽量选取容量大于4×68Wp 的太阳能电池组件，系统选取400Wp 的板子。
而对于蓄电池容量的配置计算。在连续3 天阴雨天的情况下，负载正常工作时所消耗的蓄电池电量为(实际负载功率× 负载加载时间×连续天数)= 9.72kWh。
设置系统采用24V 蓄电池组，不考虑逆变器效率，在70% 安全放电深度条件下，蓄电池的安时数为(蓄电池耗电量/ 放电深度/24V)=578AH。
因此，确定系统选用600AH/24V蓄电池组(200AH/12V 六块/ 三并两串)能满足要求。
2. 发电系统关键技术
风光互补发电系统从节能减排角度为社会节约了大量的资源，在沿海地区现已经在大规模推广使用，但在使用当中也发现许多问题，其中有风力发电机组产品质量差、也有人为系统配置不合理之处，更有对风光互补发电系统应用环境认识不足，主要有以下关键点。
2.1 防台风技术
在海洋平台自然环境条件更恶劣。一般海岛远离大陆， 属海洋性气候， 季风特征明显。夏秋两季易受台风影响。分析气象资料，中心经过我国沿海的热带气旋，风力一般在10 ～ 15 级， 最大可达17 级， 最大风速70 m / s，一次影响过程可达6 天。台风风力狂虐， 裹挟暴雨， 常掀起巨浪，对平台风光发电系统是严峻考验，绝大多数风力发电机风叶则被吹断，并且发生过速烧毁电机情况。因此海洋平台用风力发电机应具有防台风功能， 系统在检测到风力发电机组过速后应自行进行降速执行机械刹车，减少迎风面积，同时采用碳纤维风叶， 增强风叶强度以便抵抗强台风。
2.2 全面防腐蚀设计
我国大部分海域地处高温、高湿、高盐雾地区，年平均相对湿度≥ 85 %， 远超过金属腐蚀临界湿度70%RH。空气盐雾含量在0.33～23.6mg/m3之间，是内陆地区的数百倍。常规的风光互补发电系统，在天然的“腐蚀试验箱” 环境中，将导致结构、设备发生严重腐蚀而提前失效、损坏， 影响其使用寿命和功能发挥。系统设备在生产、安装全过程应注重防腐设计，包括电子器件防腐、金属材质防腐、电缆橡胶层的老化防护等;风力发电机机舱彻底密闭，防止高盐潮湿空气进入;对其它必须暴露于空气中的电子、电气部件和接头，要采用防腐保护剂进行浸泡或喷涂处理;电缆要穿UPVC 或镀锌钢管保护，防止盐雾腐蚀和辐射老化;金属材质必须进行多层油漆涂装防护。
2.3 合理电池配置
在对系统进行设计时候，需要考虑到电池的容量问题，一般情况蓄电池放电深度不超过70%，且需要考虑连续阴雨无风天气影响，为系统留有余量，当系统储能低于25 %正常容量时，应有报警提醒功能;低于10 % 时， 应自动卸载非重要负荷，以确保通信等与外界联络设备的用电。
3.其他海洋应用
风光互补发电系统除了应用在小型海洋浮标之外，海洋养殖、捕捞渔船供电(图5)、在大型浮标上， 海洋气象观测、海洋雷达观测站、海洋水声处理中心、卫星通讯中继、无人岛监控等等都有着广泛的用途。
4. 结论
风光互补发电系统在内陆用途广泛，但用在海洋漂浮浮标和平台上较少，因为这对系统的防台风和防腐蚀以及系统可靠性提出了更高的要求，杭州瑞利科技有限公司所研发生产的小型风力发电机和控制器在某东海项目实际应用当中已经积累经验， 实践表明，小型风力发电机在解决防台风，防腐蚀和选择正确可靠的风力发电机和配套组件后， 将大大提高平台的生存期和使用范围， 有着较好的实际应用效应。
