当前水下机器人等海洋探测设备主要通过电缆或自身搭载的电池进行供电，而基于线缆的供电方式虽没有续航时间的问题，但是线缆的长度限制了设备的探测半径以及下潜深度，而以自身搭载电池的形式进行供电的设备虽然有较大的工作半径以及下潜深度，但其电池容量极大限制了它的续航时间[1-2].

太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，若能有效利用海上太阳能进行发电[3-4]，并以此为基础设计开发一种新型服务于水下探测设备的电力补给装置，则可有效增强这些探测设备的续航能力、扩大工作半径、提高工作效率.

考虑到在海洋环境下海洋探测设备及水下机器人的绝缘与防腐的问题，对海上电力补给装置使用无线充电这种对接方式简单、操作方便、易实现自动化的充电形式[5].

1 理论分析

1.1 海上电力补给装置工作环境设计

海上电力补给装置设计工作环境为南海海域，根据文献[6]，年平均太阳光辐射量约为1 200 kW·h/m2，太阳能电池板设计总面积为10 m2，太阳能电池板额定功率取为100 W/m2，选用4组额定输出电压为14 V，容量为120 AH的蓄电池，水下探测设备额定输入电压为12 V.

3.关于卫生运输船医疗队海上演练的启示： 按照既定方案，卫生运输船医疗队通常在加改装民用船舶上展开，但近些年来，中心医疗队一直苦于没有训练平台，难以检验其实际救治能力。当前，海军各类大型新式舰艇陆续服役，应该把卫生运输船医疗队作为一支更加灵活机动的卫生力量来使用，让其有机会在不同类型的舰船上进行验证性训练，不仅可以解决训练平台问题，也可以为在不同类型舰船上实施海上伤员救治提供经验借鉴。

鉴于装置设计是在海洋环境中，为保证装置稳定运行且不受外部海水腐蚀，装置浮体系统采用耐腐蚀的ABS材料，并通过3D打印技术进行制造.充电接口处的无线充电方式通过电磁感应进行电力传输.

图1为装置的电能传输与转化过程示意图.太阳能电池板吸收太阳能，光电效应将太阳能转化为电能.经电力控制器进行分配，如无外部负载时产生的电能储存在蓄电池中，而在有外部负载时蓄电池向配流盘供电，其电量一部分用于向电磁铁供电以控制充电口的开闭，其余部分则用于向外部负载进行无线充电.

  

图1 装置的电能传输与转化过程示意图

1.2 太阳能发电量的理论计算

根据海上电力补给装置工作环境，对太阳能发电量进行理论计算[6].

(1)太阳能电板发电量EP可按下式计算：

Ep=HAAηiηeK

(1)

式中：HA为照射到太阳能电板上的太阳总辐射量，A为光伏组件安装面积，ηi为光伏组件转化效率，ηe为电能传输效率，K为综合修正系数.

本装置在结构上主要分为发电系统和充电连接系统两部分.下面针对装置的主要部分，电力分配设计、无线充电连接装置，以及装置组装完毕后的性能进行分析说明，并重点分析无线充电连接部分.

 

(2)

式中：PAZ为光伏发电系统的安装容量，ES为标准状态下的日照强度，取1 000 W/m2.

(3)照射到太阳能电板的太阳辐射量HA的计算：

 

(3)

式中：Hb、Hd和Hp分别为水平面上的直接辐射量、散射辐射量和总辐射量，αS为大气透明度系数，β为斜面倾角.

由于种植户分散不利于统一管理及产业化，规模化经营。因此，怀远县政府应该提供资金支持，对怀远县的土地和住户进行统一规划管理。在地势平坦或者种植地较多的地区将住户区集中起来，建立社区。剩余土地集中规划为种植用地，建设石榴产业示范区。并通过对土质、地形等一系列情况的勘测，在不同的区域种植不同品种的石榴。分区域将土地承包给农户种植。进行规模化，集约化生产。而在农户较为分散，种植区不集中的地区对农户进行技术指导，通过科技创新，研究出新的品种，以独一无二的特色品种吸引消费者的眼球。并且可以直接联系加工企业收购当地石榴，降低销售成本。

1.3 无线充电口处电能传输的计算

(1)无线充电口处输出功率P2满足下式：

P2=P1-ΔPZ=P1-ΔP-KQΔQ

(4)

其中：P1为逆变器输出的总功率，ΔPZ为综合损耗功率，ΔP为有功损耗，ΔQ为无功损耗，KQ为无功经济当量，单位为W/Var.

(2)有功损耗ΔP可按下式计算：

如使用可进行自动跟踪的太阳能电池板，此时可计算出设计条件下太阳能电板的发电量约为66.575 W/m2.

ΔP=P0+KTβ2PK

(5)

其中：P0为空载有功损耗，KT为负载波动损耗系数，β为平均负载系数，PK为额定负载损耗，

(3)无功损耗ΔQ可按下式计算：

要采取以下措施增强用户对信息化系统的认同和接受，第一是顶层灌输信息化系统推行势在必行，让用户在企业文化层面接受信息化系统；第二是增加培训数量，通过不定期组织培训，针对问题答疑解惑的方式不断提高系统用户对系统的熟悉程度；第三是多样化的系统学习方式，可以通过录制操作视频、编制操作手册、针对性地使用案例详解、或不定期组织系统使用沟通会的方式开展系统使用学习，使得用户通过多渠道了解系统、习惯使用系统、接纳系统。

ΔQ=Q0+KTβ2QK

(6)

其中：Q0为空载无功损耗，KT为负载波动损耗系数，β为平均负载系数，QK为额定负载漏磁功率.

1.4 无线充电连接装置输入功率与输出功率以及输入功率与传输效率之间关系

NaCl浓度使不同掺砂率混合物产生强度差异的原因可以结合以下3个方面进行解释.首先,掺砂混合物中的砂颗粒亲水性较低,盐溶液中的大部分溶液被膨润土颗粒所吸收,在一定浓度的盐溶液饱和条件下,掺砂率不同的混合物中单位质量膨润土所含NaCl质量不同,掺砂率越高,其单位质量膨润土所含NaCl质量越高;其次,本试验中的掺砂混合物试样的强度是由膨润土起主要作用;再次,在盐溶液饱和状态下,NaCl浓度越大,膨润土试样强度越大.因此,可以解释在盐溶液饱和条件下,随着掺砂率的增加,试样的内摩擦角增大,当NaCl浓度越高时,这种现象越明显.

从图2可以看出，当输入功率增大时，输出功率也呈整体增加趋势，但其增加的速度逐渐降低，在输入功率80～90 W时输出功率基本达到最大值，此后输出功率基本不再增加.图3的结果表明，传输效率随着输入功率的增加先增大再减小，输入功率在40～50 W之间效率达到最大值.对在设计条件下当输入功率超过50 W后，随着电流的增加，磁场强度的增加速度急剧降低，进而会导致部分能量不能传递到次级线圈使得输出功率降低即产生磁饱和现象[7].

  

图2 输出功率随输入功率的变化

  

图3 能量传输效率随输入功率的变化

通过对图2和图3分析可知，在设定的工作条件下，若要保证充电过程中电能损耗尽量的小，则应将输入功率调整到40～50 W，此时的效率为0.8～0.9，而若要保证充电速度尽可能的快，则应调整输入功率在80 W到90 W之间.

通过理论分析及结构优化，对装置进行整体结构设计，研制出样机，并对该样机进行试验性能测试.整个装置也即基于太阳能的海上电力补给装置样机系统如图6所示，其试验测试效果如图7所示.

2 装置的结构设计及运行表现

(2)光伏组件转化效率ηi的计算：

2.1 电力分配的设计

太阳能充电板产生的电量通过电力控制器进行分配.在无负载的情况下，电能不对外输出而储存在蓄电池中；当需为负载供电时，通过电力控制器的作用的调节作用，由蓄电池输出的直流电经过逆变器转化为交流电，再通过磁力耦合向负载进行无线充电.

2.2 无线充电连接装置的设计

许昌市位于东经 113°03′-114°19′，北纬 33°42′-34°24′，地处河南省中部，伏牛山余脉向豫东平原过渡地带，地势西北高，东南低，平均海拔70米左右。建成区内地形平坦，流经市区的清河、清泥河、饮马河、运粮河、护城河、天宝河、许扶运河等7条河，市区及周围的北海、芙蓉湖、鹿鸣湖、东湖、小西湖、灞陵湖、双龙湖、秋湖湿地8大湖泊。本研究主要以许昌市建成区为主，主要涉及许昌市的四个区：魏都区、东城区、建安区、高新区。魏都区位于许昌市中心城区，东城位于许昌市区东部，建安区位于许昌市中部，环抱许昌市魏都区，高新区位于许昌市区西南部，与市区紧密相邻。

针对以上情况综合分析，对无线充电连接装置的机械结构进行设计，如图4所示.

  

图4 无线充电连接装置的机械设计

通过图4可以看出，无线充电连接装置的机械结构由一组开闸电磁铁、一组合闸电磁铁、一组无线充电器、一组杠杆装置以及浮体组成.水下探测装置的充电线圈与充电口铁芯的对接方式是合闸电磁铁线圈通电促使合闸电磁铁吸引电磁铁衔铁，进而带动杠杆以推动无线充电衔铁与无线充电铁芯闭合，闭合后形成磁回路进行充电，此后合闸电磁铁断电.当水下探测装置需要与充电连接装置脱离时，开闸电磁铁线圈通电，使开闸电磁铁吸引电磁铁衔铁带动杠杆以推动无线充电衔铁脱离无线充电铁芯，使水下探测装置脱离.

装置闭合过程如图5所示，其中(a)图为闭合前各铁芯位置示意图，此时电磁铁衔铁与开闸电磁铁铁芯接触，无线充电铁芯与无线充电衔铁处于分离状态，(b)图为闭合后各铁芯的位置，此时电磁铁衔铁与合闸电磁铁铁芯接触，通过杠杆原理使无线充电铁芯与无线充电衔铁闭合，形成磁回路.

随着汽车的产量和保有量日渐提高，汽车行业已经成为中国的支柱产业，在为生活提供方便的同时也带来了油耗及污染等问题.

  

(a)闭合前

  

(b)闭合后

 

图5 装置闭合过程

2.3 样机试验性能测试

00后成长在网络文化繁荣发达的时期，层出不穷的社交媒体以及质量参差不齐的网络信息对这些学生的思维方式和观点养成等造成了不小的影响，特别是在社会交往能力上起到明显的负作用。00大学生普遍倾向于“低头族”，对社交活动兴趣较低，且存在一种先天的自我优越感和伪成人感，沉迷于自己的世界而忽视与外界进行交流联系，一旦在交友和恋爱中遭遇挫折很容易产生各种负面情绪。

根据公式(4)～(6)，当输入电压不变时，改变输入功率对输出功率和能量传输效率都会产生影响.图2和图3则分别为改变输入功率时，输出功率以及能量传输效率的变化曲线.

  

图6 基于太阳能的海上电力补给装置样机系统

  

图7 试验测试效果

由图6可以看出，装置由太阳能电池板、开关、蓄电池、电力控制器、逆变器、配流盘、无线充电连接装置、浮体组成；由图7可以看出，样机系统可进行正常工作，太阳能电池板可通过无线充电方式向LED灯供电.

3 装置实际运用的前景分析

本系统装置利用海洋可再生能源—太阳能进行发电，实现电力自给自足.系统装置可投放于远洋，为海洋探测设备和水下机器人提供不间断电力供应，延长了海洋探测设备和水下机器人的续航时间.

通过对土坝溢洪道部分温度应力模拟得出一些结果，并与雅库特Khorobut流域灌溉系统工作进水段的实际观测结果进行了比较。Zhang[2]详细介绍了排水系统长期现场观测的详细情况。

本装置适用于我国大部分海域，结构简单、价格低廉、实用性好，可进行大规模生产及使用.经过计算，在太阳能充足的广东省附近海域，太阳能电板在每日工作6 h的条件下，10 m2太阳能电板可实现发电量3.995 kW·h/d，节省约0.491 kg标准煤，可满足一个小型无人水下勘探装置全天不间断续航.

4 结论

1)根据水下探测设备续航设计了一种海上电力补给装置，装置由太阳能电池板、电力控制器、蓄电池、逆变器、配流盘、电磁铁、无线充电连接装置、浮体8个部件组成，可将太阳能转化为电能并向水下探测设备进行无线供电.

2)当输入电压不变时，对输入功率与输出功率关系以及输入功率和能量传输效率进行理论计算，计算结果表明输出功率随着输入功率的增加而增加，但增加的速度逐渐降低；传输效率随着输入功率的增加先增大后减小.

3)对海上电力补给装置样机进行测试，测试结果表明，样机系统可正常工作，太阳能电池板通过无线充电方式向LED灯供电.

参考文献：

[1] 滕学志.自主水下机器人能源与动力系统设计[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[2] 柯冠岩，吴 涛，李 明，等.水下机器人发展现状和趋势[J].国防科技，2013，34(05)：44-47+6.

[3] 王金平，郑文江，高 峰.国际海洋可再生能源研究进展及对我国的启示[J].可再生能源，2012，30(11)：123-127.

[4] 刘圣冠.海上风浪互补发电系统的基础平台设计和研究[D].北京：华北电力大学，2014.

[5] 翟鹏伟.电动汽车无线充电系统设计[D].北京：北方工业大学，2015.

[6] 郭家宝，汪 毅.光伏发电站设计关键技术[M].北京：中国电力出版社，2014.

[7] 胡晓辰.高频变压器磁饱和电流测量技术研究[D].石家庄：河北科技大学，2013.