作者：Bill Schmitz，Vicor 电源系统公司总裁

能利用海浪能，是一个快速发展的领域，美国海军正在积极探索该领域，以拓展其海上 C4ISR（指挥、控制、通信、计算机、情报、监视与侦察）能力。

一直以来，从海浪中采集能量的最大技术障碍是如何在不可预测的工作条件（从飓风到平静的海面）下，采集并存储所谓的“不稳定能源 ”，并将其高效转换为可用的稳压电流。

哥伦比亚电力技术公司 (C‑Power)、美国海军以及美国能源部 (DOE) 正在进行 C‑Power 全新 SeaRAY 自主海上电力系统 (AOPS)的试验，该系统可为水下航行器与远洋环境传感器提供本地发电与数据服务。美国海军设施工程系统司令部 (NAVFAC) 正在夏威夷的海浪能试验场监督试验。美国海军海上系统司令部 (NAVSEA) 也在通过“2021 海岸三叉戟”项目参与其中，该项目正在测试 SeaRAY 依托入侵探测与海底变化监控提供水下虚拟围栏的功能，这在海浪能系统中尚属首次。此外，SeaRAY 系统还将通过远程实时数据通信，将海洋出现的情况上传至云端（图 1）。

美国海军长期以来一直在探索各种途径，通过利用海浪并将海浪能转化为可用电能，拓展其海上防御能力。现存的解决方案面临同一个问题：如何将脉冲海浪电源高效地转换为变化的 DC 母线电源，同时仍能以变化的功率级产生恒定的电流。

这一长期存在的设计难题，促成了美国海军、美国能源部与哥伦比亚电力技术公司 (C‑Power) 的合作，后者是自主海上电力与数据系统的制造商。C‑Power 项目的一部分是开发创新海浪捕获技术，其可实现可靠、可再生、低成本的发电与储能，同时还能为海上应用的实时数据与通信服务提供同步支持。

随着进行海上试验的进行，人们期望验证一些以前从未实现过的功能：为水下传感器、监视系统以及可充电潜水自主航行器使用本地海上电源；以及一个把云计算带入海洋，实现海上通信的数据管道。

采集千瓦级海洋电源

C-Power 成立于 2005 年，采用在俄勒冈州立大学开发的技术，与美国军方合作十余年，参与了多个海洋能源项目。其中包括美国国防部高级研究计划局 (DARPA)的一个 项目：战术海底网络架构 (TUNA) 计划，这是一个海底光纤主干网，旨在当传统战术网络瘫痪时为美军恢复通信。C-Power 的海浪能浮标系统 (WEBS) 旨在为该网络提供远程千瓦级电力。

WEBS 项目 促使C-Power 开发了其首个自主海上电力系统 (AOPS)。这些系统释放了本地发电的潜能，可驱动远程水下航行器、远洋数据采集传感器以及多种作业设备。此前，这些应用的电源通过机载电池提供，每隔几个月就要回收充电，或者通过水面船只提供。

通过利用海浪能进行本地发电，C-Power 实现了两大突破。第一，它可以替代人力、碳排放和资本密集型的方案，而这些方案都要部署载人资产进行供电。第二，C-Power 可通过提供自主式可再生海上电源实现当前无法实现的全新应用，同时兼作通信管道。

C-Power 同时还意识到：实现供电只是获得成功的一半。双向、实时或接近实时的数据通信在几乎所有使用案例中都必不可少。

综上所述，这导致了当前 AOPS 的开发，其中包括 SeaRAY 海浪能系统。SeaRAY 发电容量可从 50W 扩展到 20kW，为多种应用服务（图 2）。

SeaRAY 海上试验始于2021年秋季，与夏威夷的NAVFAC共同进行。C-Power 还与NAVSEA合作，NAVSEA负责“2021 海岸三叉戟”项目，即港口与海上安保能力年度展示。通过实现入侵探测和水下反水雷等功能，SeaRAY 正在“海岸三叉戟”项目中展示 AOPS 网络的功能，可提供安全经济的不断线虚拟围栏。它可成倍提高战斗力，指数级拓展海军的情报、监视与侦察 (ISR) 能力。

这个试验还展现了 SeaRAY 平台支持数据通信服务的能力。当前电池供电的海洋数据采集系统在他们可支持的数据通信的广度与频率方面受到限制，通常需要人工检索数据。相比之下，SeaRAY 使用蜂窝网络将数据实时上传至云端，能够更频繁地传输更多、更丰富的数据。C-Power 还与 Viasat 合作，在2022 年为 SeaRAY 带来了先进、有弹性的卫星数据通信功能。

攻克电源转换难题

C-Power 的近期工作重点是从海浪中产生10 瓦至 1 兆瓦电力的系统。针对较低端的功率谱，C-Power 的电源转换子系统必须前所未有的小型化，即使它处理了各种不一致的海浪有效转化成能量的任务。

C-Power 与 Vicor 公司紧密协作，攻克了 SeaRAY 一个最棘手的难题，那就是电源转换子系统 30:1 的超宽输入范围。鉴于海浪不可预测的属性，这需要的子系统不仅能高效转换电源，而且还能接收外部控制信号，以实时匹配精准的电源转换需求。

Vicor的高效 电源模块用于保持 SeaRay AOPS 的可靠运行，即使在平静的水域也必须保存船上的电力以确保系统正常运行。固定比率的 DC-DC 母线转换器和支持复杂多级分立式转换器的高密度稳压器模块可高效转换波浪能并提供可控功率。此外，Vicor 模块中使用的功率转换拓扑还帮助最大限度降低了 AOPS 上的电磁干扰与噪声，以免影响传感器测量精度。稳定的宽输入 DC-DC 转换器意味着 SeaRAY 不仅可将脉冲海浪电源转换为变化的 DC 母线电源，同时还可在不同的功率级下产生恒定电流。尽管海浪模式为湍流、不可预测，但来自 SeaRAY 船载发电机的高度可变电源脉冲仍能通过稳压器模块架构实现稳定的恒定电流。

这种组合帮助 C-Power 将持续波动的功率曲线转换成经济实用的解决方案，然后调整功率并将其转化成可用于各种移动及静态资产的有用能源。成果：C-Power 将 SeaRAY 的电源转换效率从约 50% 提升到了高达 94%。

使用 Vicor 高密度电源模块子系统，即便是在海浪更少、更小的平静水域，C-Power 仍能确保 SeaRAY AOPS 可靠运行，在这种水域中，必须节约船上的电力，确保系统正常运行。模块中使用的专有电源转换拓扑还帮助最大限度降低了 AOPS 上的电磁干扰与噪声，以免影响传感器测量精度。

在为较小应用实现自主海上发生的过程中，C-Power 的自主海上电力系统帮助海军摆脱了有人值守的工作模式，将水兵从 3D 工作岗位中解放出来——即枯燥、恶劣、危险的工作岗位三个单词的首字母均为 D”。此外，夏威夷的试验表明，公海上可靠、高效、可再生、自主的能源传输，对于国防、国土安全以及更广泛的海洋经济而言都将是重大突破。