作者：Bill Schmitz，Vicor 電源系統公司總裁

能利用海浪能，是一個快速發展的領域，美國海軍正在積極探索該領域，以拓展其海上 C4ISR（指揮、控制、通訊、電腦、情報、監視與偵察）能力。

一直以來，從海浪中採集能量的最大技術障礙是如何在不可預測的工作條件（從颶風到平靜的海面）下，採集並存儲所謂的“不穩定能源”，並將其高效轉換為可用的穩壓電流。

哥倫比亞電力技術公司（C‑Power）、美國海軍以及美國能源部（DOE）正在進行 C‑Power 全新 SeaRAY 自主海上電力系統（AOPS）的試驗，該系統可為水下航行器與遠洋環境感測器提供本地發電與資料服務。 美國海軍設施工程系統司令部（NAVFAC）正在夏威夷的海浪能試驗場監督試驗。 美國海軍海上系統司令部（NAVSEA）也在通過“2021 海岸三叉戟”項目參與其中，該項目正在測試 SeaRAY 依託入侵探測與海底變化監控提供水下虛擬圍欄的功能，這在海浪能系統中尚屬首次。 此外，SeaRAY 系統還將通過遠程實时資料通信，將海洋出現的情况上傳至雲端（圖 1）。

美國海軍長期以來一直在探索各種途徑，通過利用海浪並將海浪能轉化為可用電能，拓展其海上防禦能力。現存的解決方案面臨同一個問題：如何將脈衝海浪電源高效地轉換為變化的 DC 母線電源，同時仍能以變化的功率級產生恒定的電流。

這一長期存在的設計難題，促成了美國海軍、美國能源部與哥倫比亞電力技術公司（C‑Power）的合作，後者是自主海上電力與資料系統的製造商。C‑Power 項目的一部分是開發創新海浪捕獲科技，實現可靠、可再生、低成本的發電與儲能，同時還能為海上應用的即時資料與通訊服務提供同步支持。

隨著進行海上試驗的進行，人們期望驗證一些以前從未實現過的功能：為水下感測器、監視系統以及可充電潜水自主航行器使用本地海上電源； 以及一個把云計算帶入海洋，實現海上通訊的資料管道。

採集千瓦級海洋電源

C-Power 成立於 2005 年，採用在俄勒岡州立大學開發的技術，與美國軍方合作十餘年，參與了多個海洋能源項目。 其中包括美國國防部高級研究計畫局（DARPA）的一個項目：戰術海底網路架構（TUNA）計畫，這是一個海底光纖骨幹，旨在當傳統戰術網路癱瘓時為美軍恢復通訊。 C-Power 的海浪能浮標系統（WEBS）旨在為該網路提供遠程千瓦級電力。

WEBS 項目促使 C-Power 開發了其首個自主海上電力系統（AOPS）。 這些系統釋放了本地化發電的潜能，可驅動遠程水下航行器、遠洋資料獲取感測器以及多種工作設備。此前，這些應用的電源通過機載電池提供，每隔幾個月就要回收充電，或者通過水面船隻提供。

通過利用海浪能進行本地化發電，C-Power 實現了兩大突破。 第一，它可以替代人力、碳排放和資本密集型的方案，而這些方案都要部署載人資產進行供電。 第二，C-Power 可通過提供自主式可再生海上電源實現當前無法實現的全新應用，同時兼作通訊管道。

C-Power 同時還意識到：實現供電只是獲得成功的一半。 雙向、實时或接近實时的資料通訊在幾乎所有使用案例中都必不可少。

綜上所述，這導致了當前 AOPS 的開發，其中包括SeaRAY海浪能系統。 SeaRAY 發電容量可從 50W 擴充到 20kW，為多種應用服務（圖 2）。

SeaRAY 海上試驗始於 2021 年秋季，與夏威夷的 NAVFAC 共同進行。 C-Power 還與 NAVSEA 合作，NAVSEA 負責“2021 海岸三叉戟”項目，即港口與海上安保能力年度展示。 通過實現入侵探測和水下反水雷等功能，SeaRAY 正在“海岸三叉戟”項目中展示 AOPS 網路的功能，可提供安全經濟的不斷線虛擬圍欄。 它可成倍提高戰鬥力，指數級拓展海軍的情報、監視與偵察（ISR）能力。

這個試驗還展現了 SeaRAY 平台支持資料通訊服務的能力。 當前電池供電的海洋資料獲取系統在他們可支持的資料通訊的廣度與頻率方面受到限制，通常需要人工檢索資料。相比之下，SeaRAY 使用蜂窩網路將資料實时上傳至雲端，能够更頻繁地傳輸更多、更豐富的資料。 C-Power 還與 Viasat 合作，在 2022 年為 SeaRAY 帶來了先進、有彈性的衛星資料通訊功能。

攻克電源轉換難題

C-Power 的近期工作重點是從海浪中產生 10 瓦至 1 兆瓦電力的系統。 針對較低端的功率譜，C-Power 的電源轉換子系統必須前所未有的小型化，即使它處理了各種不一致的海浪有效轉化成能量的任務。

C-Power 與 Vicor 公司緊密合作，攻克了 SeaRAY 一個最棘手的難題，那就是電源轉換子系統 30:1 的超寬輸入範圍。 鑒於海浪不可預測的内容，這需要的子系統不僅能高效轉換電源，而且還能接收外部控制訊號，以實时匹配精准的電源轉換需求。

Vicor 的高效電源模組用於保持 SeaRay AOPS 的可靠運行，即使在平靜的水域也必須保存船上的電力以確保系統正常運行。固定比率的 DC-DC 母線轉換器和支持複雜多級分立式轉換器的高密度穩壓器模組可高效轉換波浪能並提供可控功率。此外，Vicor 模組中使用的功率轉換拓撲還幫助最大限度降低了 AOPS 上的電磁干擾與雜訊，以免影響感測器測量精度。 穩定的寬輸入 DC-DC 轉換器意味著 SeaRAY 不僅可將脈衝海浪電源轉換為變化的 DC 母線電源，同時還可在不同的功率級下產生恒定電流。 儘管海浪模式為湍流、不可預測，但來自 SeaRAY 船載發電機的高度可變電源脈衝仍能通過穩壓器模組架構實現穩定的恒定電流。

這種組合幫助 C-Power 將持續波動的功率曲線轉換成經濟實用的解決方案，然後調整功率並將其轉化成可用於各種移動及靜態資產的有用能源。 成果：C-Power 將 SeaRAY 的電源轉換效率從約 50% 提升到了高達 94%。

使用 Vicor 高密度電源模組子系統，即便是在海浪更少、更小的平靜水域，C-Power 仍能確保 SeaRAY AOPS 可靠運行，在這種水域中，必須節約船上的電力，確保系統正常運行。模組中使用的專有電源轉換拓撲還幫助最大限度降低了AOPS 上的電磁干擾與雜訊，以免影響感測器測量精度。

在為較小應用實現自主海上發生的過程中，C-Power 的自主海上電力系統幫助海軍擺脫了有人值守的工作模式，將水兵從 3D 工作崗位中解放出來——即枯燥、惡劣、危險的工作崗位三個單詞的首字母均為 D”。此外，夏威夷的試驗表明，公海上可靠、高效、可再生、自主的能源傳輸，對於國防、國土安全以及更廣泛的海洋經濟而言都將是重大突破。