野戰(zhàn)方艙智能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：為了更好地促進(jìn)軍民融合式后勤保障體系，以民間科技手段不斷改進(jìn)部隊(duì)保障裝備，針對野戰(zhàn)方艙供電系統(tǒng)的難題，提出利用風(fēng)能、太陽能兩種最方便、無污染、無噪音的綠色再生資源。提出的野戰(zhàn)方艙智能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，很好地綜合了風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)，可以為野戰(zhàn)方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應(yīng)，系統(tǒng)維護(hù)量少、使用方便，能夠解決野戰(zhàn)方艙的各種用電需求，確保野戰(zhàn)方艙正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
關(guān)鍵詞：野戰(zhàn)方艙；軍民融合式后勤保障體系；智能電源；風(fēng)光互補(bǔ)

0 引言
近期民技軍用式后勤保障體系的提出，要求以最優(yōu)、最大限度的民間科技手段不斷改進(jìn)部隊(duì)保障裝備。所謂“民技軍用”，是將相對成熟的民用高新技術(shù)成果經(jīng)過適應(yīng)性開發(fā)研究，移植于武器裝備研制和國防科研生產(chǎn)的一種工程技術(shù)開發(fā)活動(dòng)，這對于充分利用社會(huì)資源、逐步建立適應(yīng)武器裝備建設(shè)需要和市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的軍品市場監(jiān)管體系，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、裝備的日益復(fù)雜化以及戰(zhàn)爭條件的日趨嚴(yán)酷，對后勤保障起關(guān)鍵作用的野戰(zhàn)方艙的性能要求也越來越高，野戰(zhàn)方艙不僅要具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，較高的電磁屏蔽性能，還應(yīng)具有穩(wěn)定、方便、可靠的電源系統(tǒng)。
我國可再生能源的儲(chǔ)備十分豐富，其中以太陽能和風(fēng)能尤為突出。風(fēng)能和太陽能具有天然的互補(bǔ)性：白天日照強(qiáng)，太陽能豐富；晚上風(fēng)多，風(fēng)能充足。夏日和冬日風(fēng)能和太陽能也有很好的互補(bǔ)效果，風(fēng)力太陽能互補(bǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)使它能成為持續(xù)穩(wěn)定供電的電源。由于野戰(zhàn)方艙的工作地區(qū)基本沒有電力供應(yīng)，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)可以作為獨(dú)立的電源系統(tǒng)應(yīng)用于野戰(zhàn)方艙中，因此具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。它不但能達(dá)到大量節(jié)能的目標(biāo)，并且安裝程序大大簡化，應(yīng)用和維護(hù)都方便許多，能夠滿足后勤保障快速穩(wěn)定的供電要求。

1 軍民融合式后勤保障體系
軍民融合式后勤保障體系既以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，以使命任務(wù)為牽引，以提高遂行多樣化軍事任務(wù)綜合保障能力為目標(biāo)，客觀上要求必須摒棄傳統(tǒng)的思想框架，把戰(zhàn)區(qū)軍民融合式后勤保障體系發(fā)展目標(biāo)定位于“應(yīng)對多種安全威脅，支援保障遂行多樣化軍事任務(wù)”上，統(tǒng)籌各項(xiàng)能力建設(shè)，提升整體保障功能。
軍民融合式后勤保障體系提出的加強(qiáng)后勤核心保障能力建設(shè)，要求保障軍隊(duì)遂行作戰(zhàn)任務(wù)應(yīng)具備的綜合能力，其中包括戰(zhàn)爭方式的軍事行動(dòng)和非戰(zhàn)爭方式的軍事行動(dòng)，這就要求從優(yōu)化保障體制、改進(jìn)保障裝備、提高指揮自動(dòng)化建設(shè)水平等方面入手，以提高保障效益，增強(qiáng)保障能力。

2 野戰(zhàn)方艙
野戰(zhàn)方艙在后勤核心能力保障建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用，主要包括方艙醫(yī)院，方艙指揮中心，方艙廚房等。目前我國野戰(zhàn)方艙的電源系統(tǒng)主要是利用電站方艙或發(fā)電掛車發(fā)電的方式供電，該供電方式供電系統(tǒng)鋪設(shè)范圍大、噪聲大，而且油耗量大，需要頻繁加油，這些缺點(diǎn)限制了野戰(zhàn)方艙更好的應(yīng)用。本文提出的風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)主要采用風(fēng)光互補(bǔ)的供電方式，只有在極少數(shù)情況下使用發(fā)電機(jī)組供電，并且克服了有光沒有風(fēng)，有風(fēng)沒有光的情況，能夠確保在任何復(fù)雜條件下都能保證野戰(zhàn)方艙的正常穩(wěn)定供電。

3 野戰(zhàn)方艙風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)構(gòu)成介紹
野戰(zhàn)方艙風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)由四大部分組成：
(1)太陽能發(fā)電系統(tǒng)
太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要采用太陽能帳篷的方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽能電池板，太陽能帳篷即在野戰(zhàn)方艙的外壁涂上一層太陽電池材料制成的薄膜，并且太陽電池表面設(shè)有一層透明防護(hù)層，有效保護(hù)薄膜太陽電池不易劃傷。光伏陣列將太陽能通過光生伏打效應(yīng)轉(zhuǎn)換成直流電，通過變換器為各部分負(fù)載供電。其主要作用是有陽光的情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力，并將多余電能儲(chǔ)存在蓄電池里。太陽能發(fā)電部分原理框圖如圖1所示。

圖1中，太陽電池方陣的支路通過二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池和負(fù)載供電。其中充電控制器采用增量控制太陽電池方陣對蓄電池的充電過程，當(dāng)蓄電池組的充電電壓到達(dá)設(shè)定的最高充電電壓時(shí)，自動(dòng)依次切斷一個(gè)或數(shù)個(gè)方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓繼續(xù)增長，確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲(chǔ)存太陽電池發(fā)出的電能。
(2)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)輪通過可折疊的支架安裝在野戰(zhàn)方艙頂部，使用時(shí)打開支架現(xiàn)場安裝風(fēng)輪，并調(diào)節(jié)風(fēng)輪的方向，不影響野戰(zhàn)方艙的運(yùn)輸。風(fēng)輪將風(fēng)能通過空氣動(dòng)力學(xué)原理轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出與風(fēng)速成一定關(guān)系的交流電，經(jīng)整流變成直流電，并經(jīng)過變換器為各部分負(fù)載供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率可根據(jù)野戰(zhàn)方艙供電容量的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。其主要作用是有風(fēng)情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力，并將多余電能儲(chǔ)存在蓄電池里。
(3)蓄電池系統(tǒng)
蓄電池系統(tǒng)主要由鉛酸蓄電池組組成，其主要作用是平時(shí)將多余的風(fēng)電或光電儲(chǔ)存，在即無風(fēng)，又無光的情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力。由于野戰(zhàn)方艙的工作環(huán)境比較復(fù)雜，且存在一定的不確定性，因此在本系統(tǒng)中選用了抗高低溫特性好的蓄電池，同時(shí)選配的蓄電池組除具有儲(chǔ)能的功能外，還具有一定的穩(wěn)壓功能。
(4)柴油機(jī)組供電部分
當(dāng)連續(xù)多日無太陽、無風(fēng)且蓄電池系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能已經(jīng)無法繼續(xù)支持負(fù)載的正常工作時(shí)，可啟動(dòng)備用柴油機(jī)組供電部分為負(fù)載供電。該系統(tǒng)利用原有的野戰(zhàn)方艙的柴油機(jī)組供電部分，未作功能性改動(dòng)。
3．2 系統(tǒng)基本原理
本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池組件陣列、AC整流濾波模塊、電壓調(diào)節(jié)控制器、逆變器、旁路切換單元、蓄電池組及輸入／輸出配電等。其供電原理如下：
(1)白天：太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電流與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電經(jīng)整流后，其中一部分通過電壓調(diào)節(jié)控制器、主控制單元及逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供負(fù)載使用，另一部分對蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)陽光或風(fēng)能不足時(shí)，蓄電池的電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供交流負(fù)載使用。供電系統(tǒng)充分利用了太陽能資源和風(fēng)力資源并使這兩種資源相互補(bǔ)充，有效利用。
(2)夜間：夜間光伏陣列無功率輸出，此時(shí)采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和蓄電池組共同供電的模式。系統(tǒng)自動(dòng)檢測分析負(fù)載功率的大小，而采用風(fēng)力發(fā)電經(jīng)逆變器供電和蓄電池經(jīng)逆變器供電，即AC-DC-AC和PV-DC-AC，兩種模式復(fù)合供電，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率來確定兩者供電的比例，此模式能夠充分利用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，比常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的利用率提高10％～20％。