Современная электроника №2/2021

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 13 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2021 Главный силовой генератор CCell основан на инновационном преобра- зователе волновой энергии, в котором прочная лопасть приводит в движение элементы гидравлической системы и вырабатывает электричество. Эта уста- новка требует точной регулировки для выращивания коралла. Помимо необходимости в норма- лизации широких колебаний входно- го напряжения, в процессе электроли- за нужно учитывать состав морской воды, температуру и скорость потока через электроды (анод и катод), кото- рые образуются стальной рамой. Все эти переменные нужно внимательно отслеживать, измерять и контролиро- вать, чтобы разность потенциалов меж- ду анодами и катодами обеспечивала точно рассчитанный ток сквозь мор- скую воду. Это нужно, чтобы оптими- зировать процесс электролиза и гаран- тировать рост прочных и устойчивых известняковых отложений (из карбо- ната кальция) из растворённых в мор- ской воде минералов. Рост рифов управляется за счёт точ- ного контроля разности потенциалов электрического поля между электрода- ми в пределах «обитаемой зоны», кото- рая для системы CCell составляет от 1,2 до 4 В в зависимости от упомянутых условий окружающей среды. Сеть энергоснабжения Для выращивания 360 м 2 кораллово- го рифа требуется около 2 кВт энергии. Преобразователи волновой энергии, из которых состоит морская электростан- ция, размещаются в местах максималь- ного выхода энергии вблизи береговой линии. Выходное напряжение преоб- разователей меняется в диапазоне от 35 до 70 В. Сеть энергоснабжения (см. рис. 2) строится по следующему принципу: на первом этапе происходит преоб- разование, за которым следует регу- лирование в точке снятия мощности для систем мониторинга и управляю- щей электроники. Энергия передаётся по длинному кабелю к системе электро- лиза, размещающейся очень близко к стальной раме на дне океана, где вос- станавливается или создаётся риф. При мощности 2 кВт и разности потенциалов между электродами в зоне оптимальных значений (1,2...4 В) систе- ма питания электролитической уста- новки должна выдавать ток до 1666 А на нижней границе диапазона напря- жений. Эти условия привели разработ- чиков сети энергоснабжения к несколь- ким проблемам: 1. входное напряжение, меняющееся в диапазоне от 30 до 70 В, преобразо- вывается и регулируется для управ- ляющей системы на берегу, а элек- тролитическая установка находится на рифе; 2. обеспечение передачи электроэнер- гии высокой мощности (2 кВт) на морскую электролитическую уста- новку, находящуюся на расстоянии до 700 м от берега; 3. передача высокого тока (примерно до 1700 А) и поддержание напряже- ния на нужном уровне. Напряжение между электродами стальной сет- ки должно находиться в диапазоне 1,2...4 В, а система энергоснабжения должна уметь быстро корректиро- вать напряжение и ток при посто- янно меняющихся условиях. Компания Vicor порекомендовала свою провереннуюфакторизованную архитектуру электропитания (FPA), поскольку полностью была уверена, что та соответствует всем требовани- ям и может обеспечить высокую плот- ность тока для минимизации размеров системы энергоснабжения, развёрну- той в океане. FPA включает мультипли- катор тока, который также характеризу- ется способностью быстро реагировать на переходные процессы. Факторизованная система электропитания Стандартный преобразователь DC-DC выполняет две функции, реализован- ные в одном устройстве: преобразова- ние и регулирование. Разработка Vicor факторизует (разделяет) функцию пре- образователя DC-DC на два отдельных модуля: регулятор PRM и мультиплика- тор тока VTM. Архитектура и топология каждого устройства идеально подходят для нетривиальных задач энергоснаб- жения, стоящих перед CCell. Во-первых, регулятор напряжения PRM способен повышать и пони- жать стабилизируемое напряжение в широком диапазоне изменений напряжения на входе. Благодаря топологии, при которой переключе- ние силовых транзисторов происхо- дит при нулевом напряжении (ZVS), регулятор обладает очень высокими КПД и удельной мощностью, а так- же позволяет легко создавать парал- лельные массивы для энергоснабже- ния большей мощности. Передача энергии до рифа осуществляется на большое расстояние, поэтому требуе- мая мощность составляет почти 2 кВт, однако повышенное напряжение помогает уменьшить сечение кабе- ля и таким образом экономить энер- гию. Регулятор PRM не только рабо- тает в широком диапазоне входных напряжений, но и оптимизирован для передачи более высоких регули- руемых напряжений и последующего преобразования модулем VTM. VTM представляет собой резонанс- ный высокочастотный нерегулиру- емый преобразователь напряжения, выходное напряжение которого рав- но входному напряжению, умножен- ному на постоянный коэффициент. Коэффициент преобразования назы- вается K-коэффициентом. VTM рабо- тает как трансформатор DC-DC: если K-коэффициент равен 1:8, то выходное напряжение составляет 1/8 от входно- го, а усиление по току становится вось- микратным. Два модуля работают вме- сте: PRM точно регулирует напряжение для рифа, а VTM преобразует и переда- ёт ток на электроды. PRM будет регулировать входное напряжение в диапазоне 36...70 В с учётом измеренных падений напря- жения в силовых кабелях до рифа. Получаемое от преобразователя вол- новой энергии напряжение преобра- зовывается и подаётся на вход моду- лей VTM мощностью 9,6...32 В, которые с K-коэффициентом 1:8 выдают напря- жение 1,2...4 В. В зависимости от посто- янно меняющихся условий окружа- ющей среды PRM регулирует подачу напряжения на модули VTM, чтобы на выходе получалось напряжение задан- ного уровня. Выверенная подача электроэнергии на стальную раму обеспечивает извле- чение из морской воды минералов, которые осаждаются на раме и форми- руют прочную известняковую структу- ру. После ручного засеивания кораллов на известняк, CCell может ускорить рост коралла на известняковой скале так, что коралл будет расти в 3 раза быстрее, чем в природных условиях. Сегодня CCell создаёт в Мексике новый риф, размер которого составит 200 × 6 м. Процесс выращивания хорошо проходит в регионах с тёплой водой, таких как Мексиканский залив и Кариб- ское море, там известняк в сочетании с карбонатом кальция растворяется мед- леннее. В будущем предстоит решить аналогичную задачу для более холод- ных вод.