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        水下觀測和探測裝備能源供給技術現狀與發展趨勢

        發布時間:2022-08-11 10:20:27  |  來源:中國網·中國發展門戶網  |  作者:吳天元 等  |  責任編輯:殷曉霞

        水下觀測和探測裝備是發展海洋強國的攻堅利器

        黨的十八大以來,我國提出建設海洋強國的戰略部署,要求提高海洋資源開發能力。2016年5月,習近平總書記在全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上指出,“深海蘊藏著地球上遠未認知和開發的寶藏,但要得到這些寶藏,就必須在深海進入、深海探測、深海開發等方面掌握關鍵技術”。深海戰略“三部曲”明確了海洋強國的實施規劃。2021年12月,《“十四五”海洋經濟發展規劃》明確提出:優化海洋經濟空間布局,加快構建現代海洋產業體系,著力提升海洋科技自主創新能力,協調推進海洋資源保護與開發,維護和拓展國家海洋權益,加快建設中國特色海洋強國。

        耕海探洋,裝備先行。在認知、探索海洋的過程中,水下觀測和探測裝備是海洋進入、海洋探測的必備設施,為海洋資源的開發與利用提供基礎保障,是發展海洋強國的攻堅利器。近年來,世界海洋強國紛紛加大在海洋基礎設施和裝備方面的戰略部署,以期在未來海洋資源開發利用“爭奪戰”中搶占先機。美國發布《2030年海洋研究與社會需求的關鍵基礎設施》,制定了關鍵基礎設施的規劃;英國發布《全球海洋技術趨勢2030》報告,分析了商業運輸、海軍和海洋健康等方面未來技術趨勢,并對海洋鉆探船、科學考察船、水下機器人、水下滑翔機等海洋裝備的作業時間、效率及可靠性提出了更高的要求?!笆濉币詠?,我國持續部署國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項,從“蛟龍號”“深海勇士”號到“奮斗者”號,取得了一系列重大成果突破,關鍵技術也逐步實現國產化,這標志著我國已掌握了深海資源開發的攻堅利器。

        水下觀測和探測裝備能源供給技術的國內外現狀

        眾所周知,水下裝備的能源供給水平直接決定了其作業能力和續航時間。目前,水下裝備動力能源通常以化學電源為主,包括鉛酸、銀鋅、鋰電池和燃料電池等,主要性能指標詳見表1。受限于水下裝備的體積、重量、可靠性等設計要求,自主水下潛航器(AUV)、水下遙控航行器(ROV)、深海載人潛水器(HOV)等深水裝備的能源裝載量受到極大的限制,導致作業時間和作業效率偏低,作業成本居高不下。因此,近年來持續提升水下裝備的續航能力、延長作業時間和作業效率已成為世界海洋強國水下裝備技術競賽的焦點。

        水下探路者——AUV和ROV等水下裝備能源系統技術現狀

        AUV(圖1)和ROV(圖2)等水下無人航行器作為水下探索和作業的先鋒,是觀測、探測海洋的核心裝備。由于ROV需要人為操控,其工作效率和活動范圍受到極大的限制,具有一定的局限性;AUV本體攜帶能源和自主導航,具有自主航行控制與作業能力,廣泛用于海洋經濟開發與海疆防衛。

        ROV的能源供給來自母船電源或岸上電源,通過具有承載強度的多功能復合纜進行電力、通信的傳輸,其能源供給方式較為簡單。而AUV的能源主要源自其所攜帶電源,其作業能力和安全性取決于所攜帶單體電池的能量密度和安全可靠性。AUV的一次電源主要采用質子交換膜燃料電池、金屬海水燃料電池和鋰亞硫酰氯電池,部分置于干艙內,其二次電源先后經歷了鉛酸蓄電池、銀鋅蓄電池、鋰離子電池等階段。

        早期的AUV二次電源大多采用鉛酸蓄電池。1994年,我國首臺水下自主航行器“探索者”號問世,采用充油鉛酸蓄電池,下潛深度1000m。20世紀90年代,銀鋅蓄電池一度成為AUV的主流動力電源,美國先進無人搜索系統(AUSS)、韓國OKPL-6000、加拿大Theseus、中國“CR-01”等均采用銀鋅蓄電池。由于銀鋅蓄電池存在充電速度慢、壽命短、成本高、充電析出易燃易爆氣體等缺點,陸續被鋰電池替代。中國“潛龍一號”、美國LMRS、Bulefin-9、法國Alister 3000等AUV均搭載鋰離子動力能源。美國REMUS-6000 AUV使用Saft公司研制的鋰離子電池組作為動力電源,最大工作水深達6000m。2015年,中國科學院沈陽自動化研究所研制的6000m“潛龍一號”搭載鋰電池動力系統,最大續航24h,標志著我國深海AUV技術達到國際先進水平。深海燃料電池主要包括質子交換膜燃料電池和金屬海水燃料電池,能量密度超過400Wh/kg,具有高能效、快啟動、無污染等特點。美國“海馬”“桑塔”、挪威Hugin 3000、德國Deep C、日本Urashima等應用了燃料電池。挪威Hugin 3000攜帶45kWh鋁海水燃料電池,續航能力達到60h,一次續航440km。德國Deep C采用質子交換膜燃料電池,續航時間60h,一次續航400km,航速60kn。2020年,中國科學院大連化學物理研究所成功研制出鎂海水燃料電池系統,最大下潛深度3252m,累計作業時間為24.5h,累計供電達3.4kWh(圖3)。

        盡管金屬海水燃料電池具有更高的能量密度,但由于海水中的溶解氧濃度低,導致其輸出功率低,無法滿足AUV的瞬時高功率作業需求,作為唯一能源應用時僅適用于水下長期觀測設備的能源供給。鋰離子電池具有長壽命、高功率等優勢,目前仍為AUV的主流能源動力,符合具有水下隱蔽持續能源補給能力的智能化AUV集群發展需求。而由金屬海水燃料電池、鋰離子電池組成的一次、二次組合能源系統則為兼顧長續航和高動力性能的單兵AUV提供了可靠的能源支撐。

        科考重器——HOV能源系統應用現狀

        HOV主要用于執行深水考察、海底勘察與資源開發、深海打撈與救生等作業任務,是海洋資源探索與開發的科考重器。1960年1月,美國“迪里亞斯特”載人潛水器下潛至馬利亞納海溝,最大潛水深度達10916m,開啟了人類萬米深潛之旅。但該潛水器采用鉛酸蓄電池,僅用于驅動螺旋槳、舵等小型動力裝置,以實現水下姿態的微調和拋載,尚不具備海底勘探和采樣作業能力。

        目前,世界上擁有6000 m級HOV的國家有美國、中國、日本、法國和俄羅斯。法國“鸚鵡螺號”HOV采用鉛酸電池,能量密度為~25Wh/kg,下潛深度6000m;我國“蛟龍號”(圖4a)則采用銀鋅電池,能量密度為~55Wh/kg,最大下潛深度7020m。這兩種電池均存在能量密度低、重量大、維護煩瑣等問題,已被世界先進國家摒棄。美國“阿爾文”號和日本“深海6500”號HOV裝備了鋰離子電池,能量密度達~130Wh/kg,其下潛深度分別為4500m和6500m,單次作業時間為6—10h(表2)。

        近年來,在國家重點研發計劃和中國科學院戰略性先導科技專項的支持下,我國HOV開啟了國產化和鋰電化的新征程。2017年,我國4500m“深海勇士號”載人潛水器問世,搭載120Wh/kg磷酸鐵鋰電池,海底作業時間約6h。2020年,我國“奮斗者號”載人深潛器(圖4b)順利完成萬米海試,搭載135Wh/kg鋰離子電池,最大載人深潛10909m,最大作業時間約10h,具有強大的勘察、探測等作業能力。HOV動力的發展趨勢顯示,持續提升能量密度、深水耐壓性能,同時延長潛水作業時間是世界各國水下裝備發展的剛性需求。

        而固態鋰電池采用固態電解質替代傳統液態電解液,不僅具有耐深水高壓特性,在顯著提升能量密度的同時,還具有本征安全性,是HOV動力能源的理想選擇。

        水下觀測和探測裝備智能化、集群化發展趨勢引發深水能源系統供給技術革命

        隨著海洋資源開發進程的提速,單一裝備的作業能力已不能滿足“透明海洋”工程與“海底工廠”的建設需求,水下裝備已呈現智能化與集群化發展趨勢。而以海上風能、太陽能、波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等形式存在的海洋能源具有蘊藏量巨大、可再生、清潔環保等優勢,成為新時期亟待開發的戰略性清潔能源。中國科學院廣州能源研究所繼2019年完成我國首臺波浪能供電觀測浮標“海聆”應用示范后,持續開發出10W、60W、100W、200W、300W、1 kW等多種型號的小型波浪能供電裝置,為浮標、航標燈及一些小型裝置做原位供電,滿足差異化海域及原位觀測儀器設備的電力需求,為我國海洋觀測系統建設提供技術與裝備支撐。2020年8月,中國科學院廣州能源研究所設計的“南海兆瓦級波浪能示范工程建設”500kW鷹式波浪能發電裝置“舟山號”建成交付,開啟了珠海市大萬山島的應用示范。

        由于受到氣候、洋流、深度等因素影響,現有海洋能源的發電裝置電力輸出存在間歇性、功率不穩定、效率低、成本高、經濟效益差及一些技術問題,尚不能直接對海洋裝備進行高效、可靠的能量補給。因此,如何實現電能在深海裝備中的持續穩定傳輸、儲存與供給,提高深海裝備的作業效率和作業能力,保障深海裝備集群長期、可靠的復雜工況下長潛伏運行,是制約深海裝備智能化發展的瓶頸。

        高能量密度、高安全儲能系統可大幅提升水下裝備的單次續航及作業能力

        水下裝備單次續航及作業能力受限于自攜電源的能量密度和運行工況。常規電池的質量比能量低,在同樣的荷載條件下,攜帶更多的能量將導致該裝備自身質量的大幅增加,進而需要通過匹配更多的浮力材料進行系統總體優化,最終會帶來自身重量大、起吊布放與回收困難等問題,極大地制約了水下裝備在復雜工況下的荷載能力與智能化水平。因此,持續提升深水復雜工況下的能量密度、安全性及壽命是水下裝備儲能電源的發展要素。

        固態鋰電池兼顧高能量密度、高安全、深水耐壓等優勢,理論能量密度超過450Wh/kg,是商品化鋰電池的2—3倍,是深海儲能的理想選擇。在中國科學院戰略性先導科技專項“深海/深淵智能技術及海底原位科學實驗站”、國家重點研發計劃相關項目等支持下,中國科學院青島生物能源與過程研究所首創“剛柔并濟”技術路線,采用固態聚合物電解質替代液態電解液,打通原位固態化工藝,研制出自主知識產權的聚合物固態鋰電池,成功實現深海電源系統研發與示范應用,為中國科學院深??茖W與工程研究所研制的“萬泉”“天涯”“金雞”“滄?!薄奥箮X”等深海裝備提供充足的能源動力,于2017、2018、2019年連續3年實現10901m全深海示范應用、26天單次下潛持續最長作業、198天持續無故障運行等示范新突破。5年內,固態鋰電池能源系統實現零故障深海示范運行,表明我國高能量密度深海電源技術已趨于成熟,為超大容量深海能源基站的構建夯實了技術基礎。

        構建大型高安全儲能基站可為水下裝備集群化作業提供充足的能源動力

        為滿足深海裝備智能化與集群化發展,水下高隱蔽、長潛伏、滿足復雜工況的大容量儲能基站技術研發和建設迫在眉睫,此類技術在國際上鮮有報道。面臨的主要難題有:深水復雜工況、超大容量、深水壓力、長期潛伏、系統自放電、瞬時高功率等。為解決以上難題,中國科學院于2018年率先部署了戰略性先導科技專項(A類)“深海/深淵智能技術及海底原位科學實驗站”,針對深水發電、儲電、輸電和用電,進行了能源關鍵技術研發與應用全鏈條布局,提出構建以全海深固態儲能系統為儲能樞紐,以海洋能、微型核能、溫差能、金屬燃料電池等為發電系統,以深海智能裝備為用電系統的“發、儲、輸、用”多能互補的大容量模塊化全海深能源基站(圖5。創新深海無線充電技術,實現從“儲”到“用”的高效供給,大幅提升水下作業時間和效率,從根本上解決了深海裝備的能源供給瓶頸。 

        以上專項研究內容中,部分工作已在國家重點研發計劃“深海和極地關鍵技術與裝備”重點專項中獲得“延續性”支持,如深海核能、深海大容量儲能系統已在2021年完成首批立項。

        高能效水下無線充電系統保障水下能源基站至水下裝備的能源傳輸

        如何實現電能的高效傳輸是制約水下能源基站發展的另一瓶頸。深海裝備所需電能一般通過母船電纜進行水下或船面補給。水下補給采用被世界少數國家所壟斷的濕插拔技術,該方式存在安裝難度大、操作困難、接口易磨損等問題,能量補給成本高、效率低。水下無線充電是一種非接觸式能量傳輸技術,通過電磁耦合實現高隱蔽可靠的能量傳輸,滿足水下裝備智能化、長潛伏與集群化的補給需求。

        無線充電技術已在電動汽車、家用電器領域得到廣泛應用,其水下應用仍處于試驗探索階段,需持續開展長期可靠性驗證。中國科學院電工研究所研制出兩套面向深海4500m和深淵萬米平臺需求的無線充電系統,設計功率最大1kW,效率達到81%,通過了127MPa模擬壓力環境測試,完成了AUV系統和塢站集成與聯調試驗。目前水下無線充電技術面臨的主要挑戰有:水下無線充電的效率、大功率無線充電的海水渦流損耗、長期運行可靠性、長潛伏的安全性與隱蔽性等。

        構筑深遠?!澳茉磵u”,為艦船、島礁、海上平臺、海洋牧場、水下儲能基站、水下裝備等提供能源和支撐

        近年來,為了實現“雙碳”目標,世界各國均加快可再生能源的開發與規?;?。我國《“十四五”可再生能源發展規劃》明確提出,“十四五”末可再生能源發電量增量在全社會用電量增量中的占比超過50%。大力發展海上風電、光電,創新能源供給模式,成為我國東部沿海地區實現“能源結構轉型”的重要舉措,其海上風光等發電選址均在近海。由于受生態環境保護、海上交通航道占用等因素影響,近海風電站址資源日趨緊張,而深遠海風能具有風速更高、風向更為穩定等顯著優勢,更加適于大容量、長風時、高效率的風電場建設。

        2021年,丹麥能源署公布了建立“能源島”(圖6)的計劃,選址為距海岸線80—120km的遠海,每個漂浮式能源島,海上風能、光電等可再生能源裝機容量至少10GW,計劃于2050年建成,其中一期規劃3GW,將于2030年交付使用。由此可見,構筑深遠?!澳茉磵u”,將海上可再生能源資源的開發與利用場所由近海推向遠海,一方面充分利用遠海更好、更穩定的海上能源資源進行“冷熱電儲”,提升可再生能源資源的開發利用效率,另一方面將促進加快海上制氫等無人工廠建設,實現遠海風、光等可再生能源高效利用。

        此外,深遠?!澳茉磵u”可將遠海能源補給藍圖變為現實,在遠海即可實現對艦船、島礁、海上平臺、海洋牧場、水下儲能基站及水下裝備的能源供給,避免了大型裝備需回港或回岸補充能源帶來的各項損失,也大幅增強了水下作業的隱蔽性。與此同時,“能源島”也為深遠海通訊難這個“卡脖子”問題提供了新的解決方案??梢哉f能源島的建設作為探索深遠海域的跳板,每一個能源島都可以作為一個中轉站,“點亮”一片海域。由此可見,構筑深遠?!澳茉磵u”具有重大的能源戰略價值,我國應加快布局并盡快啟動,充分發揮多學科交叉融合優勢,力爭建成全球第一座深遠?!澳茉磵u”,進一步從島到鏈,并形成集能源、信息、補寄為一體的重要平臺,為艦船、島礁、海上平臺、海洋牧場、水下儲能基站、水下裝備等提供充足的海面能源供給,這對我國經略海洋具有重大戰略意義。

        我國水下能源供給技術發展建議

        “十二五”以來,我國持續部署重大項目,如國家重點研發計劃“深海和極地關鍵技術與裝備”重點專項、中國科學院戰略性先導科技專項,在水下能源、通信、裝備等領域開展了多輪次、全方位新興前瞻技術部署,科技實力正在從量的積累邁向質的飛躍、從點的突破邁向系統能力提升,陸續實現核心關鍵技術國產化,取得了一系列突破性進展,為我國海洋經濟發展、海疆防衛及國家海洋權益維護奠定了堅實的基礎。然而,相比于發達國家,我國海洋經濟還剛剛起步,海洋科技在原始創新能力、創新資源整合、創新力量布局、人才隊伍與評價體系等方面尚顯不足;海防任務依然艱巨,海流能、波浪能、潮汐能、溫差能等技術尚未得以真正應用;海底勘察與探測作業能力仍需大幅提升,海底工廠也還處于概念階段。

        水下能源供給技術水平決定著海洋開發的步伐,掌控著海洋強國的發展命脈,持續創新水下新型能源技術,構筑取之不盡用之不竭的多能互補水下能源供給平臺,將大幅促進水下裝備的智能化進程,夯實海洋強國建設基礎,助力我國早日實現海洋強國夢。

        技術層面。結合水下裝備的應用工況,發展差異化的能源供給技術。對于一次性、低成本的智能感知設備,發展高能量密度、小型化、綠色無害能源技術;對于長期漂流式水下裝備,需要發展穩定、緩釋、可靠、適應廣域溫度的能源技術;對于固定的觀探測設備,發展原位自主供能方案;對于各類移動式裝備平臺,水下能源基站或“能源島”將是未來的首選方案。針對移動式智能化與集群化水下裝備,積極布局具有高安全、高比能、高可靠等顯著特點的發、儲、輸、用等水下核心能源輸配電技術,持續優化多能互補的水下能源平臺智能化集成技術。在水下“發電”方向,就地取材,發展差異化水下發電技術:常規海域發展多層次海洋能一次發電技術,如潮汐能、波浪能、海流能等機械能發電;冷泉、熱液等區域充分利用海洋溫差,開發溫差能發電技術;加快探索深海微型核能技術的研制與示范;繼續優化深海金屬燃料電池,推進長效穩定的金屬海水電池產品開發與工程化進程;進一步優化貯存式一次電池金屬陽極合金,發展新型電解液輔助循環結構,創新激活式大功率原電池熱管理系統,提升安全可靠性。在水下“儲能”方向,聚焦電化學儲能技術,持續挑戰充油耐壓二次電池的能量密度等核心技術指標。一方面繼續大幅提升深海聚合物固態鋰離子電池的重量能量密度,力爭實現400 Wh/kg;另一方面,發展新型固態電解質,構筑適合鋰金屬及合金材料體系的高可靠界面,提升固態鋰金屬電池的循環壽命,實現550Wh/kg以上高能量密度電池的長循環。在水下“輸電”方向,重點突破水下大功率無線充電技術的傳輸效率和長期可靠性,揭示海水介質下的電磁耦合所引發的渦流損耗機制和變化規律,持續優化深水壓力下的磁耦合機構,創新無線充電系統熱管理,提高長期運行的可靠性。同時應進一步探索其水下工作特別是長潛伏的安全性與隱蔽性。在水下“用電”裝備端,結合智能化裝備的工況需求,研發差異化的深海充油耐壓二次電源系統,持續優化深海高可靠電池管理技術和輕量化充油耐壓一體化集成技術,大幅提升系統能量密度。在水面能源供給方面,加強海上綜合能源開發與利用,重點加快懸浮式海上基地建設,攻克海上風光高效發電、海水制氫、CO2轉化合成燃料等無人制造關鍵技術,構建風能、太陽能、氫能、波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差、海水淡化及海洋牧場等綜合能源集成的海上“能源島”,實現深遠海通信、各種能源水面供給及高效利用。

        政策層面。聚焦國家重大需求,凝聚國家戰略科技力量,建立深海能源技術研究高地。關注基礎研究與工程化應用技術的銜接,鼓勵產業化技術孵化,健全分類評價與人才晉升機制,制定水下高比能電池、水下無線充電、微型核能等技術研發及產業化激勵政策,鼓勵水下能源平臺建設。推進落實產、學、研、金、服、用一體化融合發展機制,激勵構建新時期海洋研產聯合體,打造海洋創新創業共同體,建立以目標為導向的海洋領域產業聯盟,加速具有自主知識產權的核心關鍵技術產業化進程。

        體制層面。強化頂層設計,優化力量統籌,破“舊制”,立“新規”。打破傳統海洋“圈子”,去除海洋領域“圍墻”,海納百川,匯聚多方智慧,構建跨學科、跨單位、跨系統的一體化深度融合的項目研發機制,鼓勵國內頂尖工程技術力量進入海洋,聚焦深海能源核心難題,建立由科學院、高校、企業等組成的協同攻關創新團隊,銳意進取,突破關鍵技術,共享創新成果,為國家海洋強國建設與海疆防衛提供能源技術保障。

        平臺建設層面。聚焦海洋領域高質量發展需求,加快推進并完善海洋領域平臺建設,倡導“開放”“共享”“合作”,鼓勵協同創新,構建我國海洋領域大型基礎設施和海洋大數據共享平臺,打破大型儀器設備及海洋基礎設施的系統化、單位化、小集體化現象,實現國內海洋領域平臺、數據等資源共享,提高其使用效率,充分發揮其科研價值和社會價值,形成強大協同的前瞻探索能力、應用技術創新能力以及產業化推動能力,為海洋科技振興、國家海疆安全和海洋經濟發展提供堅實的關鍵設施保障。


        (作者:吳天元,中國科學院青島生物能源與過程研究所青島儲能產業技術研究院;江麗霞,中國科學院重大科技任務局;崔光磊,中國科學院青島生物能源與過程研究所青島儲能產業技術研究院?!吨袊茖W院院刊》供稿)


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