深海能源基站技术现状与发展趋势.pdf

第45卷第16 期2023年8 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.16Aug.,2023深海能源基站技术现状与发展趋势招聪1-2，谢仁和13，徐纪伟13，马向能13，周念福1.2（1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡2 140 8 2；2.深海技术科学太湖实验室，江苏无锡2 140 8 2；3.深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡2 140 8 2)摘要：深海能源基站是提高UUV续航力、扩大UUV工作范围的有效手段，将改变未来海战中UUV执行任务方式和作战规则。本文阐述深海能源基站的应用需求和工作特点，分析深海能源基站不同储能技术，重点介绍了国内外在燃料电池和核动力深海能源基站方面研究现状。从储能、部署难易、维护周期和使用方式4个方面，探讨了深海能源基站的未来发展趋势。研究表明，深海能源基站将围绕高能量密度和高功率、小型轻量模块化、长周期隐蔽免维护运行、能量信息非接触式高速同传4个方向发展。关键词：深海；能源基站；燃料电池；核动力；充电中图分类号：TE54文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)16-0 0 0 7-0 6Status and development trends of deep sea energy base station technologyZHAO Cong,XIE Ren-hel,XU Jiweil,MA Xiang-neng,ZHOU Nian-ful?(1.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2.Taihu Laboratory of Deep Sea Technological Science,Wuxi 214082,China;3.State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles,Wuxi 214082,China)Abstract:The deep sea energy base station has effectively promotion on unmanned underwater vehicle(UUV)warrules in the future naval warfare by improving endurance and working range of UUV.The application requirements and op-erating features of deep sea energy base station,and its energy storage techniques were summarized and analyzed in thisstudy.The research status at home and aboard of fuel cell deep sea energy base station and nuclear deep sea energy base sta-tion were emphasized.Meanwhile,its future trends were discussed from energy,deployed difficulty,maintenance cycle andfunctions.Its result showed that the further deep sea energy base station would be developed by four following directions in-cluding high energy density and high power density,modular design with small size and light weight,long term operatingwith maintenance free,as well as high energy and information transmissions with non-contact.Key words:deep sea;energy base station;fuel cell;nuclear power;power charge0引言世界上海洋占地球7 1%表面积，平均水深38 0 0 m，90%以上面积海域水深超过10 0 0 mll-2。深海因其蕴藏丰富的资源、矿产和能源，具有巨大的政治、军事、经济价值，成为各国竞相追逐的新战略空间。苏联在2 0 世纪8 0 年代就提出了“谁能控制海底，就能控制海洋”的海洋战略，美国在2 0 15年、2 0 2 0 年相继提出了“海床战”、“海上控制”战略，英国在2 0 2 1年发布的综合审查中重点关注了“海底战”，法国在2 0 2 2 年发布了“海底战战略”，不同国家的海洋战收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 4作者简介：招聪（1991），硕士，工程师，主要从事深海装备设计与研究工作。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.16.002略均表明拓展水下空间、维护水下利益是未来发展重点。各军事强国为实现长期具备对深海环境资源、安全态势的认知、监控和行动能力，制定了一系列有关水下监听、侦察、攻击的水下攻防项目，如对海底持久探测与预警的水下固定式监听网络，执行情报侦察和打击的移动式无人潜航器（UUV）等4。对UUV来说，重量、体积和高隐蔽性等工作要求制约了其可选择的动力能源方式，仅能选择蓄电池，自身携带能量有限，工作几十小时必须回收至水面或布放母船进行能源补给和执行任务情报数据回收，以避免其停止工作5。因此，能否对其实现安全可靠、持久高效的能8源供给是UUV等装备在深海实现远距离、大范围、长时间工作和执行任务的关键。在此背景下，研制出直接可在水下供UUV进行能量补给、情报数据回收和任务指令下载的深海能源基站，可解决UUV能源供应不足、航程短暂、数据存储交换困难等问题6 。本文以深海能源基站为研究对象，阐述其应用需求与工作特点，分析比较能源基站不同储能技术形式。在此基础上，重点介绍燃料电池和核动力2 种动力深海能源基站美俄等海洋强国与国内发展现状，总结了深海能源基站发展趋势，为国内未来深海能源基站的研究与发展提供建议。1应用需求和工作特点深海能源基站是指按预先任务需求，通过提前搭载在水面母船或特种作业潜艇上，在一定深度海域预置部署，具备长期自主在水下发电、储电、变电和供电功能，可对水下监听网络、UUV等装备持续进行能源补给供应的海洋平台7 。1.1 应用需求1)UUV能源补给现有UUV多采用常规蓄电池动力，续航力仅有1040 h 8 。因此，为提高水下续航时间、扩大工作范围，避免频繁上浮增加暴露率，利用深海能源基站在水下航程中途对其进行充电是较理想方式。2）水下监听网持续供电水下监听网需长期隐蔽在水下，持续对海底环境安全态势、敌方舰船实航信息等进行实时监听。采用深海能源基站作为供电方式，可弥补水下监听网受岸电位置限制、隐蔽性不足的缺陷9。1.2工作特点1）隐蔽性强深海能源基站主要应用对象为UUV和水下监听网络，UUV工作深度范围为6 0 0 6 0 0 0 m，水下监听网络工作深度超过10 0 0 m。因此，为避免被敌方探测破坏，能源基站可根据应用对象特点，提前在深海（10 0 0 m深度以下）完成布放，长期隐藏在水下自主工作。2）模块化部署灵活依据不同海域地理特点、不同任务需求，能源基站可进行模块化设计和开放性系统架构，减小体积和重量，机动配置。通过水面布放或特种作业潜艇搭载等方式，在不同深度、不同区域灵活部署，构建出覆盖一定区域的立体式水下能源补给网络。3）高储能续航力高低是决定UUV和海底探测网络水下生存和工作能力的唯一指标，高储能的深海能源基站在水舰船科学技术下集发电、供电、变电和储电于一体，可随时、多次对能量耗尽的UUV、持续监听的水下监听网络提供能量补给，助力UUV等摆脱续航力制约。4）功能多样深海能源基站除作为水下充电站外，还可作为水下信息中继装置，具备数据存储与通信功能。UUV在能源基站进行充电时，可将上一任务期间侦察获取的情报数据通过声光信息传输方式上传至基站存储，同时下载下一任务指令。隐蔽在海底的基站，具备与水面舰船、水下潜艇、天上卫星等通信功能，可将情报信息回传至指挥中心。2深海能源基站储能技术分析储能技术是制约深海能源基站在水下工作时间长短的瓶颈技术10 。现有深海能源基站可实际应用的储能技术主要包括：1）岸基有线供电岸基有线供电借助岸基有线观测网络，采用有限电缆将能源基站与岸基有线观测网络连接，电能无限。但依赖于岸基设施，要求深海能源基站必须部署在岸基附近，无法指定位置，且对有隐蔽需求的区域容易暴露，被敌方发现破坏电缆失去能量供应。2）蓄电池能源基站使用蓄电池作为储能技术可独立在海底布放，但受制于蓄电池能量密度低，提供电能有限，为UUV完成数次充电即需打捞回收，无法满足持续供能的需求12 。如美国麻省理工学院（MIT）与伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）开发的蓄电池能源基站由49 6 0块碱性蓄电池组成，仅能维持4个月的能源供应。3）燃料电池燃料电池是一种通过电化学反应将自身携带的氢气、氧气的化学能直接转换为电能的发电装置13。理论上，只要外界提供氢气和氧气不间断，燃料电池即可连续发电，具有能量密度高、振动噪声小、红外辐射低等优势。燃料电池理论效率为8 3%，实际效率可达到6 0%7 0%，比能量可达到40 0 Wh/kg，是目前水下耐压锂离子蓄电池比能量的4 5倍。能源基站采用燃料电池动力系统作为储能技术，可满足基站高储能、高隐蔽性、长工作时间要求。4）核动力核动力输出功率大、不依赖空气动力、单次工作时间长，可提供近乎无限的能源供应141。采用核动力作为深海能源基站储能技术，可实现能源基站在水下的长期隐蔽工作。但核动力应用面临小型化、冷却循环、安全性等挑战。第45卷第45卷招聪，等：深海能源基站技术现状与发展趋势9.综上所述，燃料电池与核动力是最具发展潜力的深海能源基站储能技术。PoweroutputFuel cell system3国内外深海能源基站发展现状moduleHybridization/Power3.1燃料电池能源基站1）美国美国自2 0 0 4年开始就大力支持用于UUV水下充电的深海能源基站技术研究，2 0 0 9-2 0 14年突破了“金枪鱼”-12（Bluefin-12）无人潜航器水下充电技术等关键技术，完成了实海试验，充电功率达到2 kW，充电时间达到4-6 h。2 0 15年设置了“前沿部署能源与通信基地”（FDECO）项目，如图1所示，旨在研制出可在水下30 0 0 m深度、工作时间超过2 0 年的深海能源基站。借助潜艇等潜器将其在海底不同深度、不同位置点隐蔽布放，构建出覆盖海底上万米区域范围的立体水下充电网络15-16 。美国海军利用深海能源基站作为水下信息中转和充电站，扩大无人潜器工作范围，解决其长时间工作携带电能耗尽、侦察信息存储中转困难的问题。2016年，Teledyne公司开发出基于燃料电池的深海能源基站原理样机（Subsea Supercharger）17 。原理样机采用模块化集成设计（见图2），单套模块组成包括1个3.5kW质子交换膜燃料电池、1个30 Ah的镍氢电池、7 0 MPa高压氢气罐和7 0 MPa高压氧气罐。其中，燃料电池作为发电装置，氢气和氧气分别作为燃料和氧化剂，镍氢电池作为启动电源。单套模块可发出电能10 0 kWh。理论上可将不同模块组合式使用，提高基站总储能。2018年8 月，Teledyne公司开发的燃料电池能源ReactantstorageSU(H,/O2)conditioningmodule图2 Teledyne燃料电池能源基站Fig.2Fuel cell subsea supercharger of teledyne基站参与了美海军组织的“先进海军技术演习”测试，在7 m深度水池内与无人潜航器开展了“系泊状态”下联合调试。此外，还完成了ROV供电试验以及RCS（基于ROV的充电站）供电试验18 。针对样机选用的燃料电池，开展了10 0 0 h耐久性试验，寿命可超过10 0 0 0 h，技术成熟度突破4级。2 0 19 年3月，Teledyne公司联合通用原子电磁公司开展了铝水储能制氢制氧技术集成至燃料电池能源基站，为能源基站提供氢气和氧气，在压力筒条件下与潜航器开展了联调试验，铝水制氢的能量输出相对于高压氢气提高10倍，大幅延长基站水下工作时间。此后，Teledyne公司推出S2C100和S2C600系列商业化产品，工作深度覆盖水下10 0 0 40 0 0 m，发电模块最大储能量2 0 0 kWh，最大输出功率2 0 kW，组合式使用提供储能高达30 MWh。在实际工程应用中，Teledyne公司为延长能源基站水下工作时间，对能源基站进行模块化设计，分为燃料电池发电模块、氢气模块和氧气模块，布置在相互独立箱装体内，即能源现有通信网络现有卫星作战通信道路指挥官通信道路（输出任务数据/输入指控信息）部署/补给平台水下滑翔署，（通信中缝）能源运输补给信息连接平台远征UUV数据获取FDECO储能UUC任务数据图1美军前沿部署能源与通信基地（FDECO）示意图Fig.1 Schematic of Us Navy forward deployed energy and communications outposts能量&数据交换数据处理和存储水文站点目支援无人系统提高持久任务能力加速战场数据传输指控数据10基站可由1个燃料电池发电模块和多个氢气、氧气模块构成。2)德国为满足海底天文台等开发的海底长期观测系统、水下机器人在水下长周期工作的电能供给与数据交换需求，德国基尔海姆霍兹海洋研究中心（GEOMAR）通过ARIM-FUEL（用于海底-海洋中上层监测的自主机器人海底基础设施）项目，联合乌尔姆太阳能和氢能研究中心（ZSW）研制出一种基于燃料电池的海底能源基站系统（GEOMAR能源系统）。该系统输出功率范围覆盖150 10 0 0 W，总储能达到12 0 kWh。选用质子交换膜燃料电池为发电装置，氢源装置配置11个高压氢气瓶，氧源装置配置5个氧气瓶，燃料电池由ZSW研制和提供。此外，系统配置有1个功率接口为4kW的充电电池，电能由燃料电池提供。经测算，该系统成本仅为水下相同储能能力蓄电池的1/15。2021年11月，该基站由埃克恩费尔德的德国陆军第7 1国防技术服务部队在波罗的海成功完成首次水下试验，试验深度为12 0 0 m，测试运行时间为48 h。2022年3月，系统在搭载RVAlkor号上进行了海试，工作时间延长至7 2 h，测试项目主要集中在系统长期运行稳定性和电源管理上。预计到2 0 2 4年，工作深度可达到30 0 0 m。除水下监测系统外，还可利用感应式非接触供能方式为UUV等水下机器人进行充电。3）挪威挪威BLUELOGIC公司针对水下机器人在海底充电需求，从2 0 0 6 年开始一直致力于海底对接充电站（Su b s e a D o c k in g Sta tio n，SD s）的研发，联合WiSub公司在2 0 19 年成功研制出世界上第1座具有3种类型输出功率的开放式海底SDS。SD S采用燃料电池、蓄电池、海上风力涡轮发电机或波浪能转换器进行组合式供电，如图3所示。SDS具有50 W、2 50 W 和2 0 0 0 W三种类型充电接口，包含4个感应式电接口和1个接触式电连接接口，分别是2 个BLUELOGIC公司生产的50 W感应式图3BLUELOGIC海底对接充电站Fig.3 Subsea docking station of BLUE LOGIC舰船科学技术感应式电接口、2 个BLUELOGIC公司生产的2 0 0 0 W感应式电接口，以及1个WiSub公司生产的2 50 W接触式电连接接口，可满足不用功率等级的UUV的补给需求。2019年6 月，瑞典著名防务公司萨德集团子公司Saap Seaeye研制的“剑齿虎”（Seaeye Saber tooth）UUV在瑞典韦特恩湖与BLUELOGIC生产的SDS海底对接充电站成功进行了世界上首次无人干预下的全自主对接，完成了水下充电、数据传输等任务，验证了SDS水下高效高可靠能源供给能力。2018年，挪威Innova公司与美国Teledyne合作开发了储能3MWh的燃料电池能源基站，工作深度1000m，最大输出功率8 kW，用于为海底10 0 0 m深油田Innova公司的液压泵组提供电能。目前已完成能源基站与海底泵组的集成，成功在2 35m深完成多次供电。下一阶段，该能源基站将与UUV进行联合调试，验证可长期为UUV提供电源能力。4）中国中国在2 0 18 年中国科学院发布的战略性先导计划“深海/深渊智能技术及海底原位科学实验站”项目中开展预研工作，提出了构建发电、输电、存电、用电全产业链的深海能源基站方案19，如图4所示。计划使用海底可再生的洋流能、海水电池、金属海水燃料电池、核能的组合式发电装置，全固态锂电池作为储能装置，非接触式充电技术为深海装备进行能源补给。北斗或海事卫星水面舰船海底工厂ROVHOVAUV发电网络用电网络口通讯网络图4多功能深海能源基站示意图Fig.4 Schematic of the multi deep sea energy base station2020年，中国科学院大连化学物理研究所研制的镁/海水燃料电池系统在30 0 0 m水深进行了海试，为“鹿岭”号深海多位点着陆器和“漫游者”潜水器充供电，系统在最大下潜深度32 52 m累计工作时间达到2 4.5h，供电达到3.4kWh。3.2核动力能源基站1）美国美国3M公司借助空间核动力辅助计划项目，针第45卷洋流能发电站浮标深海固态海水金属电池电池着陆器燃料电池万泉海斗深海能源基站第45卷对水下大背压使用环境，设计开发出一种同位素核电池方案，代号“SNAP-21B”。该同位素核电池热电转换效率达到10%，可连续工作时间长达5年。采用钛合金作为压力容器材料，工作深度可覆盖至水下7 0 0 0 m。2）俄罗斯俄罗斯为长期掌握敌方潜艇、舰船等实时信息，制定北极开发计划，在北极地区下10 0 0 m深度的大陆架秘密布置了“和声”（Harmony）水下声呐探测网络，旨在探测10 0 km或以上范围内敌方潜艇运行信息。为满足Harmony水下声呐探测网络长期电能需求，俄罗斯核能动力主要研究机构国家原子能公司（R o s a t o m）下属的多列扎利动力工程科研设计研究院（NI K I E T）研制出“大陆架”（Shelf）核能发电站。俄罗斯计划通过具备大潜深特种作业能力的“别尔哥罗德”号特种潜艇携载、运输Shelf发电站，如图5所示。在北冰洋大陆架10 0 0 m以下不同位置点对其进行隐蔽式预置部署，构建出水下充电网络，为Harmony、U U V 或其他需要长时间工作、频繁供电的海底设施提供所需电能2 0 。图5“大陆架”工作示意图Fig.5Work schematic of Shelf该核能发电站为直径8 m、长度14m、重335t的圆柱舱段压力容器，可承受10 0 0 m深度以下海水压力。舱段内部采用高度紧凑化设计，舱内安装有1座集成式压水反应堆、1台小型核涡轮发电机、热液压回路、电能传输分配装置、蓄电装置、操控系统及数据存储传输系统等辅助装置。NIKIET局披露资料显示，发电站热功率输出约为6.4MW。发电站采用简化热循环回路的布置设计，可降低内部流动阻力，自然冷却循环时可提供输出功率约为2 8 kW，远超过Har-mony所需电能。全站可在海底实现无人连续自主运行30 年，1年仅需维护一次。目前核能发电站已通过技术验证，在俄克雷洛夫国家科学中心接受测试，测试完成将交给俄国防部使用。与此同时，同属Rosatom的阿夫里坎托夫机械制造实验设计研究院（OKBM）正在研制更大型的Gidro-press水下核能发电站。反应堆技术使用基于7 0 5KALFA潜艇开发的铅铋冷却快堆，输出功率覆盖10 招聪，等：深海能源基站技术现状与发展趋势可连续运行超过8 0 0 0 h。3）中国国内水下核动力主要集中在核潜艇等领域，科技部在十四五“深海和极地关键技术与与装备”重点专项2 0 2 1年年度项目中，将深海核能发电站技术作为前沿与颠覆性技术进行布局，设置了“深海微型核能发电系统”项目，旨在研制工作水深大于2 0 0 0 m、发电功率大于2 0 kW的模拟样机，为深海核能发电站未来的大规模应用奠定基础。3.3国内外差距美俄等海洋强国已研制出可在水下应用的燃料电池能源基站和核动力能源基站，技术成熟度达到9级，部分公司甚至已开发出可适用不同场景需求的商业化深海能源基站产品。国内在燃料电池深海能源基站研究方面起步较晚，停留在方案构建与陆上实验室原理样机演示验证阶段，缺乏实际海试数据积累，更无技术成熟可应用产品。其原因在于国内燃料电池在功率等级、寿命等方面与国外存在巨大差距，国外燃料电池目前基本已实现平均无故障时间2 0 0 0 h、寿命10 0 0 0 h，而国内目前的水平为平均无故障时间2 0 0 h、寿命10 0 0 h。而在核动力深海能源基站研究方面，国内更处在开始布局预研阶段，还未研制出实验室原理样机。4深海能源基站发展趋势4.1高能量密度和高功率输出储能量高低是限制深海能源基站工作时间长短的关键因素，充电数次后就要回收的能源基站无应用价值。当前，UUV正朝着大排量、长续航力、多负载的方向发展，对UUV动力源的能量密度、推进功率要求更高，使得能量补给需求呈数量级增长2 1。为匹配UUV能够在水下实现多次能量补给的需求，动力能源将是深海能源基站发展面临的瓶颈问题。未来深海能源基站从储供能方面要求基站自身动力具备高能量密度、高储能量、高输出功率等特点，从技术成熟度和可应用快慢时间上来说，当前可优先发展发电效率高、能量密度大、可模块化组合的燃料电池能源基站，同步开展超长甚至无限续航力的微型核动力能源基站关键技术研究，构建出不同能量尺度的深海能源基站发展路线。4.2小型轻量模块化深海能源基站无自主航行能力，需借助水面船、飞机等交通工具布放在海底，在特殊海域甚至需要通过特种作业潜艇搭载，直接在水下部署。因此，对基站的体积、重量、结构可搭载形式提出严格要求2 。1150MW，标称模块功率为2 4MW，在无人维护状态下12从部署便捷难易度来看，未来能源基站需朝小型化、轻量化、模块化方向发展。另一方面，实现模块化的能源基站可在水下利用电缆自由组合连接，以满足不同任务的功率等级与储能量要求。4.3长周期隐蔽免维护运行能源基站长期工作于海底复杂海洋环境中，面临高压、高湿、高盐、海洋生物粘附等恶劣环境2 3，易发生海流冲击、沉降、泥沙掩埋、海水腐蚀、海洋生物附着等极端情况，使得基站外部结构产生损伤，基站出现破坏停止工作。目前，为保证基站能够长期稳定运行工作，需定期利用有人深海装备潜人海底进行维护，频繁维护一定程度上增加了基站的暴露率。因此，为实现能源基站在海底的长周期隐蔽生存与工作，在选择高能量密度的动力技术增加基站储供能能力同时，需对基站结构材料选择具有特殊要求。未来，采用高性能、耐腐蚀的新材料，可增强能源基站的生存周期，降低维护周期甚至实现全寿命周期免维护。4.4能量信息非接触式高速同传能源基站是UUV实现水下充电、信息中转的中继平台。当前，受制于水下无线充电方式电能传输速度缓慢、传输功率低和传输效率低，为降低UUV多次任务间隔时间，实现快速充电。UUV与基站间仍多使用插拔式接口对接方式连接，该方式在海水环境下存在对接难度大、自动化程度低、灵活性差、短路或漏电等安全隐患2 4。因此，有必要在未来发展大功率、长距离、高效率、能量信息同传的非接触式传输技术，实现UUV等水下无人装备与基站间安全、灵活的能源供给与信息快速交互5结语深海能源基站是提升UUV等水下无人装备水下续航力、工作范围的有效手段，同时也是各国海军抢占深海战略空间的必要海底基础设施之一。国内与美俄等海洋强国在深海能源基站领域的研究差距明显，应加快布局和研究步伐。针对UUV水下多次隐蔽充电、水下监听网持续供电的应用需求，燃料电池和核动力是深海能源基站目前最具发展潜力的2 种动力储能技术。在未来深海能源基站中，高能量密度和高功率输出、小型轻量模块化、长周期隐蔽免维护运行和能量信息非接触式高速同传4个发展方向值得重点关注。参考文献：【1朱忠，杨立华，司马灿.美俄水下载人探测作业装备发展.中国造船,2 0 19,6 0(2):2 17-2 2 6.舰船科学技术【2 郎舒妍，曾晓光，赵羿羽.2 0 30：全球海洋技术趋势.中国船检,2 0 17(6):90-92.【3】陈锋，杨清轩，周泓伯，等.国外深海作战概念发展及启示.舰船科学技术,2 0 2 0,42(7):18 6-18 9.4】周亮，周浩，张勇明.美军水下无人作战系统开发现状及启示.中阿科技论坛,2 0 2 1(10):12-14.5 并荆有泽,刘志伟.UUV用动力电池现状及其发展趋势.电源技术,2 0 19,43(6):10 7 3-10 7 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