海洋航行器能源供給現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王建新，趙江濱，賈玉山 ，魏 淵，范夢(mèng)雨

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063)

海洋航行器主要用來(lái)代替人力完成各種海洋環(huán)境下的不同任務(wù)。海洋航行器種類(lèi)繁多，主要包括水下遙控航行器(ROV)、自治水下航行器(AUV)、自治水面航行器(ASV)及水下滑翔機(jī)(AUG)等。海洋航行器因其自主性高、環(huán)境適用性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)低、隱蔽性好等特點(diǎn)而成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)。

海洋航行器技術(shù)較為成熟，但電力供應(yīng)問(wèn)題一直是其發(fā)展所面臨的困難。其中動(dòng)力電源的優(yōu)劣是決定海洋航行器續(xù)航力的關(guān)鍵。近年來(lái)，人們一直致力于海洋航行器環(huán)境能供電的研究，除了這些海洋環(huán)境能之外還有電池供能，具體的能源供給分類(lèi)如圖1所示。環(huán)境能儲(chǔ)量豐富，可源源不斷地就地獲取并使之轉(zhuǎn)換為可利用的電能，以太陽(yáng)能無(wú)人船、波浪滑翔機(jī)、無(wú)人帆船、溫差能滑翔機(jī)最具代表性，但這些設(shè)備對(duì)能量捕獲要求較高；使用電池方便快捷，但容量有限，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地為航行器供電。風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能中的波浪能和溫差能以及電池是當(dāng)前海洋航行器主要的供電來(lái)源。

圖1 航行器能源供給類(lèi)型

1 風(fēng)力發(fā)電

美國(guó)某公司制造的海洋風(fēng)力機(jī)器人C-Enduro，見(jiàn)圖2，其長(zhǎng)4.2 m、寬2.4 m、高2.8 m(包括天線)，空載時(shí)質(zhì)量為350 kg，滿載時(shí)質(zhì)量為450 kg，由功率為3.2 kW的柴油發(fā)電機(jī)、功率為1.2 kW的太陽(yáng)能電池板(12塊)、4.4 kW·h的鋰電池以及功率為720 W的三葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)配合供電，以2個(gè)無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳作為電力推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能、光能互補(bǔ)，續(xù)航時(shí)間可達(dá)3個(gè)月以上。

圖2 海洋風(fēng)力機(jī)器人C-Enduro

但該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：海洋風(fēng)力風(fēng)向多變，在某些風(fēng)向下，三葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片反而會(huì)成為航行阻力，且該風(fēng)力機(jī)器人所配備的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)啟動(dòng)風(fēng)速有較高的要求。

2 太陽(yáng)能發(fā)電

以太陽(yáng)能供能的海洋航行器較為成功的是SAUV[1]系列。SAUV-I實(shí)物圖見(jiàn)圖3，由充電控制器(1個(gè))、太陽(yáng)能陣列(1個(gè))、鎳鎘電池堆(1個(gè))以及微處理器(1個(gè))組成其電力供應(yīng)系統(tǒng)。SAUV-II[2]航行器以1 m2的太陽(yáng)能電池板和32 V、2 kW·h的鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)作為其電力供應(yīng)系統(tǒng)，與SAUV-I相比，SAUV-Ⅱ能夠捕獲更多的太陽(yáng)能，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。

圖3 SAUV-I實(shí)物圖

理想狀態(tài)下，以太陽(yáng)能為供電物質(zhì)的航行器可源源不斷地獲取電力支持，但也面臨著一系列的難題：①影響太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的因素太多，如氣候、地域、時(shí)間以及季節(jié)，這些都對(duì)太陽(yáng)能的捕獲有著重要影響；②太陽(yáng)能在向電能轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，耗損率太大，在實(shí)驗(yàn)中可達(dá)75%～80%，在實(shí)際應(yīng)用中耗損更大，可達(dá)88%～90%；③太陽(yáng)能電池板占用空間大，不符合小型海洋航行器輕便、靈活的要求；④容易腐蝕。

3 海洋波浪能發(fā)電

海洋航行器波浪能發(fā)電是為解決電池供電的海洋航行器續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題而提出的一種方案，該方案在傳統(tǒng)的海洋航行器基礎(chǔ)上加裝波浪能捕獲裝置、波浪能轉(zhuǎn)換裝置以及發(fā)電機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)波浪能向電能的轉(zhuǎn)化。

模塊化滑翔機(jī)如圖4所示，該方案由意大利比薩大學(xué)提出，與傳統(tǒng)的滑翔機(jī)不同，其可以利用波浪能進(jìn)行發(fā)電。該航行器中安裝了1臺(tái)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過(guò)活動(dòng)關(guān)節(jié)和艙段外部2個(gè)翼連接。該航行器在海洋中有3種供能模式，如圖5所示，分別是波浪充電器供能、滑翔機(jī)供能，以及水下機(jī)器人供能。充電時(shí)，滑翔機(jī)上浮，翼在波浪力的作用下，上下浮動(dòng)，帶動(dòng)活動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)無(wú)刷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能。在水中滑翔時(shí)，活動(dòng)關(guān)節(jié)固定，翼也保持固定，2個(gè)固定翼為滑翔機(jī)提供前進(jìn)方向的動(dòng)力。該航行器有以下優(yōu)點(diǎn)：①翼結(jié)構(gòu)是一大特色，為后續(xù)小型海洋航行器的研究提供了一定的借鑒；②模塊化的設(shè)計(jì)使用起來(lái)更為方便，也使以后技術(shù)升級(jí)的操作更為簡(jiǎn)單；③在滑翔機(jī)返回水面通訊的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，減少其返回水面次數(shù)，降低了損耗。

圖4 模塊化滑翔機(jī)

圖5 航行器的3種供能模式

趙江濱等提出了一種振動(dòng)波浪能發(fā)電方案，在航行器外部?jī)蓚?cè)加裝擺動(dòng)水翼裝置，通過(guò)傳動(dòng)軸與機(jī)體連接。在上下起伏的波浪力作用下，兩水翼上下擺動(dòng)捕獲波浪能，波浪能通過(guò)航行器內(nèi)部增速、傳動(dòng)及換向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為高速的機(jī)械能，機(jī)械能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。而且，該裝置借鑒了飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)，在水翼上加裝襟翼裝置，可直接利用部分波浪力為航行器提供一定的動(dòng)力。該裝置力求為海洋航行器提供可持續(xù)的電力，實(shí)現(xiàn)水面或者近水面取能、全水深航行的作業(yè)目標(biāo)。加裝擺翼的航行器如圖6所示。

圖6 加裝擺翼的航行器

4 海洋溫差能發(fā)電

在深海中，不同深度溫差巨大，尤其在熱帶和亞熱帶海域，淺水海域與深水海域溫差可達(dá)20 ℃，這種溫度梯度即溫差能，溫差能是由于太陽(yáng)輻射不均產(chǎn)生的，也是太陽(yáng)能的一種，但比其它太陽(yáng)能穩(wěn)定，并且不受季節(jié)和時(shí)間的限制。溫差能發(fā)電裝置也可以與滑翔機(jī)相結(jié)合，著名的有Slocum航行器[3]，見(jiàn)圖7。國(guó)內(nèi)溫差能發(fā)電的實(shí)例有天津大學(xué)研發(fā)的海洋溫差能水下航行器。美國(guó)斯克里普斯海洋科研所研制了一款通過(guò)溫差熱機(jī)發(fā)電的航行器SOLO-TREC[4],其發(fā)電原理是通過(guò)固—液相變材料體積的變化驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，液體推動(dòng)活塞進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，為航行器供電。其缺點(diǎn)為：受當(dāng)?shù)貧夂驐l件影響較大，適用范圍主要分布在赤道附近的熱帶、亞熱帶海域，其他海域達(dá)不到航行器溫差能發(fā)電需要的溫度梯度。

圖7 Slocum航行器

5 電池供電

電池一直以來(lái)都是海洋航行器重要的能源供給組成部分，對(duì)于它的選擇，首先要考慮的便是能量密度和體積比能，除此之外，還要考慮充放電壽命、自放電率、污染等因素。

1)傳統(tǒng)海洋航行器能源。常見(jiàn)的幾種海洋航行器電池性能指標(biāo)如表1所示。

表1 電池及其性能指標(biāo)

鉛酸電池(傳統(tǒng)電池)制作工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但比能量低，使用壽命短。較鉛酸電池，鎳鎘電池能提供較大的能源密度，放電曲線較為平坦，但在充放電過(guò)程需要注意，否則會(huì)出現(xiàn)“記憶效應(yīng)”，而且一旦發(fā)生泄漏，會(huì)污染環(huán)境，應(yīng)用典例有美國(guó)的OTTER MBARI[5]。鎳氫電池記憶效應(yīng)較鎳鎘電池小，但在充放電壽命、體積比能、能量密度和自放電率方面較鋰離子電池沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。銀鋅電池能量密度大，可以大電流放電、耐震，優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池的能量密度和循環(huán)壽命，美國(guó)的Odyssey II MIT等AUV曾經(jīng)使用過(guò)銀鋅電池，但使用壽命太短。

2)鋰系列電池。鋰電池可分為一次鋰電池和二次鋰電池，廣泛應(yīng)用于海洋航行器的主要是二次鋰電池中的鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。一次鋰電池應(yīng)用典型有美國(guó)的海底滑行者和遠(yuǎn)程水雷偵查系統(tǒng)等。鋰離子電池廣泛引用于各種型號(hào)的海洋航行器。鋰離子電池應(yīng)用實(shí)例有加拿大的VEXPLORER5000[6]、美國(guó)的REMUS-600[7]和REMUS-6000[8]、挪威的“休金”MRS[9]和法國(guó)的Alistar 3000[10]等。鋰離子電池容量大、體積小、重量輕、比能量高、自放電率低、單體電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)。聚合物鋰離子電池以凝膠聚合物為電解質(zhì)，此電解質(zhì)具有離子導(dǎo)電性兼具隔膜作用。聚合物鋰離子電池比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、容量損失少、體積利用率高。應(yīng)用典例有英國(guó)的AUTOSUB 6000、美國(guó)的Bluefin-12D[11]和Bluefin-21[12]、德國(guó)的“海懶”MKII等。鋰電池供電的航行器應(yīng)用情況如表2所示。

表2 鋰電池供電的航行器應(yīng)用情況

3)燃料電池和半燃料電池。燃料電池利用氧化還原反應(yīng)完成燃料和氧化劑中化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化，是一種電化學(xué)裝置。只要從外界不斷獲取燃料和氧化劑，就能持續(xù)發(fā)電。

燃料電池應(yīng)用到航行器的實(shí)例有美軍在1996年提出的“烏賊”。[13]該航行器采用高能量密度的燃料電池作為電源，無(wú)需充電，生成物主要是水，運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)污染，具有效率高、噪聲小、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)出現(xiàn)了一種新型的化學(xué)能源——半燃料電池，它以鎂、鋁等金屬作燃料，過(guò)氧化氫或海水中溶解氧作氧化劑，具有比能量高、放電電壓穩(wěn)定、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)、使用安全、無(wú)生態(tài)污染以及機(jī)械充電時(shí)間短等突出優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比燃料電池，半燃料電池實(shí)用價(jià)值更高。此類(lèi)電池比功率達(dá)50～200 W/kg，比能量為440 W·h/kg，是鉛酸電池的10～15倍，是銀鋅電池的3～4倍。此種半燃料電池價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，維修及更換便捷，是目前較為理想的海洋航行器動(dòng)力電池。燃料電池和半燃料電池應(yīng)用情況見(jiàn)表3。較為典型的利用半燃料電池的海洋航行器有日本的Urashima無(wú)人潛器[14]，如圖8所示。

圖8 Urashima無(wú)人潛器

表3 燃料電池和半燃料電池應(yīng)用情況

6 結(jié)束語(yǔ)

目前來(lái)說(shuō)，可以對(duì)海洋航行器進(jìn)行電力供應(yīng)的主要為兩大塊，一是可以就地取材進(jìn)行發(fā)電的太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能等環(huán)境能，二是電池。就環(huán)境能供電來(lái)說(shuō)，目前主要集中在太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能和溫差能等方面。目前對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能和波浪能的利用，主要是通過(guò)在水面發(fā)電實(shí)現(xiàn)的，溫差能的利用主要集中在水下滑翔機(jī)。海洋航行器可以同時(shí)利用幾種環(huán)境能進(jìn)行能源供給，例如對(duì)于利用風(fēng)能的海洋航行器可以同時(shí)利用太陽(yáng)能電池板輔助發(fā)電。選擇哪種環(huán)境能作為發(fā)電原材料還是以用電需求以及科學(xué)載荷為依據(jù)。因此，在未來(lái)，海洋航行器對(duì)環(huán)境能源的收集利用將是同一種環(huán)境能源的多種方式相結(jié)合或者多種環(huán)境能源的綜合利用。在將來(lái)，海洋航行器的能源收集與利用技術(shù)還需要在小型高效發(fā)電技術(shù)、高效儲(chǔ)能技術(shù)、高性能固—液相變材料、能量收集系統(tǒng)與航行器本體的一體化融合、能量收集裝置工程化技術(shù)研究、環(huán)境能源的新型收集方式、潛在可利用環(huán)境能源開(kāi)發(fā)、多種能量技術(shù)的系統(tǒng)集成優(yōu)化、智能化的能源管理系統(tǒng)、高度集成的海上專(zhuān)用能源補(bǔ)充裝置等方面取得突破。

在電池的選擇上，現(xiàn)在大多數(shù)航行器都使用可充電電池(鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、鎳氫電池)，并配有相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)。有些小型海洋航行器使用續(xù)航里程較大的一次鋰電池，但無(wú)法充放電，廢棄電池還會(huì)污染環(huán)境；有些大型航行器配備鋁氧半燃料電池，但維護(hù)成本高。當(dāng)前，應(yīng)用在中小型航行器上最多的是可充電鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，而燃料電池由于其技術(shù)不夠成熟、平臺(tái)安全性有待加強(qiáng)等問(wèn)題而僅在有限的大型航行器上應(yīng)用。在未來(lái)，海洋航行器電池將朝著電池動(dòng)力系統(tǒng)與超級(jí)電容相結(jié)合的方向發(fā)展。