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国外新型水下动力源技术

时间:2017-05-27 15:22来源:蓝海星智库 作者:综合报道
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　　国外新型水下动力源技术的进步主要体现在UUV燃料电池、为海底传感器供电的微生物燃料电池、UUV水下充电、为浮标和海上“充电桩”供电的温差能技术，以及安全性好、能量密度高的新型蓄电池等方面。
　　高比功燃料电池作UUV动力
　　现有UUV多采用蓄电池动力，续航力普遍仅有10～40小时，难以满足长期情报侦察或作战需求。美海军希望将UUV续航力延长至数周甚至数月，正在发展大容量、高功率密度的燃料电池技术，中远期UUV动力系统（含氢源和氧源）功率密度发展目标是达到500Wh/L和500Wh/kg。
　　美海军从2011年正式启动大排水量UUV燃料电池创新性海军样机项目，发展容量达1.8MWh的燃料电池，峰值功率为37.5kW，巡航功率700W。项目预计2018财年开展系统集成和水下试验，届时技术成熟度将达到6级。美海军希望借助这个项目，将希望将UUV续航力延长至70天。燃料电池能源公司、Sierra Lobo公司、Hamilton Sundstrand公司、Lynntech公司、NexTech、通用原子公司、UTC公司、通用汽车公司等多个机构参与了技术研发，每个子合同金额约为2000万美元。这些机构采用技术路线各不相同，燃料电池类型包括质子交换膜型和固态氧化物型，氢源包括液氢、钠金属氢化物储氢、铝水反应制氢、JP-10燃油重整制氢等，通用汽车公司甚至基于车用设计发展了UUV燃料电池。
Sierra Lobo公司燃料电池试验台
西班牙S-80潜艇50千瓦燃料电池堆
　　此外，开放水域动力公司也研发了UUV铝-海水燃料电池，通过铝合金与水的置换反应，直接产生电能，无需携带储氧罐，能量密度高达2～3 kWh/L，是锂离子电池的10倍。
　　海底微生物燃料电池可为传感器或UUV供电
　　海底无人值守传感器可收集水下声学、水文等数据，在军事海洋领域应用前景广泛。目前存在的最大问题在于电源需要经常维护，成本高、隐蔽性不好。为此，美海军专门为海底传感器研发了微生物燃料电池。
　　微生物燃料电池利用海底沉积物中富含的希瓦氏菌或地杆菌等厌氧微生物的呼吸作用直接产生电能，阳极一般放置在养分充足但氧气不足的环境中（一般埋在海底沉积物中），阴极则放在富含溶解氧的海水中。2007年，美国海军研究实验室首次验证了微生物燃料电池在实际环境中的使用情况，可为海底传感器、通信系统、气象浮标供电，最高电压约1.2V。
　　美国空间与海上作战系统中心太平洋分部（SSC pacific）还研发了一种无需将阳极永久性埋入海底的微生物燃料电池。系统使用搅拌器，把沉积物搅动起来，形成了稀释的（大约1%）沉积物-海水溶液，然后该稀释的溶液缓慢地通过阳极室进行循环。平均功率密度可达到170 mW/m2。装备搅拌器的海底微生物燃料电池可在一段时间内不接触海底沉积物，每月接触几分钟就可以维持其运行，同时在阳极不暴露在氧气中的状态下重新放置在海底沉积物区。因此，这种海底微生物燃料电池有望为UUV、滑翔器和弹出式海底设备提供自主电源。
　　在此基础上，SSC pacific提出了一种利用微生物燃料电池供电、电机推进的可变形UUV。阳极布置在UUV底部，可直接接触微生物环境；阴极布置在UUV上部，暴露在海水中。UUV具有两种水下工作模式，一种是底部接触模式，一种使运动模式。底部接触模式时，UUV为扁平状，底部阳极可全面接触海底沉积物发电，阴极呈弯曲状态。运动模式时，UUV为流线型，燃料电池电极使用柔性材料，可跟随UUV变形。微生物燃料电池阳极设在有开口的外壳中，外壳设立提供一层防止溶解氧的隔层，从而使隔间内的海水成为厌氧状态。底部接触模式下，阳极外壳打开，阳极可接触底部沉积物；运动模式下，阳极外壳关闭，但燃料电池阳极与海底沉积物分离时，外壳内仍存有部分微生物菌落，因此仍可产生电能。
海底微生物燃料电池供电的UUV示意图
　　水下充电可提高UUV续航力
　　目前UUV普遍使用蓄电池动力，需要经常打捞UUV进行充电或更换电池组，大幅限制了UUV在水下的实际航行时间和任务执行能力，已经成为限制UUV部署范围的瓶颈问题。
　　美军设想的UUV水下充电有两种形式：一是接入潜艇水下远程导弹系统（ULRM）或干式遮蔽舱，利用潜艇为UUV充电；另一种是在海底布放，利用水下电缆为UUV充电。两种充电形式都可以同时向UUV传输数据。
潜艇为UUV充电概念图
　　美国Battelle公司已研发出“OceanHub” UUV水下母港样机，利用“金枪鱼-12”UUV完成了海试。利用该系统样机，UUV可自主导航并停泊，入坞后利用wifi接口上传/下载任务数据，并使用感应线圈实现电力传输，无需金属间的直接接触。水下母港充电功率为1.7kW，效率可达90%，UUV充电时间为4～6小时，同时还可进行数据的上传和下载。美国海军研究发现，水下充电时发射和接受线圈间隔应控制在5 cm以内，电磁波频率应低于100 kHz。
水下母港夹具（同时具备充电线圈和无缆通信天线）
　　美海军2015年启动“前沿部署能源与通信基地”创新性海军样机项目，设想在3000 m左右深度的海底布设一定数量的能源补给点，这些补给点的连线可绵延数百千米，寿命超过20年。潜航器在这条线执行任务时，就如同汽车在高速公路上行驶，能源补给点则如同高速公路上的加油站，潜航器可以在补给点补充能源并中转数据，保障了水下长航时、远航程作业。
　　温差能技术可为浮标和海上“充电桩”供电
　　目前，在全世界绝大多数的温暖海洋和热带海洋，海平面的温度（15～30℃）远高于500米深的海水温度（4～7℃）。海水温差能发电可利用表层和深层海水间的温差进行发电，用于浮标或滑翔式UUV，其续航力可长达数年。
　　美国2009年研发出SOLO-TREC无人潜航器，是世界首个温差能驱动的无人潜航器，主要用于环境监测、海洋科学勘察、海洋学研究等。这种潜航器重84 kg，可在海平面与500 m深处往返运行，2年可完成1000多次潜水。
　　SOLO-TREC无人潜航器利用不同温度下的相变材料为蓄电池充电。相变材料加热至10℃以上时，会膨胀约13%，冷却到10℃以下时，也会相应收缩。因此在海平面时体积膨胀，在深海时体积缩小。相变材料与油囊结合使用，膨胀/收缩过程中产生的高压油可收集起来，定时释放，从而驱动液压马达发电，每次潜水可给电池充电约1.6 Wh。
SOLO-TREC无人潜航器温差能发电系统
　　温差能系统有两个重要发展方向：一是利用海洋垂直温差为浮标提供电力，延长使用寿命；二是发展建造海洋温差能供电的充电站，蓄电池储存电能。2014年，美海军已经授出项目，计划建造功率0.25W的水下滑翔者UUV以及2 kW的水下充电站。最终目标是在深海部署大型电源。据推测，这种无须维护、寿命极长的电源，可以与UUV水下充电站相结合，形成海上无人充电网络。
　　安全性好、能量密度高的新型蓄电池可能取代锂离子电池
　　目前新型UUV普遍应用锂离子电池为水下动力。锂离子电池是目前应用范围较广的蓄电池，具有大容量、稳定性及充放特性好等优点。然而，目前常用的锂离子电池易形成枝晶，引起短路着火，存在一定安全隐患，包括耐压、耐温、耐穿刺特性较差，容易短路和过热引发起火、爆炸等事故等。为此，各国正在研发锂离子电池的替代品，包括锂硫电池、锂空气电池等，未来将可能取代锂离子电池。
　　锂硫电池负极由纯锂金属组成，正极为硫碳混合物，理论能量密度能达到2600 Wh/kg，是锂离子电池的10倍，同时价格低廉、污染小。目前存在的问题在于容易自放电、循环特性差等。英国OXIS公司发展了闪点高于100℃的锂硫电解质，在电池正极形成硫化锂（Li2S）�；げ�，其熔点高达938℃，可以起到绝缘作用，防止热量散失。OXIS公司预计其新型锂硫电池至2017年平均能量密度将达到400Wh/kg，而密度仅为900kg/m3。美国德克萨斯大学奥斯汀分校使用三元S/PPy-MnO2复合正极材料，MnO2可捕获溶解的多硫化物，抑制穿梭效应，管状的聚吡咯柔韧性和导电性好，二者协同作用可有效解决锂硫电池自放电的问题。
　　锂空气电池负极使用金属锂，正极为空气（氧气），利用金属锂的氧化还原反应实现电池的充放电。负极电解液一般使用含锂盐的有机电解液，正极电解液一般为碱性水溶性凝胶。锂-空气电池负极使用锂离子与氧气直接反应，理论储能密度远高于锂离子电池。目前存在的问题在于电压损失高、氧的吸收和释放易引起电池体积变化。美国麻省理工学院将Li2O纳米颗粒填充到海绵状的Co3O4结构中，研制出新型超轻负极，在充放电时，负极材料在Li2O/Li2O2/LiO2三相之间转换，没有O2吸收与释放，保证了结构稳定性。同时，自封闭的结构设计也阻隔了空气中水和二氧化碳。新型负极材料理论比能量高达1341Ah/kg，实验值为587Ah/kg，循环电压损失只有0.24V，仅为此前的1/5。这种封闭式结构无需与外界进行空气交换，可设计为封闭结构，有望用于无人潜航器。
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文章标签： 燃料电池 充电桩
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