， ， ，

(1．國家水運安全工程技術研究中心 可靠性工程研究所， 武漢 430063； 2．武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063； 3．船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室， 武漢 430063)

基于AUV的波浪能發(fā)電技術研究現狀與展望

孫濤1,2,3，趙江濱1,2,3，嚴新平1,2,3，許朋朋1,2,3

(1．國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所，武漢430063； 2．武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢430063； 3．船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室，武漢430063)

針對自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)深遠海作業(yè)的能源供給問題，提出應用波浪能的解決方案，總結波浪能發(fā)電應用于AUV中的研究現狀，包括波浪能航行器隨體發(fā)電及AUV波浪能水下塢站技術。對AUV波浪能發(fā)電所面臨的挑戰(zhàn)進行探討與展望。通過對與波浪能發(fā)電技術相關的能量轉換、存儲、裝置可靠性及控制技術等關鍵問題作進一步的研究，為波浪能在小型無人海洋航行器能源供給方面的研究提供有益的參考。

自主式水下潛器；能源供給；波浪能隨體發(fā)電；AUV波浪能水下塢站

Abstract: The researches on application of wave power generation technologies for Autonomous Underwater Vehicle(AUV) is summarized and the feasibility of powering AUV is proposed with the technologies covering the wave energy aboard harvest and the wave-powered AUV docking station. The challenges of wave power generation for AUV are also discussed. It is concluded that the wave power generation technologies are not ready yet for AUV application, since key things such as conversion efficiency, energy storage, reliability and control technologies have not been researched sufficiently. This research wishes to stir up the interest in developing wave power generation technologies for AUV.

Keywords: AUV； energy supply； wave energy aboard harvest； wave-powered AUV docking station

自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)等小型海洋航行器作為便捷、高效的海洋移動平臺，在海洋資源勘探、水下軍事偵察和遠程設備監(jiān)測等領域有著十分重要的戰(zhàn)略意義，是海陸空天潛一體化監(jiān)測網絡的重要組成部分。

AUV的電力來源主要有一次性電池[1]、蓄電池[2-4]及燃料電池[5-6]等，只能為航行器提供短時間的電力供應[7]。有限的電力來源對航行器作業(yè)半徑、航行速度、任務持續(xù)時間及負載設備承載能力等都有較大的限制。例如,美國軍方研發(fā)的Bluefin-21型自主式水下航行器采用鋰電池供電，在標準負載和3 kn航速下的續(xù)航能力僅25 h[8]，在執(zhí)行MH370搜尋任務時需頻繁回收。當前，AUV進行長時間、遠距離作業(yè)需定期回收電池充電，成本較高。

海洋波浪能作為一種儲量豐富、分布廣泛的可再生清潔能源，為解決AUV能源供應問題提供了一種可行的途徑。據統(tǒng)計，目前全世界已有近萬座小型波浪能發(fā)電裝置[9]為航標燈、浮標等供電；大型波浪能發(fā)電裝置近年來的研究發(fā)展也很快，典型的有英國的The Oyster波浪能發(fā)電裝置[10]、Pelamis Wave Power公司的“pelamis”波能發(fā)電裝置[11]、美國OPT公司的PowerBuoy[12]、丹麥的Wavedragon[13]及中國科學院廣州能源所的鴨式波浪能發(fā)電裝置[14]等。但是，目前對波浪能發(fā)電技術應用于AUV等小型無人海洋航行器中的研究還很少，其應用可歸納為以下2類：

1)航行器波浪能隨體發(fā)電，即將波浪能發(fā)電裝置直接安裝在航行器上，利用波浪能發(fā)電裝置實現電力需求的自給自足。

2)波浪能水下塢站，即建立基于波浪能發(fā)電裝置的水下電力系統(tǒng)平臺作為AUV的水下?？奎c，對其進行充電，同時借助通信網絡實現AUV與岸端的數據傳輸。

1 波浪能隨體發(fā)電技術

小型海洋航行器裝載波浪能發(fā)電裝置可滿足其自身作業(yè)的電力需求，解決單純依靠蓄電池供電而續(xù)航能力不足的問題。

毛昭勇等[15]提出一種適用于水下航行器的由兩級轉換系統(tǒng)構成的海洋動能發(fā)電裝置(見圖1)，主要包括波浪動能收集機構和電能轉換機構。需要供電時，水下航行器可上浮至海面，在海浪的作用下產生晃動，利用具有較大轉動慣量的晃動擺收集波浪晃動動能，帶動永磁發(fā)電機發(fā)電，直接將海洋波浪動能轉換為電能。該方式省掉了中間能量的傳遞環(huán)節(jié)，理論上可有效減小裝置的結構體積、提高發(fā)電系統(tǒng)的轉換效率。通過分析可知，其發(fā)電能力可基本滿足無人潛水器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)探測設備的用電需求。[16]該裝置尚未考慮晃動機構對發(fā)電裝置本身的沖擊及對航行器自身運動的影響。

a) 海洋能收集機構 b) 電能轉換機構

圖1 海洋動能發(fā)電裝置

趙江濱等[17]提出一種適用于小型海洋觀測航行器的振動能量收集裝置，在航行器外部兩側加裝擺動水翼裝置(類似于飛機機翼)，通過傳動軸與機體連接(見圖2)。水翼隨波浪起伏上下擺動(見圖3)捕獲波浪能，通過傳動軸傳遞到內部傳動裝置，經增速齒輪機構帶動發(fā)電機發(fā)電(見圖4)。其內部裝置考慮以下2種方案：

1)直接利用齒輪傳動旋轉發(fā)電。

2)基于質量塊的振動，通過齒條傳遞到增速齒輪，該方案還考慮直線發(fā)電方式。

圖2 航行器加裝水翼

圖3 航行器擺動水翼發(fā)電運動狀態(tài)(尾視圖)

圖4 發(fā)電系統(tǒng)示意(單側水翼)

此外，其外部水翼上還設置有襟翼裝置，可將部分波浪作用力直接轉換成一定的推動力。該設計力求為水下或水面航行器提供可用于推進的電力，實現水面或近水面取能、全水深航行的作業(yè)目標。

近年來，已有較多研究人員探索利用陀螺效應收集波浪能。BRACCO等[18-19]、SALCEDO等[20]及KANKI等[21-22]都對陀螺式波浪能轉換裝置進行過研究。陀螺因具有定軸性和進動性而在各個領域中都有廣泛應用。在小型海洋航行器領域，TOWNSEND等[23-24]研究利用陀螺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)為航行器提供電力，利用安裝在AUV殼體內的慣性飛輪在波浪激勵下的陀螺進動效應產生電力(見圖5)。仿真分析結果表明，3 kg的陀螺式發(fā)電系統(tǒng)可提供5～10 W的發(fā)電能力。[23]以Delphin 2 AUV[25]為例，若要充滿其30 Ah的機載蓄電池，需3～5 d的時間。

圖5 陀螺式波浪能轉換裝置

2 AUV波浪能水下塢站

美國麻省理工學院的AUV實驗室和伍茲霍爾海洋研究所及日本的川崎造船等研究機構都對AUV水下充電平臺進行過研究,并建立有AUV水下充電系統(tǒng)[26-28]，為AUV遠程作業(yè)提供電力補給，同時進行AUV與平臺之間的數據傳輸。利用這種電力補給平臺時需鋪設海底電纜引入岸電，系統(tǒng)復雜、成本較高。HAGERMAN[29]提出一種基于波浪能和一體式可再生燃料電池(Unitized Regenerative Fuel Cell,URFC)的AUV水下充電平臺，利用浮子吸收波浪能作用于液壓缸產生高壓，通過逆滲透技術淡化海水，將脫鹽后的海水供給URFC發(fā)電使用，為AUV機載電池供電。

近年來，隨著波浪能發(fā)電技術不斷發(fā)展，基于波浪能發(fā)電裝置的AUV水下塢站的概念逐漸受到相關研究機構的重視。考慮利用獨立于小型海洋航行器之外的波浪能發(fā)電裝置建立服務于航行器的水下充電平臺，為航行器深海、遠海作業(yè)提供電力保障，同時實現AUV監(jiān)測數據上傳和命令腳本下載。

2008年，美國OPT(Ocean Power Technologies)公司自主研制的“PowerBuoy”系統(tǒng)[30]投入使用，該系統(tǒng)采用光纖通信和數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)，通過銥星系統(tǒng)與地面通信，旨在為美國海軍深海主動探測系統(tǒng)(DWADS)項目供電。隨著PowerBuoy系統(tǒng)不斷發(fā)展完善，在海上電能供應、AUV運作等領域均有著巨大的潛在應用價值，OPT公司希望通過該技術改變海洋油氣產業(yè)結構，大力開發(fā)波浪能等清潔能源。PowerBuoy是一種波浪能轉換設備(見圖6)，其主體部分是一個豎直柱體結構，下方是垂蕩阻尼板，使柱體維持相對豎直和固定的狀態(tài);水面浮體隨波浪的起伏相對柱體上下運動，通過柱體內部的機械系統(tǒng)轉換為回轉運動，帶動內部發(fā)電機發(fā)電，供負載使用或通過海底電纜輸送到其他海洋設備中。PowerBuoy的發(fā)電能力可觀，APB-350可提供350 W的輸出功率，PB40的平均輸出功率達到15 kW。[12]該系統(tǒng)既可大規(guī)模部署，向陸地電網供電,還可作為“AUV車庫”[31]，用于為AUV充電及通過通信接口上傳數據(見圖7和圖8)。顯然，PowerBuoy利用波浪能持續(xù)發(fā)電可為AUV等水下移動平臺提供持續(xù)的電力來源，并作為相對固定的AUV水下塢站兼水下通信平臺傳輸數據。

圖6 PowerBuoy 系統(tǒng)

圖7 PowerBuoy供能的水下“AUV車庫”

圖8 AUV與水下塢站接口對接

美國蒙特雷灣水族館研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute，MBARI)[34]設計一種由波浪能供電的能量浮標,其中:水面上是一個直徑為2.5 m的浮子，吸收上下起伏的波浪運動產生的能量；水下30 m處懸掛一個5.5 m長、3 m寬的金屬板；水面浮子和水下金屬板之間連接一個大型活塞式液壓缸(見圖9)。由于波浪運動多發(fā)生在水面，而水下深度30 m處的金屬板相對固定，因此水面浮子會隨波浪的起伏帶動活塞運動,將波浪能轉換為液壓能，通過液壓電機驅動發(fā)電機發(fā)電。該能量浮標曾多次在美國加州蒙特雷灣部署，2011年底在實際試驗中產生的電力達到400 W。MBARI的JIM BELLINGHAM和BRETT HOBSON等則繼續(xù)進行HAMILTON的波浪能浮標項目研究，試圖在此基礎上建立可為AUV等移動平臺供電的水下充電站系統(tǒng)。站內設計有可供AUV充電的“模擬碼頭”，當AUV感受到隨身電池的電力不足時可自動駛入進行充電，以解決AUV電能供應問題。

圖9 MBARI波浪能浮標裝置

基于波浪能的AUV水下塢站系統(tǒng)尚處于研究階段，實現該項目無論是從技術上還是海洋環(huán)境上看都面臨巨大挑戰(zhàn)，但該方案為水下移動平臺解決長航時、大航程、多任務的能量供應問題提供了一個可行的發(fā)展方向。

3 面臨的挑戰(zhàn)

AUV波浪能發(fā)電技術發(fā)展前景廣闊，但要實現波浪能在小型無人海洋航行器上的廣泛應用，仍面臨很多挑戰(zhàn)。

3.1 海洋波浪本身的特點

據美國能源機構估計，地球上潛在的波浪能大約有30億kW。雖然波浪能的儲量豐富，但能量分散、能流密度較低，導致波浪能發(fā)電設備效率不高。海浪是一種復雜的不規(guī)則波，頻率很低，不易收集，所以無論是在波浪能直接推進方面還是在轉換發(fā)電方面都有較大困難，不穩(wěn)定性較大。目前已有的研究多采用試驗用造波水池進行，波形規(guī)則、平穩(wěn)，而海上波況復雜，波浪的功率受海水流速、風速及風向等多種因素影響難以達到室內試驗的預期效果。

3.2 波浪能發(fā)電裝置的轉換效率

波浪能裝置的發(fā)電能力是決定其應用的主要因素。當前已有的波浪能發(fā)電裝置不論是機械式的還是氣動式或液壓式的，其轉換效率都較低。面對極低的海洋波浪頻率和有限的航行器內部空間，AUV波浪能隨體發(fā)電裝置將受到更大的限制，故其發(fā)電量小，尚不能滿足推進功率的需求。因此,充分吸收波浪能、簡化能量轉換過程、降低能量傳遞損失、提高波能裝置的轉換效率是波浪能利用的關鍵。

3.3 波浪能發(fā)電系統(tǒng)的可靠性

海洋波浪不僅具有很大的動能，而且具有極強的破壞力，勢必會對波浪能發(fā)電系統(tǒng)產生沖擊，導致某些環(huán)節(jié)失效，故必須對緩沖儲能技術進行研究，提高波浪能發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及惡劣海況下的穩(wěn)定性，延長系統(tǒng)使用壽命。對于AUV波浪能隨體發(fā)電，還須考慮特定的能量轉換機構可能與航行器機體產生的動力學耦合關系，在提高能量轉換效率的同時降低對航行器機體運動性能的影響。

3.4 控制技術的研究

一般小型海洋航行器航行過程中受到隨機波浪的外力擾動,重心和浮心不斷變化,其控制系統(tǒng)模型本身就具有時變性、強禍合及高度非線性的特點，倘若再偶合波浪能轉換裝置，勢必會增大航行器流體動力學參數的不確定性。為克服干擾，實現航行器平穩(wěn)運行，將對控制系統(tǒng)的魯棒性有更高的要求，會增大系統(tǒng)在線實時控制的難度。

3.5 儲能系統(tǒng)的研究

波浪能發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的頻率、相位及幅值是波動的，為保證航行器的用電需求穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的性能，并延長電池組的使用壽命，需研究波浪能發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性及蓄電池組均衡充電控制方法，優(yōu)化航行器或AUV波浪能水下塢站電力系統(tǒng)能量的管理策略。

此外，確保波浪能發(fā)電系統(tǒng)的密封性及降低發(fā)電成本等也是推廣利用AUV波浪能發(fā)電技術需要解決的難題。

4 結束語

雖然當前有很多應用于位置相對固定的航標、浮標等設備上的小型發(fā)電裝置和岸式、離岸式大功率發(fā)電裝置，但受限于小型海洋航行器本身體積、結構和運行方面的特點，波浪能隨體發(fā)電的應用研究發(fā)展緩慢；基于波浪能的AUV水下塢站需要高成本、規(guī)模化建設，技術難度大，尚處于初步研究階段。

盡管AUV波浪能發(fā)電技術尚不成熟，但其具有巨大的應用潛力和廣闊的發(fā)展空間。在大力開發(fā)利用新型能源的時代背景下和AUV智能化、群體化及深遠海作業(yè)的發(fā)展趨勢下，應加大AUV波浪能發(fā)電技術的研究力度，并結合現代化信息通信技術，為實現海洋三維立體監(jiān)測網絡的發(fā)展創(chuàng)造條件。

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Review on Wave Power Generation Technologies for AUV

SUNTao1,2,3，ZHAOJiangbin1,2,3，YANXinping1,2,3，XUPengpeng1,2,3

(1. Reliability Engineering Institute, National Engineering Research Center for Water Transport Safety (WTS), Wuhan 430063, China; 2. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport), Wuhan 430063, China)

1000-4653(2016)04-0024-05

P743.2;TM612

A

2016-06-21

國家自然科學基金(51579197);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2016-zy-020)

孫 濤(1990—)，男，山東日照人，碩士生，從事波浪能發(fā)電技術、水下航行器總體設計研究。E-mail:ty-sun@foxmail.com 趙江濱(1976—)，男，山東青島人，副教授，主要研究方向為波浪能航行器、遠程監(jiān)測技術。E-mail:zhaojiangbin@whut.edu.cn