張懷亮

綜述

水下能源供給平臺電能供給技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

張懷亮

（海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京 101149）

無人水下裝備在海洋資源開發(fā)和海洋軍事活動中扮演重要角色，但能源供給面臨挑戰(zhàn)。研發(fā)水下能源供給平臺可以解決水下裝備的能源難題，擴(kuò)大水下裝備的作戰(zhàn)范圍和工作時(shí)間。本文對近海域水下能源供給平臺電能供給技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀及主要差距進(jìn)行了概述，對系統(tǒng)組成及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，最后對近海域水下能源供給平臺電能供給技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對發(fā)展前景進(jìn)行展望。

水下能源 供給平臺 電能供給技術(shù)

0 引言

當(dāng)前，自主水下航行器、水下預(yù)置平臺等無人水下裝備在海洋資源開發(fā)、海洋軍事活動中承擔(dān)著日益重要的角色[1-4]。隨著所承擔(dān)的任務(wù)不斷增多，無人水下裝備能源需求整體處于不斷攀升狀態(tài)，但受尺寸、重量的限制，無人水下裝備攜帶的能源是有限的。針對無人裝備在未來海戰(zhàn)中面臨的電能獲取、充電等難題，研發(fā)水下能源供給平臺，實(shí)現(xiàn)水下無人裝備就地充電[5]，可有效解決水下無人裝備的能源供電難題，形成適用于水下裝備能源獲取、存儲、傳輸、管理能力，可大幅拓展水下無人裝備的作戰(zhàn)范圍和工作時(shí)間。

1 系統(tǒng)概述

水下能源供給平臺主要由智能管控模塊、發(fā)電模塊、儲能模塊、無線充電模塊和平臺基座等組成，如圖1所示。其中，智能管控模塊是全系統(tǒng)電力控制中樞，主要將各個(gè)發(fā)電子系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)電氣集成在多端口集成能量變換器進(jìn)行電氣變換，并且將各類能量信息進(jìn)行采集、傳遞、存儲、管理、控制，開展水下能源供給平臺的能量管理及其控制策略，分析研究平臺主要設(shè)備的狀態(tài)信息和技術(shù)特征，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷和推理，對故障狀態(tài)進(jìn)行診斷。發(fā)電模塊主要由潮流能發(fā)電[6]、波浪能發(fā)電、鹽差發(fā)電[7]、溫差能發(fā)電[8]等新型能源發(fā)電單元構(gòu)成，將各種海洋能轉(zhuǎn)換為電能，通過水下電纜將電能儲存到儲能模塊中，負(fù)責(zé)水下能源供給平臺的原位電能補(bǔ)給。儲能模塊是水下能源供給平臺能源網(wǎng)絡(luò)的能量存儲設(shè)備，主要由常規(guī)二次電池組和備用的一次電池組構(gòu)成，通過對儲能變流器的控制，快速吸收/補(bǔ)充電能，主要用于存儲發(fā)電單元發(fā)出的電能。無線充電模塊是水下能源供給平臺與水下裝備間電能傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，采用磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)，利用能源補(bǔ)給平臺中儲存的電能，對水下裝備進(jìn)行非接觸的能源補(bǔ)給，無線充電模塊在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮較強(qiáng)的通用性及接駁方式的多樣化，能夠滿足各種水下裝備的充電要求；平臺基座主要為其他子系統(tǒng)提供安裝與運(yùn)行基座，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)機(jī)械接口匹配適應(yīng)。

圖1 水下能源供給系統(tǒng)

2 發(fā)展現(xiàn)狀

為解決無人潛航器長期部署和隱蔽作戰(zhàn)所面臨的能源供應(yīng)不足、通信難等問題，各國海軍正積極研發(fā)水下充電基站[9]，水下充電基站可由艦船等布放，分布式預(yù)置部署在水下數(shù)百至數(shù)千米預(yù)置，為水下裝備提供能源補(bǔ)給。2001年，Bradley和Feezor等率先利用海底觀測網(wǎng)向AUV充電，充電功率200 W，效率為79%。2015年，美國海軍啟動了一項(xiàng)名為“前沿部署能源與通信基地”的樣機(jī)研制項(xiàng)目，計(jì)劃在約3000米深的海底布設(shè)一定數(shù)量的水下充電站[10]。美國開發(fā)了名為“海洋樞紐（OceanHub）”的能源補(bǔ)給基站，通過非接觸充電技術(shù)對無人水下潛航器進(jìn)行充電。2018年8月，泰萊達(dá)能源系統(tǒng)公司完成“水下懸浮充電節(jié)點(diǎn)”樣機(jī)水下演示驗(yàn)證，在水深7米的環(huán)境下為無人潛航器充電[11]。2020年，日本東京大學(xué)研發(fā)出一種水下對接充電系統(tǒng)，能為無人潛航器提供水下能源補(bǔ)給，大幅度提升其長期、持續(xù)的水下作業(yè)能力[12]。

“十二五”以來，我國持續(xù)部署重大項(xiàng)目，在水下能源、通信、裝備等領(lǐng)域開展了多輪次、全方位新興前瞻技術(shù)部署，取得了一系列突破性進(jìn)展。中國科學(xué)院于2018年部署了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”，提出構(gòu)建以全海深固態(tài)儲能系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)，以深海智能裝備為用電系統(tǒng)的大容量模塊化全海深能源基站[13]。大幅提升水下作業(yè)時(shí)間和效率，從根本上解決了深海裝備的能源供給瓶頸。2022年，西北工業(yè)大學(xué)針對水下無人航行器和預(yù)置武器等水下裝備長時(shí)間工作對能源補(bǔ)給的需求，開展水下能源供給平臺電能供給技術(shù)研究，突破水下能源供給平臺系統(tǒng)集成與智能管控技術(shù)、高效波浪能發(fā)電技術(shù)、高效海流能發(fā)電技術(shù)、電能高效存儲及利用技術(shù)、非接觸式電能傳輸與控制技術(shù)、能源供給平臺樣機(jī)集成與測試技術(shù)，提出新型水下能源供給平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，形成水下能源供給平臺設(shè)計(jì)能力，提升水下無人裝備在任務(wù)海域的存在、作業(yè)能力。水下能源供給平臺的研究歷史相對較短，不同國家和研究機(jī)構(gòu)開展的研究也各具特色，其功能和特點(diǎn)也存在一定差異。在國內(nèi)，對于水下能源供給平臺的研究相對較少，目前已有一些關(guān)于水下能源獲取、存儲、傳輸和管理等單項(xiàng)技術(shù)的研究基礎(chǔ)，但在水下能源供給平臺的系統(tǒng)集成技術(shù)方面還存在一定的欠缺。

水下能源供給平臺的研究需要綜合考慮多個(gè)方面的需求和挑戰(zhàn)。首先，需要考慮水下環(huán)境的特殊性，如高壓、低溫、水下能源獲取的困難等因素，以及對能源供給平臺的可靠性和安全性的要求。其次，還需要考慮水下裝備的能源需求的多樣性和靈活性，以滿足不同類型水下裝備的需求。在水下能源供給平臺的研究中，需要進(jìn)行系統(tǒng)集成技術(shù)的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)水下能源獲取、存儲、傳輸和管理等功能的協(xié)調(diào)運(yùn)作。這包括開發(fā)高效的能源獲取技術(shù)以及高能量密度的能源存儲技術(shù)。同時(shí)，還需要開發(fā)高效的能源傳輸技術(shù)，以確保能源能夠穩(wěn)定地傳輸?shù)剿卵b備的位置。此外，還需要開發(fā)智能化的能源管理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對能源供給的精確控制和優(yōu)化管理。水下能源供給平臺的研究需要綜合考慮多個(gè)方面的需求和挑戰(zhàn)，并進(jìn)行系統(tǒng)集成技術(shù)的開發(fā)。通過持續(xù)的研究和創(chuàng)新，我們可以不斷完善水下能源供給平臺的技術(shù)，提高水下裝備的能源供給效率和可靠性，為水下作業(yè)和探測提供更好的支持。

3 關(guān)鍵技術(shù)

目前水下能源供給能力尚無法滿足水下裝備的長時(shí)作業(yè)需求。為有效構(gòu)建“發(fā)、儲、輸、用”全鏈條水下能源補(bǔ)給平臺，需要重點(diǎn)攻克海洋能源高效獲取與轉(zhuǎn)化技術(shù)、高能效水下無線充電技術(shù)、多端口集成能量變換器電能穩(wěn)定傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

1）基于分布式功率智能分配的能量管理技術(shù)

水下能源供給平臺包含多種類型端口，傳輸路徑的控制以及各變換單元之間配合都會影響到功率傳輸?shù)姆€(wěn)定和效率，需要根據(jù)端口類型研究變換單元的控制策略，包括恒壓、恒流、恒功率配合限流、限壓、限功率等以及各模式之間的平滑切換方法，以適應(yīng)端口工況的變化；配合能量管理系統(tǒng)，針對功率傳輸問題，以功率等級、效率最高、動穩(wěn)態(tài)性能、電能質(zhì)量等參數(shù)為目標(biāo)、對變換單元統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行研究。在水下能源供給平臺中，電氣接口（尤其是儲能接口）功率智能分配是實(shí)現(xiàn)可多能量節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)供需平衡、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的協(xié)調(diào)和配合是必須要解決的關(guān)鍵問題。通過分布式功率智能分配將武器裝備和設(shè)施設(shè)備已有能量的使用效率發(fā)揮至極致，并可提高其可靠性、抗毀性。采用基于預(yù)測控制的分布式功率智能分配算法，結(jié)合功率傳輸技術(shù)，將源-荷約束條件、系統(tǒng)穩(wěn)定約束條件、系統(tǒng)電能質(zhì)量約束條件、功率平衡條件、效率優(yōu)化目標(biāo)、系統(tǒng)動態(tài)性能等作為智能算法的輸入和限制條件，通過分布式管理，進(jìn)行全局優(yōu)化。

圖2 集成能量變換器的分布式能量管理方法

2）海洋能源高效獲取與轉(zhuǎn)化技術(shù)

目前處于示范或運(yùn)行階段的潮流能裝置主要針對的是高流速海域，而我國海流能資源流域面積大，普遍流速較低，多數(shù)區(qū)域在0.5 m/s～1.5 m/s之間，能量密度不高[14]。因此，低流速獲能是我國潮流能開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題，需要研究包含葉輪、導(dǎo)流機(jī)構(gòu)和對流機(jī)構(gòu)的一級洋流能捕獲裝置的流動和水動力特性和二級能量傳動結(jié)構(gòu)的運(yùn)行機(jī)理和傳輸過程。

受地理位置、水深地形和氣候氣象等因素影響，我國近海波浪的周期偏短且波高較小，能流密度偏低，具有明顯的寬譜特征，對波浪能俘獲提出了挑戰(zhàn)。而且波浪能裝置在非穩(wěn)態(tài)流場下既受到流體的不穩(wěn)定作用，同時(shí)自身捕獲波浪能并反作用于波浪，因此波浪能裝置多浮體在波浪中的運(yùn)動是一個(gè)復(fù)雜的流固耦合問題。波浪能裝置的多浮體主要由兩部分組成，第一部分為吸波浮體，第二部分為平臺載體，吸波浮體為波浪能裝置的主要捕獲波浪載體，其外形對捕獲波浪至關(guān)重要；平臺載體為波浪能裝置主要承載結(jié)構(gòu)，其外形對導(dǎo)浪聚波以及與吸波浮體發(fā)生相對運(yùn)動至關(guān)重要。針對擬海域波況，基于勢流理論研究吸波體最優(yōu)外形及多浮體運(yùn)動耦合機(jī)理對平臺載體外形優(yōu)化，提高波浪能裝置波浪特性下的捕獲效率，最終提高波浪能裝置波電轉(zhuǎn)換效率。

3）超高比能量密度電池技術(shù)

鋰電池由于其高能量密度、穩(wěn)定的放電性能、良好的安全性等優(yōu)點(diǎn)，成為水下裝備能源的首選。提升能量密度是鋰電池研發(fā)的主要目標(biāo)，并且存在巨大挑戰(zhàn)。一方面，需要開發(fā)新型電極材料提高材料儲能的能量密度；電極材料是超高比能量密度電池的核心組成部分。通過設(shè)計(jì)合適的電極材料，可以提高電池的能儲存容量和能量密度。目前廣泛研究的電極材料包括鋰金屬、硅負(fù)極材料、硫正極材料等，針對不同的電池體系，需選擇適合的電極材料。另一方面，需要研究新型電解質(zhì)，電解質(zhì)是電池中通過離子傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。目前的研究重點(diǎn)是發(fā)展室溫離子液體、聚合物電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)等新型電解質(zhì)材料，以提高電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。另外，超高比能量密度電池技術(shù)需要對電池系統(tǒng)進(jìn)行有效的集成與管理。包括電池模塊的設(shè)計(jì)、電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化和智能控制等方面。這些技術(shù)可以提高電池的安全性、穩(wěn)定性和循環(huán)壽命，進(jìn)一步提高電池的能量密度。通過在這些關(guān)鍵技術(shù)上的不斷研究和創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)電池能量密度的大幅提升，促進(jìn)電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

4）高能效水下無線充電技術(shù)

水下無線充電是一種非接觸式能量傳輸技術(shù)，通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)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(bǔ)給需求。由于海洋環(huán)境的特殊性使得水下無線電能傳輸技術(shù)還有較多問題需要深入研究。相對于空氣介質(zhì)，海水介質(zhì)的電磁物理參數(shù)大為不同。由于海水具有較大的電導(dǎo)率，導(dǎo)致海水中無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率降低，并且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，空氣中傳統(tǒng)互感模型不再適用。需要研究水下無線電能傳輸系統(tǒng)的跨介質(zhì)傳輸機(jī)理，特別是建立海水中渦流損耗計(jì)算模型，得出影響電能傳輸損耗的各種因素，從而進(jìn)行電磁耦合器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與參數(shù)的合理匹配，進(jìn)一步提高傳輸效率。另外，由于海洋環(huán)境復(fù)雜及海流擾動的影響，針對實(shí)際應(yīng)用環(huán)境具有高維非線性、不確定性等復(fù)雜特性，需要解決水下無線電能傳輸過程的閉環(huán)控制問題，進(jìn)一步提高水下裝備充電的智能化管控，實(shí)現(xiàn)高功率密度、強(qiáng)魯棒的無線能量傳輸。

圖3 水下無線充電系統(tǒng)示意圖

4 發(fā)展趨勢

水下裝備對能源供給有著高功率、長工作時(shí)間、良好的隱蔽性等要求。為了滿足這些需求，迫切需要創(chuàng)新水下能源供給模式，并建立一個(gè)強(qiáng)大的水下能源基站，實(shí)現(xiàn)能源的“發(fā)、儲、輸、用”。未來隨著在水下無線充電、海洋能轉(zhuǎn)換、能量管理等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，可以預(yù)見水下能源供給平臺電能供給技術(shù)將向以下方向發(fā)展：

1）能源供給裝備集成化和智能化

隨著科技的不斷發(fā)展和水下作業(yè)的需求增加，單一的能源供給模塊已經(jīng)無法滿足水下裝備復(fù)雜的能源需求[15]。將不同的能源供給模塊集成為一個(gè)整體的系統(tǒng)，可以更好地滿足水下作業(yè)的需求。集成化能源供給裝備可以實(shí)現(xiàn)能源獲取、存儲、傳輸和管理等功能進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作，提高能源的利用效率和可靠性。通過集成化，可以實(shí)現(xiàn)能源的多能互補(bǔ)，從而提供更穩(wěn)定、高效的能源供給。同時(shí)，集成化還可以減少能源供給裝備的體積和重量，提高能源供給裝備的靈活性和機(jī)動性。另外，在集成化的基礎(chǔ)上，通過引入智能控制和管理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對能源供給的精確控制和優(yōu)化管理，提高能源的利用效率。同時(shí)，可以提供更高級的故障診斷和預(yù)測能力，提前發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過能源供給裝備集成化和智能化的發(fā)展，能夠提高水下作業(yè)的能源供給效率和可靠性，為水下作業(yè)和探測提供更好的支持。

2）水下能源補(bǔ)給類型多元化

海洋中潛藏著豐富的能源資源，未來隨著潮流能發(fā)電、波浪能發(fā)電、溫差熱能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等技術(shù)的逐步成熟，水下能源補(bǔ)給類型將由單一化向多元化拓展[16, 17]?？紤]到水下裝備的應(yīng)用工況，發(fā)展差異化的海洋能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是至關(guān)重要的。通過不同類型能源的高效轉(zhuǎn)化，逐步形成多能互補(bǔ)、智能調(diào)控的能源綜合利用模式。這種多元化的能源補(bǔ)給模式不僅可以提高水下裝備的能源供應(yīng)穩(wěn)定性，還可以降低對儲能電池的依賴。同時(shí)，海洋能源的利用也有助于減少對傳統(tǒng)能源的依賴，推動可持續(xù)發(fā)展。

3）高能量密度和長壽命的儲能系統(tǒng)

水下裝備的續(xù)航能力受到其自帶儲能系統(tǒng)能量密度的限制，提高深水復(fù)雜工況下的能量密度、安全性和壽命是水下裝備儲能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。高能量密度和長壽命是水下儲能系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢[18]，隨著可再生能源的快速發(fā)展，需要能夠存儲大量能量的儲能系統(tǒng)來平衡能源供應(yīng)和需求之間的差異。另外，水下儲能系統(tǒng)通常用于遠(yuǎn)離陸地的海洋環(huán)境中，維護(hù)和修復(fù)成本較高。因此，長壽命的儲能系統(tǒng)可以減少維護(hù)頻率和成本，并提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過提高能源存儲能力、增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性、降低儲能系統(tǒng)的成本，實(shí)現(xiàn)水下儲能系統(tǒng)的高效能量存儲。

4）基于無線充電技術(shù)的水下能源補(bǔ)給方式

目前水下裝備的能源補(bǔ)給方式主要有兩種，一是將裝備打撈上岸/水面艦船后通過電纜進(jìn)行充電。然而，這種方式需要頻繁回收和布放，工作連貫性差，成本高且周期長。第二種方式則是利用濕插拔技術(shù)直接在水下進(jìn)行充電。然而，這種插拔操作存在安裝難度大、操作困難以及接口易磨損等問題。基于水下無線充電技術(shù)的電能源補(bǔ)給具有許多優(yōu)勢[19, 20]。首先，它具有隱蔽性高的特點(diǎn)，能夠在水下進(jìn)行充電，無需將裝備打撈上岸或水面艦艇。其次，水下無線充電技術(shù)具有部署靈活的優(yōu)勢，可以根據(jù)需要在不同位置進(jìn)行提前部署并對水下裝備進(jìn)行能源補(bǔ)給。因此，可以預(yù)見，基于水下無線充電技術(shù)的電能源補(bǔ)給將成為未來水下裝備主要的能源補(bǔ)給形式。這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用將極大地改善水下裝備的能源補(bǔ)給方式，提高工作效率，降低成本，并且能夠更好地滿足水下裝備的能源需求。

4 應(yīng)用前景

未來水下能源補(bǔ)給的需求將顯著增加，需要積極開拓多種能源補(bǔ)給方式，以滿足不同水下裝備的能源補(bǔ)給需求。一是水下裝備自主尋的式電能補(bǔ)給，未來的水下裝備將能夠根據(jù)自身的能源需求以及周圍能源補(bǔ)給設(shè)施的部署情況，主動尋找并獲取所需的電能補(bǔ)給，使得水下裝備能夠更加靈活地獲取所需能源，減少對外部補(bǔ)給設(shè)施的依賴性。二是能源供給平臺感應(yīng)式補(bǔ)給。隨著水下通信和檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的水下能源補(bǔ)給平臺將能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有水下裝備的能源數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)提前預(yù)測相應(yīng)的補(bǔ)給需求，并為需要補(bǔ)給的水下裝備提供定制化的補(bǔ)給方案，主動提供所需的能源補(bǔ)給，感應(yīng)式補(bǔ)給技術(shù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，為水下裝備提供精準(zhǔn)的能源補(bǔ)給規(guī)劃，確保其能夠持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。多種水下能源補(bǔ)給方式將極大地提高水下裝備的能源供給效率和可靠性。

水下能源補(bǔ)給的發(fā)展將依賴于先進(jìn)的通信、感知技術(shù)的不斷突破。同時(shí)，也需要加強(qiáng)對水下能源補(bǔ)給平臺電能補(bǔ)給技術(shù)的深入研究，更好地理解水下能源供給的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)。通過不斷創(chuàng)新和合作，為水下裝備提供更可靠、高效的能源補(bǔ)給方案。

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Current status and trends of electric energy supply technology development for underwater energy supply platforms

Zhang Huailiang

（Equipment Project Management Center of Naval Equipment Department, Beijing 101149, China）

TM612

A

1003-4862（2023）12-0015-05

2023-10-02

張懷亮(1972-)，男，高級工程師。研究方向：艦船電氣工程。E-mail:13910566421@139.com