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舰船装备

新型能源技术对未来装备发展的影响

发布日期: 2019-07-30  来源:原创: 马晓晨 蓝海星智库  



  近年来,高比能可充电电池、太阳能电池、柔性电源、燃料电池及其他新能源技术快速进步,甚至呈现出爆发式发展的态势。这些动力与能源技术具有高度的军民两用性和军种通用性,其快速进步将带来装备形态、使用方式、部署模式的改变。主要体现在:高比能电池、小型便携式电源、能量回收技术有望打造能长期独立作战的超级士兵;燃料电池技术通用性强,可用于潜艇、战车及各种无人平台;无人干预充电,尤其是无线充电技术,将大幅提高作战无人平台的作战半径;太阳能、波浪能、海洋温差能、微生物燃料电池等新能源技术有望实现无人值守传感器的无限续航力。

 

图1  典型新能源技术及应用情况

  一、打造能长期独立作战的超级士兵
  新一代的士兵系统将装备功能更加完善的情报、监视、侦察系统,具备更快的通信、敌我识别等数据交互能力,使士兵能操控无人车和无人机,同时收集士兵心率、呼吸频率、血压、体温等健康状态数据,并能过滤空气和水,实现人体保暖和降温,为士兵提供必要的生命支持。美国国防部设想的未来士兵头盔将具备抬头显示、综合通信、空气过滤、夜视、光学侦察等功能;智能作战服(例如DARPA研发的“勇士织衣”)重量轻、柔韧性好,能通过小型传感器、功能结构件和致动器将负重分布于士兵全身,减轻负重对关节的损伤,同时带有生物传感器、实时健康检测、自主医药辅助等功能。

  这种新一代士兵系统的发展对士兵电源提出了更高的需求:一是要发展更高比能、更高比功的电源,包括一次电池、可充电电池、超级电容器,支持下一代武器、传感器、雷达和外骨骼的用电需求,同时延长战术任务时间,减轻士兵电源负重;二是发展小型便携式电源,包括小型燃料电池、便携式发电机、高效太阳能电池板,能利用战术燃料发电,提高远征作战的现场发电能力,提高战术作战自主性,减少对能源补给的需求;三是发展能量回收系统,回收士兵运动时膝盖、关节、肩膀等处的动能,回收因运动产生的静电力和压力发电,最大限度地降低能量损耗。

  未来士兵服装可由拉伸发电的纱线混纺而成,肩部、胸部可集成柔性光伏电池,腹部可装备多组轻量化高比能电池,大腿部装备小型燃料电池,并携带适量战术燃料,膝盖、关节、肩膀等还可装备动能回收系统,手套、背心前部可粘贴拉伸发电电容器贴片,由配电模块向作战服各处分配电能并监控用电、供电情况,形成未来士兵作战服的电源系统。士兵电源正在从单电池发展为包含柔性电源、便携式自发电、贴合人体能量回收的综合能源系统,趋势是更薄、更轻、更柔软。这些士兵电源能够有效延长士兵携带传感器、电子设备、通信系统的续航力,能够支持新一代武器、传感器、外骨骼,提高干扰环境下的目标命中率、状态感知、多模式通信、毁伤目标的能力,还能在必要时为携带的小型无人机、无人车充电,提高无人平台的航程和续航时间。

  1、高比能蓄电池是支持下一代士兵高性能武器装备的重要手段,有望将士兵电池负重降低至1/4

  现有锂离子电池的正极主要使用磷酸锂铁、锰酸锂、三元材料,负极为石墨类材料,电池比能约100~200Wh/kg。美国陆军要求未来士兵电源的比能达到600~800Wh/kg,是目前的4~6倍。提高锂电池比能的思路主要有三条:一是优化正极配方,主要是调节正极中的Ni、Co、Mn、Al等元素配比,在保证安全性(主要是热稳定性和循环特性)的前提下逐步提高比能,这种渐进式发展思路预计可将电池比能提高至300Wh/kg。二是优化负极结构,重点是研发理论比容量达石墨10倍的硅负极,核心是通过包覆、嵌入和掺杂等手段,构建纳米硅碳复合材料、硅氧复合材料等,解决硅负极在充放电过程中的体积膨胀严重问题。三是研发理论比能为锂离子电池6~12倍的锂金属负极电池,包括锂硫电池和锂空气电池,但这种电池存在严重的金属锂枝晶问题,难以充放电,目前仍需通过硫元素封装、改进固体电解质、界面工程等方法改进,但仍是未来电源重要备选方案。美国陆军分析认为,对于一项72小时的士兵作战任务,硅负极锂离子电池可将电池重量降低至70%,锂硫电池可降低至30%,锂空气电池可降低15%。

  2、柔性可拉伸电源能跟随人体动作变形,有望通过纱线混纺或贴片粘贴,制成可发电、可储能的士兵服装

  柔性可拉伸电源主要包括柔性锂离子电池、柔性超级电容器和柔性太阳能电池。柔性锂离子电池可使用纸状、多孔、纤维、波浪等电极结构。纸状柔性电池是将电极材料独立成膜或涂覆在柔性纸状基底上,可制成电池贴片;多孔柔性电池是在柔性多孔框架上沉积电极材料,可用作服装中的填充物;纤维柔性电池可在棉质、聚酯质纤维上涂覆电极材料,或在多壁碳纳米管上添加电极材料后滚成纤维,再缠绕至弹性材料或自行盘绕成弹簧状纤维结构;波浪柔性电池是在预应变弹性基板上沉积电极材料,随后释放应变构成波浪形的可拉伸电极,也可用作电池贴片。柔性超级电容器可使用一维的纤维状结构,将电极捻在一起或逐层组装制成纤维,通过编织混纺制成服装,还可通过印刷、折叠等方式制造二维柔性超级电容器,贴附在皮肤、塑料、织物等表面。目前,柔性超级电容器的比电容一般为mF/cm2量级,比功约为mW/cm2量级,比能约为μWh/cm2量级,功率较低,可为LED灯、二极管、低功率人体传感器等供电。有机聚合物太阳能电池是一种柔性电源,能制成薄膜缝在衣服上。这种太阳能电池一般使用共轭聚合物供体和富勒烯衍生物受体,拉伸率可超过50%,光电转换效率最高约12%;还可制成多节有机太阳能电池,吸收不同波段的光,效率有望达到18%。

 

图2  使用CNT柔性电极的纸状锂离子电池

 

图3  纤维超级电容器编织到织物中

  3、小型便携式电源包括燃料电池和高效率太阳能电池板,可提高远征作战的现场发电能力

  便携式燃料电池正在从乙醇、甲醇重整逐步过渡至燃油重整或直接电子转移制氢发电,能量密度不断提高。美国Atrex已经研发出使用JP8无硫燃油的燃料电池,功率1.5kW,效率达到40%。高效率太阳能电池板也是提高士兵现场发电能力的重要手段。根据美国可再生能源实验室,目前的太阳能电池效率最高达到46%(四结、聚光),传统硅电池已经基本达到效率瓶颈。钙钛矿太阳能电池作为一种新型方案,制造成本低,从2009年发展至今实际效率已从3.8%增加至24.2%,钙钛矿-硅混合电池效率更是高达28%,超过硅电池水平(聚光单晶硅电池效率为27.6%)。钙钛矿太阳能电池是一种极有潜力的太阳能电池。除用作士兵携带的太阳能电池板外,钙钛矿太阳能电池还能制成半透明薄膜,用于战车玻璃涂层。

  4、人体能量回收系统正在从笨重的机电系统发展为可纺织的柔性纱线或贴片

  目前士兵装备的人体能量回收系统一般采用机电系统,装备在腿部、关节处。除了这些复杂、笨重的机械式能量回收系统外,还可采用摩擦纳米发电机、温差发电热电池、压电纳米发电机等,甚至构建综合能量回收体系,回收关节弯曲、穿衣、步行、呼吸等低频活动的动能,驱动人体生理信号传感器、LED显示器等低功耗小型电子设备。柔性摩擦纳米发电机(TENG)通过两种不同的聚合物/金属材料接触时的摩擦发电,可制成薄膜贴片或纤维织物。典型的柔性聚合物摩擦纳米发电机可产生约3V的电压,功率密度达1W/m2。利用弹性体电极和水凝胶电介质,还能制成可拉伸10倍的摩擦纳米发电机。使用3D打印图案化的聚乳酸-石墨烯-特氟龙薄膜,通过简单的拍手动作,就能将发电电压提高至3kV,可用于3米范围内的无线充电。热电池利用人体与环境的温差发电,可利用太阳能吸收器将温差扩大到20℃,已经能产生约0.05~0.7伏、0.3~4.4微瓦的电能。柔性压电纳米发电机(PENG)通过在外力下破坏晶体结构的中心对称性,形成压电势,但目前功率较低,约1mW/m2,输出电压约1~3V,可通过平行或纵向排列大量纳米线增大功率。

  二、燃料电池技术通用性强,可用于常规潜艇、战车、无人平台等
燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,一般以氢气为燃料,与空气或氧气发生电化学反应,理论发电效率可达60%。其中,质子交换膜燃料电池由于其运行温度低、启动速度快,适用于车辆和无人平台。燃料电池技术的通用性很强,改变单电池和堆栈数量就可研发出不同功率的动力系统。30~100kW的系统可用于潜艇或战车,0.5~40kW的可用于不同规格的无人机和无人潜航器。

  1、燃料电池已成为主流的常规潜艇AIP技术

  德国的212型/214型潜艇、俄罗斯第五代常规艇、西班牙S80潜艇、法国“短鳍梭鱼”型潜艇均已使用或确定使用燃料电池+柴油机动力型式。此外,日本防卫省也在研发潜艇燃料电池动力系统,很可能用于下一代潜艇。由于高压氢气储存条件苛刻、金属氢化物储氢密度低,国外海军正在研发利用甲醇、乙醇、燃油为原料重整制氢的技术。目前,俄罗斯正在为第五代常规潜艇试验燃油重整制氢技术,法国“短鳍梭鱼”型潜艇也将提供燃油重整制氢方案。

  2、车用燃料电池在军、民领域都有应用

  车用燃料电池也已经开展了多年的研究,商用燃料电池车已经开始销售,作战车辆也已经开始应用燃料电池。美国通用汽车公司也与陆军装备司令部坦克机动车辆研发与工程中心(TARDEC)联合研发了雪佛兰科罗拉多ZH2燃料电池汽车,发电功率92kW,用于夏威夷军事基地。燃料电池除可用于驱动车辆外,还可用于制备淡水和为小型无人系统充电,而无需额外携带发电机。

  3、燃料电池有望成为中小型无人潜航器的重要动力形式

  普通氢氧燃料电池需要携带储氢罐和储氧罐,系统较为复杂,并不适用于中小型无人潜航器。目前,国外较为看好的一种无人潜航器用燃料电池方案是铝水燃料电池,使用铝合金与海水反应制备氢气和氧气,无需携带笨重的储氢罐和储氧罐。此前,铝水燃料电池因易形成钝化层、反应缓慢不被看好,近期,麻省理工学院、通用原子公司等相继提出了多种破坏钝化层、维持反应持续稳定进行的方案,加速了铝水燃料电池的实用化进程。激流公司已经将其微型无人潜航器换装了铝水燃料电池,续航时间从装备锂离子电池的48小时提高到了400小时。

  4、氢氧燃料电池可用于中小型无人机

  美军分析认为,燃料电池适用于最大起飞重量不超过25kg的中小型无人机,可提高无人机续航力。美海军研究实验室的“离子虎”无人机上使用550W的燃料电池续航力为26小时,将30Mpa储氢罐换装液氢后,续航力可达到48小时,而使用同等重量的蓄电池的续航力仅为4小时。

  三、通过无人干预充电扩大无人平台的作战半径
  从动力和能源角度看,扩大无人平台作战半径的主要方式有两种:一是持续发展高比能、大容量的蓄电池,但受电池工业整体发展水平限制,短期内蓄电池比能难以大幅提高;二是在无人平台执行任务的间隙,进行无人干预充电,减少布放和回收频次。目前,国外为无人潜航器和无人机都研发了无人干预的中继充电系统。

  1、水下充电站可在水下数百至数千米部署,为中小型无人潜航器充电同时传输数据

  水下充电站可由燃料电池、水下核电站或其他海上新能源技术等供电,有望解决无人潜航器长期部署和隐蔽作战所面临的后勤维护难题。目前,美国的水下充电站能够利用铝水反应结合燃料电池发电,通过湿式混合连接器与潜航器有线连接完成电力和数据传输,充电功率达到16kW。美国还研发了水下无线充电方案,例如WFS公司的SeaTooth系列水下感应式连接器,数据传输速率为2.4千比特/秒~100兆比特/秒,充电功率最高为3千瓦,通过海水的最大传输距离为20厘米,效率接近80%。俄罗斯还研发了水下核能充电站,可由特种任务潜艇搭载布放,热功率6兆瓦、发电功率1兆瓦,为北极无人系统供电。

  2、还可利用无人平台或激光为无人机充电

  无人机的无人干预充电一般有两种方案,一是用无人车或无人水面艇搭载电池深入战区为无人机充电,二是直接用激光远距离充电。日本enRoute公司就研发了一种利用无人车为无人机充电的系统,利用微波波段向无人机充电,传输效率达到80%,充电时间约为60分钟。移动目标的远距离无线充电技术较为困难,主要是由于充电线圈与被充电线圈间的相对位置和角度发生变化时,充电功率和效率也会随之改变。2017年,美国斯坦福大学首次实现在1米范围内的高效稳定电力传输。DARPA正在验证用激光束为无人机远程充电的可行性,使无人机无需降落即可补充电能。美国海军也在评估利用舰载激光为无人机充电的可行性。

  四、使分布式无人值守传感器具备理论的无线续航力
  分布式无人值守传感器一般用电池供电,电池的更换、充电也会带来隐蔽性差、后勤维护成本高等问题。例如,利用舰艇和舰员更换深海传感器电池的费用超过50万美元/个。新能源技术的发展,使地面、水面、水下、海底的无人值守传感器均有望实现无限续航力。

  1、地面传感器的首选电源之一就是太阳能电池

  除了常见的硅基太阳能电池板外,还可使用钙钛矿太阳能电池、染料敏化电池等新型薄膜电池,以及利用光合作用转移电子的微生物太阳能电池。英国帝国理工学院通过喷墨打印制造了蓝藻太阳能电池,能为小型数字时钟或低功率LED灯供电。除太阳能电池外,地面传感器还可使用摩擦纳米发电机等能量回收技术,收集风、振动、波浪、雨滴的能量,支撑即时或短时间间歇式的无线信号发射。哈佛大学还利用碳纳米管研制出一种能量回收纱线,在拉伸或扭转时就能发电,拉伸频率为每秒30次时,可产生250W/kg的峰值功率。

  2、水面、水下传感器可使用波浪能、海洋温差能供电

  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℃)。海洋温差能可利用表层和深层海水间的温差进行发电,有望将浮标的续航力延长至数年。此外,水面水下传感器还可使用波浪能供电。美国潮汐能源技术公司已经研发出功率350W~15kW的波浪能浮标发电系统,浮标部署深度为25~1000米。

  3、海底传感器可使用微生物燃料电池发电

  微生物燃料电池以海底微生物为阳极、海水为阴极,利用微生物的呼吸作用,分解环境中的糖类和其他养分,释放能量形成电流。美国空间与海上作战系统中心太平洋分部针对微生物燃料电池开展了大量研究,提出了搅拌型电池提高比功。2016年11月,该机构在海洋技术协会会议上提出,可在中国南海及周边海域部署微生物传感器供电的分布式传感器网络。

 

图4  左:美国海军空间与海上作战系统中心太平洋分部设想的中国南海传感器网络;右:微生物燃料电池供电的传感器


   结  语

  太阳能、可充电电池、燃料电池、能量回收等新能源技术的发展,在引导民用消费趋向的同时,也正在对军事装备、战场形态产生潜移默化的影响。

(蓝海星:马晓晨)

 


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