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              艦船裝備

              新型能源技術對未來裝備發展的影響

              發布日期: 2019-07-30  來源:原創: 馬曉晨 藍海星智庫  



                近年來,高比能可充電電池、太陽能電池、柔性電源、燃料電池及其他新能源技術快速進步,甚至呈現出爆發式發展的態勢。這些動力與能源技術具有高度的軍民兩用性和軍種通用性,其快速進步將帶來裝備形態、使用方式、部署模式的改變。主要體現在:高比能電池、小型便攜式電源、能量回收技術有望打造能長期獨立作戰的超級士兵;燃料電池技術通用性強,可用于潛艇、戰車及各種無人平臺;無人干預充電,尤其是無線充電技術,將大幅提高作戰無人平臺的作戰半徑;太陽能、波浪能、海洋溫差能、微生物燃料電池等新能源技術有望實現無人值守傳感器的無限續航力。

               

              圖1  典型新能源技術及應用情況

                一、打造能長期獨立作戰的超級士兵
                新一代的士兵系統將裝備功能更加完善的情報、監視、偵察系統,具備更快的通信、敵我識別等數據交互能力,使士兵能操控無人車和無人機,同時收集士兵心率、呼吸頻率、血壓、體溫等健康狀態數據,并能過濾空氣和水,實現人體保暖和降溫,為士兵提供必要的生命支持。美國國防部設想的未來士兵頭盔將具備抬頭顯示、綜合通信、空氣過濾、夜視、光學偵察等功能;智能作戰服(例如DARPA研發的“勇士織衣”)重量輕、柔韌性好,能通過小型傳感器、功能結構件和致動器將負重分布于士兵全身,減輕負重對關節的損傷,同時帶有生物傳感器、實時健康檢測、自主醫藥輔助等功能。

                這種新一代士兵系統的發展對士兵電源提出了更高的需求:一是要發展更高比能、更高比功的電源,包括一次電池、可充電電池、超級電容器,支持下一代武器、傳感器、雷達和外骨骼的用電需求,同時延長戰術任務時間,減輕士兵電源負重;二是發展小型便攜式電源,包括小型燃料電池、便攜式發電機、高效太陽能電池板,能利用戰術燃料發電,提高遠征作戰的現場發電能力,提高戰術作戰自主性,減少對能源補給的需求;三是發展能量回收系統,回收士兵運動時膝蓋、關節、肩膀等處的動能,回收因運動產生的靜電力和壓力發電,最大限度地降低能量損耗。

                未來士兵服裝可由拉伸發電的紗線混紡而成,肩部、胸部可集成柔性光伏電池,腹部可裝備多組輕量化高比能電池,大腿部裝備小型燃料電池,并攜帶適量戰術燃料,膝蓋、關節、肩膀等還可裝備動能回收系統,手套、背心前部可粘貼拉伸發電電容器貼片,由配電模塊向作戰服各處分配電能并監控用電、供電情況,形成未來士兵作戰服的電源系統。士兵電源正在從單電池發展為包含柔性電源、便攜式自發電、貼合人體能量回收的綜合能源系統,趨勢是更薄、更輕、更柔軟。這些士兵電源能夠有效延長士兵攜帶傳感器、電子設備、通信系統的續航力,能夠支持新一代武器、傳感器、外骨骼,提高干擾環境下的目標命中率、狀態感知、多模式通信、毀傷目標的能力,還能在必要時為攜帶的小型無人機、無人車充電,提高無人平臺的航程和續航時間。

                1、高比能蓄電池是支持下一代士兵高性能武器裝備的重要手段,有望將士兵電池負重降低至1/4

                現有鋰離子電池的正極主要使用磷酸鋰鐵、錳酸鋰、三元材料,負極為石墨類材料,電池比能約100~200Wh/kg。美國陸軍要求未來士兵電源的比能達到600~800Wh/kg,是目前的4~6倍。提高鋰電池比能的思路主要有三條:一是優化正極配方,主要是調節正極中的Ni、Co、Mn、Al等元素配比,在保證安全性(主要是熱穩定性和循環特性)的前提下逐步提高比能,這種漸進式發展思路預計可將電池比能提高至300Wh/kg。二是優化負極結構,重點是研發理論比容量達石墨10倍的硅負極,核心是通過包覆、嵌入和摻雜等手段,構建納米硅碳復合材料、硅氧復合材料等,解決硅負極在充放電過程中的體積膨脹嚴重問題。三是研發理論比能為鋰離子電池6~12倍的鋰金屬負極電池,包括鋰硫電池和鋰空氣電池,但這種電池存在嚴重的金屬鋰枝晶問題,難以充放電,目前仍需通過硫元素封裝、改進固體電解質、界面工程等方法改進,但仍是未來電源重要備選方案。美國陸軍分析認為,對于一項72小時的士兵作戰任務,硅負極鋰離子電池可將電池重量降低至70%,鋰硫電池可降低至30%,鋰空氣電池可降低15%。

                2、柔性可拉伸電源能跟隨人體動作變形,有望通過紗線混紡或貼片粘貼,制成可發電、可儲能的士兵服裝

                柔性可拉伸電源主要包括柔性鋰離子電池、柔性超級電容器和柔性太陽能電池。柔性鋰離子電池可使用紙狀、多孔、纖維、波浪等電極結構。紙狀柔性電池是將電極材料獨立成膜或涂覆在柔性紙狀基底上,可制成電池貼片;多孔柔性電池是在柔性多孔框架上沉積電極材料,可用作服裝中的填充物;纖維柔性電池可在棉質、聚酯質纖維上涂覆電極材料,或在多壁碳納米管上添加電極材料后滾成纖維,再纏繞至彈性材料或自行盤繞成彈簧狀纖維結構;波浪柔性電池是在預應變彈性基板上沉積電極材料,隨后釋放應變構成波浪形的可拉伸電極,也可用作電池貼片。柔性超級電容器可使用一維的纖維狀結構,將電極捻在一起或逐層組裝制成纖維,通過編織混紡制成服裝,還可通過印刷、折疊等方式制造二維柔性超級電容器,貼附在皮膚、塑料、織物等表面。目前,柔性超級電容器的比電容一般為mF/cm2量級,比功約為mW/cm2量級,比能約為μWh/cm2量級,功率較低,可為LED燈、二極管、低功率人體傳感器等供電。有機聚合物太陽能電池是一種柔性電源,能制成薄膜縫在衣服上。這種太陽能電池一般使用共軛聚合物供體和富勒烯衍生物受體,拉伸率可超過50%,光電轉換效率最高約12%;還可制成多節有機太陽能電池,吸收不同波段的光,效率有望達到18%。

               

              圖2  使用CNT柔性電極的紙狀鋰離子電池

               

              圖3  纖維超級電容器編織到織物中

                3、小型便攜式電源包括燃料電池和高效率太陽能電池板,可提高遠征作戰的現場發電能力

                便攜式燃料電池正在從乙醇、甲醇重整逐步過渡至燃油重整或直接電子轉移制氫發電,能量密度不斷提高。美國Atrex已經研發出使用JP8無硫燃油的燃料電池,功率1.5kW,效率達到40%。高效率太陽能電池板也是提高士兵現場發電能力的重要手段。根據美國可再生能源實驗室,目前的太陽能電池效率最高達到46%(四結、聚光),傳統硅電池已經基本達到效率瓶頸。鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型方案,制造成本低,從2009年發展至今實際效率已從3.8%增加至24.2%,鈣鈦礦-硅混合電池效率更是高達28%,超過硅電池水平(聚光單晶硅電池效率為27.6%)。鈣鈦礦太陽能電池是一種極有潛力的太陽能電池。除用作士兵攜帶的太陽能電池板外,鈣鈦礦太陽能電池還能制成半透明薄膜,用于戰車玻璃涂層。

                4、人體能量回收系統正在從笨重的機電系統發展為可紡織的柔性紗線或貼片

                目前士兵裝備的人體能量回收系統一般采用機電系統,裝備在腿部、關節處。除了這些復雜、笨重的機械式能量回收系統外,還可采用摩擦納米發電機、溫差發電熱電池、壓電納米發電機等,甚至構建綜合能量回收體系,回收關節彎曲、穿衣、步行、呼吸等低頻活動的動能,驅動人體生理信號傳感器、LED顯示器等低功耗小型電子設備。柔性摩擦納米發電機(TENG)通過兩種不同的聚合物/金屬材料接觸時的摩擦發電,可制成薄膜貼片或纖維織物。典型的柔性聚合物摩擦納米發電機可產生約3V的電壓,功率密度達1W/m2。利用彈性體電極和水凝膠電介質,還能制成可拉伸10倍的摩擦納米發電機。使用3D打印圖案化的聚乳酸-石墨烯-特氟龍薄膜,通過簡單的拍手動作,就能將發電電壓提高至3kV,可用于3米范圍內的無線充電。熱電池利用人體與環境的溫差發電,可利用太陽能吸收器將溫差擴大到20℃,已經能產生約0.05~0.7伏、0.3~4.4微瓦的電能。柔性壓電納米發電機(PENG)通過在外力下破壞晶體結構的中心對稱性,形成壓電勢,但目前功率較低,約1mW/m2,輸出電壓約1~3V,可通過平行或縱向排列大量納米線增大功率。

                二、燃料電池技術通用性強,可用于常規潛艇、戰車、無人平臺等
              燃料電池是將燃料中的化學能直接轉化為電能的裝置,一般以氫氣為燃料,與空氣或氧氣發生電化學反應,理論發電效率可達60%。其中,質子交換膜燃料電池由于其運行溫度低、啟動速度快,適用于車輛和無人平臺。燃料電池技術的通用性很強,改變單電池和堆棧數量就可研發出不同功率的動力系統。30~100kW的系統可用于潛艇或戰車,0.5~40kW的可用于不同規格的無人機和無人潛航器。

                1、燃料電池已成為主流的常規潛艇AIP技術

                德國的212型/214型潛艇、俄羅斯第五代常規艇、西班牙S80潛艇、法國“短鰭梭魚”型潛艇均已使用或確定使用燃料電池+柴油機動力型式。此外,日本防衛省也在研發潛艇燃料電池動力系統,很可能用于下一代潛艇。由于高壓氫氣儲存條件苛刻、金屬氫化物儲氫密度低,國外海軍正在研發利用甲醇、乙醇、燃油為原料重整制氫的技術。目前,俄羅斯正在為第五代常規潛艇試驗燃油重整制氫技術,法國“短鰭梭魚”型潛艇也將提供燃油重整制氫方案。

                2、車用燃料電池在軍、民領域都有應用

                車用燃料電池也已經開展了多年的研究,商用燃料電池車已經開始銷售,作戰車輛也已經開始應用燃料電池。美國通用汽車公司也與陸軍裝備司令部坦克機動車輛研發與工程中心(TARDEC)聯合研發了雪佛蘭科羅拉多ZH2燃料電池汽車,發電功率92kW,用于夏威夷軍事基地。燃料電池除可用于驅動車輛外,還可用于制備淡水和為小型無人系統充電,而無需額外攜帶發電機。

                3、燃料電池有望成為中小型無人潛航器的重要動力形式

                普通氫氧燃料電池需要攜帶儲氫罐和儲氧罐,系統較為復雜,并不適用于中小型無人潛航器。目前,國外較為看好的一種無人潛航器用燃料電池方案是鋁水燃料電池,使用鋁合金與海水反應制備氫氣和氧氣,無需攜帶笨重的儲氫罐和儲氧罐。此前,鋁水燃料電池因易形成鈍化層、反應緩慢不被看好,近期,麻省理工學院、通用原子公司等相繼提出了多種破壞鈍化層、維持反應持續穩定進行的方案,加速了鋁水燃料電池的實用化進程。激流公司已經將其微型無人潛航器換裝了鋁水燃料電池,續航時間從裝備鋰離子電池的48小時提高到了400小時。

                4、氫氧燃料電池可用于中小型無人機

                美軍分析認為,燃料電池適用于最大起飛重量不超過25kg的中小型無人機,可提高無人機續航力。美海軍研究實驗室的“離子虎”無人機上使用550W的燃料電池續航力為26小時,將30Mpa儲氫罐換裝液氫后,續航力可達到48小時,而使用同等重量的蓄電池的續航力僅為4小時。

                三、通過無人干預充電擴大無人平臺的作戰半徑
                從動力和能源角度看,擴大無人平臺作戰半徑的主要方式有兩種:一是持續發展高比能、大容量的蓄電池,但受電池工業整體發展水平限制,短期內蓄電池比能難以大幅提高;二是在無人平臺執行任務的間隙,進行無人干預充電,減少布放和回收頻次。目前,國外為無人潛航器和無人機都研發了無人干預的中繼充電系統。

                1、水下充電站可在水下數百至數千米部署,為中小型無人潛航器充電同時傳輸數據

                水下充電站可由燃料電池、水下核電站或其他海上新能源技術等供電,有望解決無人潛航器長期部署和隱蔽作戰所面臨的后勤維護難題。目前,美國的水下充電站能夠利用鋁水反應結合燃料電池發電,通過濕式混合連接器與潛航器有線連接完成電力和數據傳輸,充電功率達到16kW。美國還研發了水下無線充電方案,例如WFS公司的SeaTooth系列水下感應式連接器,數據傳輸速率為2.4千比特/秒~100兆比特/秒,充電功率最高為3千瓦,通過海水的最大傳輸距離為20厘米,效率接近80%。俄羅斯還研發了水下核能充電站,可由特種任務潛艇搭載布放,熱功率6兆瓦、發電功率1兆瓦,為北極無人系統供電。

                2、還可利用無人平臺或激光為無人機充電

                無人機的無人干預充電一般有兩種方案,一是用無人車或無人水面艇搭載電池深入戰區為無人機充電,二是直接用激光遠距離充電。日本enRoute公司就研發了一種利用無人車為無人機充電的系統,利用微波波段向無人機充電,傳輸效率達到80%,充電時間約為60分鐘。移動目標的遠距離無線充電技術較為困難,主要是由于充電線圈與被充電線圈間的相對位置和角度發生變化時,充電功率和效率也會隨之改變。2017年,美國斯坦福大學首次實現在1米范圍內的高效穩定電力傳輸。DARPA正在驗證用激光束為無人機遠程充電的可行性,使無人機無需降落即可補充電能。美國海軍也在評估利用艦載激光為無人機充電的可行性。

                四、使分布式無人值守傳感器具備理論的無線續航力
                分布式無人值守傳感器一般用電池供電,電池的更換、充電也會帶來隱蔽性差、后勤維護成本高等問題。例如,利用艦艇和艦員更換深海傳感器電池的費用超過50萬美元/個。新能源技術的發展,使地面、水面、水下、海底的無人值守傳感器均有望實現無限續航力。

                1、地面傳感器的首選電源之一就是太陽能電池

                除了常見的硅基太陽能電池板外,還可使用鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化電池等新型薄膜電池,以及利用光合作用轉移電子的微生物太陽能電池。英國帝國理工學院通過噴墨打印制造了藍藻太陽能電池,能為小型數字時鐘或低功率LED燈供電。除太陽能電池外,地面傳感器還可使用摩擦納米發電機等能量回收技術,收集風、振動、波浪、雨滴的能量,支撐即時或短時間間歇式的無線信號發射。哈佛大學還利用碳納米管研制出一種能量回收紗線,在拉伸或扭轉時就能發電,拉伸頻率為每秒30次時,可產生250W/kg的峰值功率。

                2、水面、水下傳感器可使用波浪能、海洋溫差能供電

                目前,在全世界絕大多數的溫暖海洋和熱帶海洋,海平面的溫度(15~30℃)遠高于500米深的海水溫度(4~7℃)。海洋溫差能可利用表層和深層海水間的溫差進行發電,有望將浮標的續航力延長至數年。此外,水面水下傳感器還可使用波浪能供電。美國潮汐能源技術公司已經研發出功率350W~15kW的波浪能浮標發電系統,浮標部署深度為25~1000米。

                3、海底傳感器可使用微生物燃料電池發電

                微生物燃料電池以海底微生物為陽極、海水為陰極,利用微生物的呼吸作用,分解環境中的糖類和其他養分,釋放能量形成電流。美國空間與海上作戰系統中心太平洋分部針對微生物燃料電池開展了大量研究,提出了攪拌型電池提高比功。2016年11月,該機構在海洋技術協會會議上提出,可在中國南海及周邊海域部署微生物傳感器供電的分布式傳感器網絡。

               

              圖4  左:美國海軍空間與海上作戰系統中心太平洋分部設想的中國南海傳感器網絡;右:微生物燃料電池供電的傳感器


                 結  語

                太陽能、可充電電池、燃料電池、能量回收等新能源技術的發展,在引導民用消費趨向的同時,也正在對軍事裝備、戰場形態產生潛移默化的影響。

              (藍海星:馬曉晨)

               


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