【作者简介】文章作者为张彦，工作单位为武汉理工大学能源与动力工程学院，本篇文章节选自论文《新能源在无人海洋航行器上的应用现状与展望》，发表于《中国造船》，2020年6月，第61卷、第2期。 |
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0.引言 |
无人海洋航行器是指可在海洋环境下航行和执行各种任务的机器人，其技术含量和信息化程度高、同时具有机动灵便、成本低、可批量生产、能适应和工作于多种海洋环境乃至高危险海域的优点，是人类认识海洋、开发海洋不可或缺的工具，在军事领域也越来越多地用于执行侦察、反导等任务[1]。
依据航行环境的不同，可以将无人海洋航行器分为无人水面航行器(unmanned surface vehicle,USV)和无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)两类。无人水面航行器可以由水面船只或岸基进行布放、回收，在水面进行自主航行或者半自主航行[2-4]。无人水面航行器至今已有超过70年的发展历史，其功能在不断集成，船型也由单体向双体、三体等方向发展。无人水下航行器的研制开始于20世纪50年代的海洋科学研究，在70年代初期出现了用来执行潜艇搜寻、水雷探测等军事任务的遥控式航行器。此后无人水下航行器向小型化发展。随着水下远距离通信、低能耗航行技术的发展，水下航行器逐步具有自主控制能力。21世纪以来，随着智能控制技术的发展，水下航行器被广泛应用于各种领域，特别在军事领域，续航能力强、水下隐身能力好的航行器被用来执行反潜、水下侦察等任务[1,5-8]。
近年来，海洋航行器的能源供给呈现多元化，以太阳能、风能、波浪能、燃料电池等为代表的新能源越来越多地被用于航行器的设计研发。新能源的使用为航行器长航时的实现提供了新途径。另一方面新能源代替传统的化石燃料，也为减少温室气体的排放、应对全球气候变暖作出贡献[9-11]。针对海洋航行器的这一发展趋势，本文按能源形式和无人航行器的类型分析和总结上述4种新能源在航行器上的应用现状与特点，为海洋航行器设计与研发过程中新能源的选用提供参考。
1.太阳能在航行器上的应用 |
作为一种重要的可再生能源，太阳能具有储量巨大、覆盖面积广的特点，是最有发展潜力的新能源之一。太阳能利用可分为太阳能热能利用与太阳能光伏发电利用两种。其中，利用循环吸热材料把太阳辐射能转换为热能的属于太阳能光热利用技术；利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换为电能的属于太阳能光伏发电技术[12-13]。在海洋环境中，太阳能集中分布于水面以上区域以及浅水区域。由于海洋表面空旷且没有覆盖物的遮挡，接收光照的条件较好，在装备有各种用电设备的海洋航行器上，可铺设太阳能电池板来进行光伏发电，具有广阔应用前景。
1.1 在无人水面航行器上的应用
光照强度充足、光照时间较长的海域，较为适合太阳能的收集利用。当光照条件允许时，航行器可在水面获得持续的能源补充，从而进行连续作业，延长了航行器的工作时间，扩大了工作范围。更大的太阳能电池板铺设面积意味着航行器可获得更充足的能源供应，因此近年来在利用太阳能的无人水面航行器的设计中越来越多地出现双体、三体船型[14-16]。
美国加州大学的研究人员于2009年研究制作了名为SeaSlug号的太阳能水面航行器，如图1(a)所示。该航行器全长5.9m，表面覆盖有功率为1kW的太阳能电池板进行光伏发电。为了提高光伏发电效率，在SeaSlug上通过调配航行器的舱内压载来改变横倾角，使得太阳能电池板可以随着光照方向的变动来调整光能接收的角度，利用光伏发电维持船上各种设备运转并由低速电动机带动推进器来航行[17-18]。日本EcoMarinePower公司在2011年研制了三体结构Aquarius号的水面航行器，如图1(b)所示。该航行器的每个船体间用横跨的太阳能电池板作为甲板进行连接，甲板总长5m，宽8m，广阔的甲板面积可为其供应更多的能源，最大航速可以达6kn[19-20]。
1.2 在无人水下航行器上的应用
由于水面对太阳光照的折射以及海水对太阳能量的吸收，在水面以下随着深度的增加，太阳光照的能量快速递减。再加上现有太阳能电池板光电转化效率易受光照环境影响，在水面下弱光的环境中太阳能的转化利用效率低下，太阳能难以在水下进行收集[21]。为此，利用太阳能的水下航行器普遍采用“水面充电，水下航行”的模式，即航行器浮至水面待航并利用太阳能进行充电，待电量充满后再下潜水中航行和工作。
美国海军研究局研制了水下太阳能航行器样机SAUA号，如图2(a)所示。该航行器质量为90kg，长1.7m，宽0.7m，表面搭载了两个功率为30W的太阳能电池板，并采用镉镍电池储存电能。同时通过太阳能电池板钢化玻璃涂覆层使其具有更好的抗生物污染能力[22-23]。美国南佛罗里达大学的研究人员设计了一种用来帮助科学家监控河流、湖泊和河道中生物及化学流的水下航行器，如图2(b)所示。该航行器长2m，宽1m，采用单体设计。为了增加发电能力；在上表面全部覆盖柔性太阳能电池板。测试数据表明，在阳光下充电6～8h可在水下潜航10天以上，并且一直保持运转状态。
(a) SAUA号
(b) 南佛罗里达大学UUV
为了最大程度实现能源自给，利用太阳能的航行器往往设计铺设大面积的太阳能电池板，而这会大大增加航行器的航行阻力。对水下航行器尤其不利，巨大的阻力会给航行带来更大的能耗，从而带来更多的续航问题。与此同时，航行器必须浮到水面才可利用太阳能进行发电，这也会限制其使用范围与时间。作者认为太阳能不利于在无人水下航行器上推广使用。
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风能在海洋上储量巨大，被开发利用的时间较早，在海洋航行器上极具应用前景。海洋风能在航行器上的利用可以分为利用帆翼上的风力直接推进和利用电机进行风力发电再推进这两类。利用风力直接推进的航行器简单、高效，通过在航行器上加载可变换角度的帆翼将风力转化为航行器的航行动力；利用风力发电来推进的航行器通过风叶和风力发电机组将风能转化为机械能再转为电能进行推进。在无人海洋航行器这一体积相对较小的海洋装备上，风能的利用更多的是通过帆翼来实现风力直接推进[24-26]。
2.1 在无人水面航行器上的应用
近年来，风能在无人水面航行器上得到了广泛应用，各国学者改进了传统帆翼，并设计了多种更加适合小型航行器的特殊帆翼。随着新型轻质材料的研发与应用，风帆正向着更加轻便的方向发展，在减轻航行器载重的同时，提高了可靠性与转向灵活性[27-28]。另一方面，风帆的自适应控制正在逐步实现。在桅杆上加载风速测量仪，测量实时风速、风向，结合航行海域的气象预报，用计算机分析预测最佳的风力航行区域以及风帆角度，再配合航行器各机构运动，可使航行器以最佳状态航行。
英国威尔士大学的科研人员设计了一款利用双翼帆推进的水面航行器，双翼帆可由电机进行控制，来调整其转向角度，灵活的转向使其具有良好的航线保持和控制能力，还可以有效提升航行器的安全性，在舵失效的情况下仍可实现转向[29]。美国大西洋大学的研究人员研制了利用风能推进航行的水面航行器WASP号，如图3所示。在该航行器上设计了一个高4.5m，弦长1m的新型结构翼，该新型帆翼利用碳纤维制成骨架、用玻璃纤维和树脂材料融和为肋骨，并用可阻挡紫外线的热塑性薄膜制成帆面，新材料的使用使得帆翼的重量大大降低，并优化了空气动力效率，为实现航行器长航程航行奠定了基础[30]。
2.2 在无人水下航行器上的应用
风能是一种聚集于水面以上的能量，将风能利用在水下航行器上的设计并不多见。现有的利用风能的水下航行器主要是设计可折叠收放的风帆，当航行器处于水面时将风帆打开，此时航行器利用风帆发电储能或者直接利用风能推进。而在水下潜航时，通过回收机构将风帆收入舱内，此时将由蓄电池的电能进行能源供应。由于不能全航时利用风能，使得能源供应不足。而且这样的运行方式使航行器设计更为复杂，因此风能在水下航行器上推广利用存在较大困难。
美国OceanAero公司研制的Submaran S10号是一种兼具水面和水下航行能力的航行器，如图4所示。在该航行器上设计了一种独立于船体的可旋转的折叠翼帆。翼帆在使用时为竖直状态，将风能转化为推进力，同时通过风速计分析风速和风向，对帆向进行调整，优化翼帆的推进力，并保持航向和航速。在水下潜行时，翼帆旋转收缩到甲板上的缝隙内，以减小船舶在水下的阻力。利用其独特的设计，该航行器最快可在一分钟之内由水面转入到水下，使得航行器在面对水面突发状况时可以作出快速反应，以保证其安全[31]。
3.波浪能在航行器上的应用 |
波浪能是指波浪中蕴藏的势能和动能，具有能量密度高，分布范围广等特点，是极具应用前景的可再生清洁能源。据测算，全球波浪能的总储存量可达到109 kW，是目前全球总发电量的数百倍。目前海洋航行器对波浪能的利用方式主要有直接利用波浪能推进和利用波浪能发电两种[32-34]。
3.1 在无人水面航行器上的应用
波浪的最高点波峰与最低点波谷间往往有着较大的高度差，这其中蕴含着巨大的海洋势能。为了有效利用波浪的势能，研究人员开发了波浪滑翔机，这是一种充分利用海洋波浪起伏特点的特殊装备，是当前海洋波浪能利用的主要方式之一[35]。波浪滑翔机由处于水面的母船与处于水下的滑翔机两部分组成，两者之间由柔性缆绳相连接，波浪滑翔机的工作原理为当水面母船随海浪向上运动到波峰位置时，水下滑翔机也经由柔性缆绳被向上带动，此时水流以一定角度向下冲击滑翔机，所产生的向前的分力则推动航行器航行。当水面母船运动到波谷位置时，水下滑翔机也随之下降，此时水流向上，也使得航行器获得向前的分力来推动其航行。波浪滑翔机在波浪的连续作用下不断前进，并由舵控制航行方向[36-39]。
美国Liquid Robotics公司在2007年推出了一款以波浪能和太阳能为动力的航行器，如图5所示。该航行器采用波浪滑翔机的原理，设计航速为1～3kn，并可在0.4～1m高的海浪中以1.5kn的速度连续航行。还搭载了太阳能电池板来提供电力，使得该航行器的续航能力大大提高，可在水面执行长航时的工作任务[40]。
波浪滑翔机对相关海域的海水深度有一定的要求。过浅的水域可能使得滑翔机面临触礁的风险。另一方面，推进对海面波浪有较为严格的要求：在海面静风的情况下，波浪势能较小，难以满足航行器推进的需要；当面对海洋风暴时，海洋巨浪中波峰与波谷间的巨大落差则可能使航行器失去控制，甚至将其连接缆绳扯断，造成航行器损坏。因此波浪滑翔机的航行极易受海洋环境影响，在使用时需预先对相关海域海况进行调查和评估。
波浪能在水下航行器上的应用则主要是通过波浪能发电装置而实现的，近年来波浪能发电技术快速发展，已开发了多种可用于航行器的小型发电装置，其中摆式、振荡水柱式、聚波蓄能式波浪能发电装置发展较为成熟。在波浪能发电装置工作时，水下航行器需上浮至近海面，通过波浪能采集装置、能量传递转换装置、发电机这3部分将海洋动能和势能转为电能[41]。波浪能发电机结构小巧，可以较为容易地装配到水下航行器中。近年来利用波浪能发电的水下航行器发展迅速。
我国西北工业大学的研究人员提出了一种可用于水下航行器的波浪能发电系统，如图6所示。它使得航行器能够利用波浪的运动实现能源自给。设计了稀土永磁发电机和晃动摆，发电机主要由定子线圈和转子磁极组成。航行器在近水面海浪的作用下摆动水翼产生晃动，利用具有较大转动惯量的晃动摆来收集晃动的动能。晃动摆带动转子旋转并切割发电机的线圈，带动永磁发电机发电，从而将海洋波浪动能转换为电能。与传统的波浪能发电装置相比，该系统减少了能量的中间传递环节，提高了发电效率[32,42-44]。
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燃料电池是一种不需经过燃烧即可将燃料中的化学能转换成电能的发电装置。燃料电池可按照电解质分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池等。其中质子交换膜燃料电池是当前市场上应用最广泛、技术最成熟的一种燃料电池，其工作原理是从外部持续输入氧气或者氧化剂进行氧化还原反应，使电池连续工作[45-46]。燃料电池具有转换效率高、无噪声、不排出有害气体等优点，对环境的污染要比原电池及化石燃料发电少很多，是一种理想的绿色能源。氢能源具有清洁无污染、利用效率高的特点，而且可经燃料电池通过电化学反应把化学能直接转换为电能。近年来以氢能源为燃料的燃料电池受到广泛的关注，氢燃料电池是一种最常见的燃料电池。如今，燃料电池技术已广泛应用于航行器，为航行器的能源选用提供了新的选择[47-48]。
燃料电池清洁高效，具有多种优点，对于执行特殊工作的水面航行器来说是一种理想的能量来源方式。例如用于科学考察或海床测绘的水面监测器往往会搭载很多传感器来探测、收集海洋数据，若采用传统的柴油发动机驱动，其运行产生振动和噪声会使探测数据不够精确，而换为燃料电池进行驱动则可以很大程度上避免这个问题[49]。
2006年我国第一艘氢燃料电池水面艇在上海海事大学研制成功，船上配备了直径0.3m，长度1m的圆柱形氢气储存罐，并与燃料反应器相连。工作时氢气与空气在反应器里反应和产生电流，直接驱动船体。该船设计储存14m氢气，可供小艇以314km/h的时速在水面连续航行5h。同时该系统集成的安全装置可以随时对舱内空气中的氢含量进行监测，并能有效监控系统各部分状态，预防突发事件的发生。
燃料电池可以持续放电，为航行器提供稳定的能源。与利用太阳能和风能等环境能源的航行器相比，它不必频繁浮于水面进行能源补给。在军事领域，转换效率高、噪音低的燃料电池使得航行器可以获得更大的隐身和巡航能力，常被用来执行长距离水下潜航侦察任务[50-51]。
中国科学院沈阳自动化研究所为无人水下机器人研发了一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其中包含了氢气和氧气循环系统、气水分离系统、排热循环系统、检测与控制系统等。其工作原理为高压氢气、氧气先经过减压阀减压，之后进人燃料电池参与化学反应。气水分离系统将尾气中气和水分离出来，水进入储水罐，氢气、氧气再次循环利用。排热循环系统通过循环水流过电池散热板将热量排出。测控系统实时监控PEMFC正常工作时氢气、氧气的压差和化学反应温度、单节电池工作状态、输出电流和电压，保证燃料电池可以持续放电。
5.新能源在海洋航行器上的展望 |
综上所述，可以归纳太阳能、风能、波浪能和燃料电池这4类新能源在海洋航行器上应用的特点：
太阳能是一种分布于水面的能源，更适用于水面航行器的能源选用。随着光伏技术的不断发展，太阳能转化电能的效率不断提高，同时光伏组件成本的降低也为太阳能在水面航行器的利用提供了更多的可能。但海洋高盐度、高湿度的环境对光伏组件有着较大的侵蚀作用，因而太阳能的广泛利用还面临着产品使用寿命的问题。
风能是一种分布于水面以上的能源，更适用于水面航行器的能源选用。新型帆翼材料的使用以及控制技术的发展将更有利于风能在水面航行器上的使用。但是海洋风能分布不均匀，使得海洋航行器的航行更易受到环境的影响。因而解决风力不足时的航行问题是当前利用风能的航行器面临的主要问题。
波浪能发电机的研发为航行器选用波浪能作为能源提供了新途径，由于波浪的分布特点使其对于水下航行器更为适用。波浪能发电机可对多种海况下的波浪能量进行收集。但在不同海况下晃动摆的频率不尽相同，因而利用波浪能发电需要进行频率耦合。这一技术还有待进一步发展，才能保证发电质量，满足航行需求。
燃料电池其具有能量转化效率高、无污染、低噪音的特点，且对使用环境没有过多的要求，因而在水面与水下航行器中都得到广泛应用。尤其是对于执行特殊工作的航行器，其优势更为突出。但当前燃料电池普遍面临着维护和保养成本较高的缺点。此外，与利用太阳能和风能等环境能源的航行器相比，燃料电池航行器必须定期进行人工补给，这在一定程度上会限制其航行与活动范围。
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综合利用新能源是重要的发展趋势。多种能源优势互补，扩大了航行器的适用范围。例如太阳能-风能航行器、太阳能-波浪能航行器等的研发，在很大程度上解决了单一能源在特定海况下能源供给不足的问题。
可以预见，随着新能源技术的发展，未来将会有更多形式的能源被利用在无人海洋航行器的设计研发中，当前新能源利用所面临的问题将会逐步被解决，从而推动海洋航行器的发展更上一个台阶。
【参考文献】 [1] 代威, 张雯, 张沥, 等. 国外海洋无人航行器的发展现状及趋势[J]. 兵器装备工程学报, 2018, 39(7): 33-35.. [2] TOWNSEND N C. In situ results from a new energy scavenging system for an autonomous underwater vehicle[C]// OCEANS. Piscataway, USA: IEEE, 2016: 6. [3] TOWNSEND N C. Self powered autonomous underwater vehicles (AUVs): Results from a gyroscopic energy scavenging prototype[J]. IET Renewable Power Generation, 2016, 10(8): 1078-1086. [4] HOBSON B W, BELLINGHAM J G, KIEFT B, et al. Tethys-class long range AUVs – Extending the endurance of propeller-driven cruising AUVs from days to weeks[C]//Autonomous Underwater Vehicles. Piscataway, USA: IEEE, 2012:1-8. [5-51] 略. |
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