一、水下觀測(cè)和探測(cè)裝備是發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)的攻堅(jiān)利器
黨的十八大以來(lái)，我國(guó)提出建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略部署，要求提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力。2016年5月，習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)、兩院院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第九次全國(guó)代表大會(huì)提出的深海戰(zhàn)略“三部曲”明確了海洋強(qiáng)國(guó)的實(shí)施規(guī)劃。2021年12月，《“十四五”海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確提出：優(yōu)化海洋經(jīng)濟(jì)空間布局，加快構(gòu)建現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系，著力提升海洋科技自主創(chuàng)新能力，協(xié)調(diào)推進(jìn)海洋資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)，維護(hù)和拓展國(guó)家海洋權(quán)益，加快建設(shè)中國(guó)特色海洋強(qiáng)國(guó)。
耕海探洋，裝備先行。水下觀測(cè)和探測(cè)裝備是海洋進(jìn)入、海洋探測(cè)的必備設(shè)施，是發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)的攻堅(jiān)利器。近年來(lái)，世界海洋強(qiáng)國(guó)紛紛加大在海洋基礎(chǔ)設(shè)施和裝備方面的戰(zhàn)略部署，以期在未來(lái)海洋資源開(kāi)發(fā)利用“爭(zhēng)奪戰(zhàn)”中搶占先機(jī)。美國(guó)發(fā)布《2030?年海洋研究與社會(huì)需求的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施》，制定了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃;英國(guó)發(fā)布《全球海洋技術(shù)趨勢(shì)?2030》報(bào)告，分析了商業(yè)運(yùn)輸、海軍和海洋健康等方面未來(lái)技術(shù)趨勢(shì)，并對(duì)海洋鉆探船、科學(xué)考察船、水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)等海洋裝備的作業(yè)時(shí)間、效率及可靠性提出了更高的要求。“十二五”以來(lái)，我國(guó)持續(xù)部署國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，從“蛟龍?zhí)?rdquo;、“深海勇士”號(hào)到“奮斗者”號(hào)，取得了一系列重大成果突破，關(guān)鍵技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這標(biāo)志著我國(guó)已掌握了深海資源開(kāi)發(fā)的攻堅(jiān)利器。
二、水下觀測(cè)和探測(cè)裝備能源供給技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
眾所周知，水下裝備的能源供給水平直接決定了其作業(yè)能力和續(xù)航時(shí)間，持續(xù)提升水下裝備的續(xù)航能力、延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)效率已成為世界海洋強(qiáng)國(guó)水下裝備技術(shù)競(jìng)賽的焦點(diǎn)。
水下探路者——AUV和ROV等水下裝備能源系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀
AUV(圖?1)和?ROV(圖?2)等水下無(wú)人航行器作為水下探索和作業(yè)的先鋒，是觀測(cè)、探測(cè)海洋的核心裝備。ROV?的能源供給來(lái)自母船電源或岸上電源，通過(guò)具有承載強(qiáng)度的多功能復(fù)合纜進(jìn)行電力、通信的傳輸，其能源供給方式較為簡(jiǎn)單。而AUV的能源主要源自其所攜帶電源，其作業(yè)能力和安全性取決于所攜帶單體電池的能量密度和安全可靠性，其二次電源先后經(jīng)歷了鉛酸蓄電池、銀鋅蓄電池、鋰離子電池等階段。
圖 1 “潛龍一號(hào)”自主水下潛航器
圖 2 “海星 6000”水下遙控航行器
早期的?AUV?二次電源大多采用鉛酸蓄電池。1994?年，我國(guó)首臺(tái)水下自主航行器“探索者”號(hào)采用充油鉛酸蓄電池，下潛深度?1000?m。20?世紀(jì)?90?年代，銀鋅蓄電池成為?AUV?的主流動(dòng)力電源，美國(guó)先進(jìn)無(wú)人搜索系統(tǒng)(AUSS)、韓國(guó)?OKPL-6000、加拿大?Theseus、中國(guó)“CR-01”等均采用銀鋅蓄電池。由于銀鋅蓄電池存在充電速度慢、壽命短、成本高、充電析出易燃易爆氣體等缺點(diǎn)，陸續(xù)被鋰電池替代。中國(guó)“潛龍一號(hào)”、美國(guó)?LMRS、Bulefin-9、法國(guó)?Alister 3000等?AUV?均搭載鋰離子動(dòng)力能源。美國(guó)?REMUS-6000 AUV使用?Saft?公司研制的鋰離子電池組作為動(dòng)力電源，最大工作水深達(dá)?6000?m。2015年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的6000?m“潛龍一號(hào)”搭載鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)，最大續(xù)航?24?h，標(biāo)志著我國(guó)深海?AUV?技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
科考重器——HOV?能源系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
HOV?主要用于執(zhí)行深水考察、海底勘察與資源開(kāi)發(fā)等作業(yè)任務(wù)，是海洋資源探索與開(kāi)發(fā)的科考重器。1960?年?1?月，美國(guó)“迪里亞斯特”載人潛水器下潛至馬利亞納海溝，最大潛水深度達(dá)?10916?m，開(kāi)啟了人類(lèi)萬(wàn)米深潛之旅。目前，世界上擁有?6000 m級(jí)?HOV?的國(guó)家有美國(guó)、中國(guó)、日本、法國(guó)和俄羅斯。法國(guó)“鸚鵡螺號(hào)”HOV?采用鉛酸電池，能量密度為~25?Wh/kg， 下潛深度?6000?m;我國(guó)“蛟龍?zhí)?rdquo;(圖?4a)則采用銀鋅電池，能量密度為~55?Wh/kg，最大下潛深度?7020?m。這兩種電池均存在能量密度低、重量大、維護(hù)煩瑣等問(wèn)題，已被世界先進(jìn)國(guó)家摒棄。美國(guó)“阿爾文”號(hào)和日本“深海?6500 ”號(hào)?HOV?裝備了鋰離子電池，能量密度達(dá)~130?Wh/kg，其下潛深度分別為?4500?m?和?6500?m，單次作業(yè)時(shí)間為?6—10?h。
近年來(lái)，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的支持下，我國(guó)?HOV?開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)化和鋰電化的新征程。2017?年，我國(guó)?4500?m“深海勇士號(hào)”載人潛水器問(wèn)世，搭載?120?Wh/kg?磷酸鐵鋰電池，海底作業(yè)時(shí)間約?6?h。2020?年，我國(guó)“奮斗者號(hào)”載人深潛器(圖?4b)順利完成萬(wàn)米海試，搭載?135Wh/kg?鋰離子電池，最大載人深潛?10909?m，最大作業(yè)時(shí)間約?10?h，具有強(qiáng)大的勘察、探測(cè)等作業(yè)能力。HOV?發(fā)展趨勢(shì)顯示，持續(xù)提升能量密度、深水耐壓性能，延長(zhǎng)潛水作業(yè)時(shí)間是世界各國(guó)水下裝備發(fā)展的剛性需求。而固態(tài)鋰電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解液，不僅具有耐深水高壓特性，在顯著提升能量密度的同時(shí)，還具有本征安全性，是?HOV?動(dòng)力能源的理想選擇。
圖 4 我國(guó)“蛟龍”號(hào)深海載人潛水器(a)和“奮斗者”號(hào)深海載人潛水器(b)
三、水下觀測(cè)和探測(cè)裝備智能化、集群化發(fā)展趨勢(shì)引發(fā)深水能源系統(tǒng)供給技術(shù)革命
隨著海洋資源開(kāi)發(fā)進(jìn)程的提速，單一裝備的作業(yè)能力已不能滿足“透明海洋”工程與“海底工廠”的建設(shè)需求，水下裝備已呈現(xiàn)智能化與集群化發(fā)展趨勢(shì)?。現(xiàn)有海洋能源的發(fā)電裝置電力輸出存在間歇性、功率不穩(wěn)定、效率低、成本高等問(wèn)題，尚不能直接對(duì)海洋裝備進(jìn)行高效、可靠的能量補(bǔ)給。如何實(shí)現(xiàn)電能在深海裝備中的持續(xù)穩(wěn)定傳輸、儲(chǔ)存與供給，保障深海裝備集群長(zhǎng)期、可靠的復(fù)雜工況下長(zhǎng)潛伏運(yùn)行，是制約深海裝備智能化發(fā)展的瓶頸。
高能量密度、高安全儲(chǔ)能系統(tǒng)可大幅提升水下裝備的單次續(xù)航及作業(yè)能力
水下裝備單次續(xù)航及作業(yè)能力受限于自攜電源的能量密度和運(yùn)行工況，持續(xù)提升深水復(fù)雜工況下的能量密度、安全性及壽命是水下裝備儲(chǔ)能電源的發(fā)展要素。
固態(tài)鋰電池兼顧高能量密度、高安全、深水耐壓等優(yōu)勢(shì)，理論能量密度超過(guò)?450?Wh/kg，是商品化鋰電池的?2—3?倍，是深海儲(chǔ)能的理想選擇。在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃相關(guān)項(xiàng)目等支持下，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所首創(chuàng)“剛?cè)岵?jì)”技術(shù)路線，采用固態(tài)聚合物電解質(zhì)替代液態(tài)電解液，打通原位固態(tài)化工藝，研制出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的聚合物固態(tài)鋰電池，成功實(shí)現(xiàn)深海電源系統(tǒng)研發(fā)與示范應(yīng)用，為中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所研制的“萬(wàn)泉”“天涯”“金雞”“滄海”“鹿嶺”等深海裝備提供充足的能源動(dòng)力，于?2017、2018、2019?年連續(xù)?3?年實(shí)現(xiàn)?10901?m?全深海示范應(yīng)用、26?天單次下潛持續(xù)最長(zhǎng)作業(yè)、198?天持續(xù)無(wú)故障運(yùn)行等示范新突破。5?年內(nèi)，固態(tài)鋰電池能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零故障深海示范運(yùn)行，表明我國(guó)高能量密度深海電源技術(shù)已趨于成熟，為超大容量深海能源基站的構(gòu)建夯實(shí)了技術(shù)基礎(chǔ)。
構(gòu)建大型高安全儲(chǔ)能基站可為水下裝備集群化作業(yè)提供充足的能源動(dòng)力
為滿足深海裝備智能化與集群化發(fā)展，水下高隱蔽、長(zhǎng)潛伏、滿足復(fù)雜工況的大容量?jī)?chǔ)能基站技術(shù)研發(fā)和建設(shè)迫在眉睫，此類(lèi)技術(shù)在國(guó)際上鮮有報(bào)道。面臨的主要難題有：深水復(fù)雜工況、超大容量、深水壓力、長(zhǎng)期潛伏、系統(tǒng)自放電、瞬時(shí)高功率等。為解決以上難題，中國(guó)科學(xué)院于?2018?年率先部署了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(A?類(lèi))“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”，針對(duì)深水發(fā)電、儲(chǔ)電、輸電和用電，進(jìn)行了能源關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用全鏈條布局，提出構(gòu)建“發(fā)、儲(chǔ)、輸、用”多能互補(bǔ)的大容量模塊化全海深能源基站(圖?5)。
圖 5 “發(fā)、儲(chǔ)、輸、用”多能互補(bǔ)水下能源基站
高能效水下無(wú)線充電系統(tǒng)保障水下能源基站至水下裝備的能源傳輸
如何實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸是制約水下能源基站發(fā)展的另一瓶頸。深海裝備所需電能一般通過(guò)母船電纜進(jìn)行水下或船面補(bǔ)給。水下補(bǔ)給采用被世界少數(shù)國(guó)家所壟斷的濕插拔技術(shù)，該方式存在安裝難度大、操作困難、接口易磨損等問(wèn)題，能量補(bǔ)給成本高、效率低。水下無(wú)線充電是一種非接觸式能量傳輸技術(shù)，通過(guò)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(zhǎng)潛伏與集群化的補(bǔ)給需求。
無(wú)線充電技術(shù)已在電動(dòng)汽車(chē)、家用電器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其水下應(yīng)用仍處于試驗(yàn)探索階段，需持續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)期可靠性驗(yàn)證。中國(guó)科學(xué)院電工研究所研制出兩套面向深海?4500?m?和深淵萬(wàn)米平臺(tái)需求的無(wú)線充電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功率最大?1?kW，效率達(dá)到?81%，通過(guò)了?127?MPa?模擬壓力環(huán)境測(cè)試，完成了?AUV?系統(tǒng)和塢站集成與聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。目前水下無(wú)線充電技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)有：水下無(wú)線充電的效率、大功率無(wú)線充電的海水渦流損耗、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性、長(zhǎng)潛伏的安全性與隱蔽性等。
構(gòu)筑深遠(yuǎn)海“能源島”，為艦船、島礁、海上平臺(tái)、海洋牧場(chǎng)、水下儲(chǔ)能基站、水下裝備等提供能源和支撐
近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，世界各國(guó)均加快可再生能源的開(kāi)發(fā)與規(guī)?；?。大力發(fā)展海上風(fēng)電、光電，創(chuàng)新能源供給模式，成為我國(guó)東部沿海地區(qū)實(shí)現(xiàn)“能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型”的重要舉措。由于受生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海上交通航道占用等因素影響，近海風(fēng)電站址資源日趨緊張，而深遠(yuǎn)海風(fēng)能具有風(fēng)速更高、風(fēng)向更為穩(wěn)定等顯著優(yōu)勢(shì)，更加適于大容量、長(zhǎng)風(fēng)時(shí)、高效率的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。2021?年，丹麥能源署公布了建立“能源島”(圖 6)的計(jì)劃，選址為距海岸線?80—120?km?的遠(yuǎn)海，計(jì)劃于?2050?年建成，其中一期規(guī)劃?3?GW，將于?2030?年交付使用。構(gòu)筑深遠(yuǎn)海“能源島”，將海上可再生能源資源的開(kāi)發(fā)與利用場(chǎng)所由近海推向遠(yuǎn)海。
圖 6 丹麥漂浮式“能源島”藍(lán)圖
四、我國(guó)水下能源供給技術(shù)發(fā)展建議
“十二五”以來(lái)，我國(guó)持續(xù)部署重大項(xiàng)目，在水下能源、通信、裝備等領(lǐng)域開(kāi)展了多輪次、全方位新興前瞻技術(shù)部署，科技實(shí)力正在從量的積累邁向質(zhì)的飛躍、從點(diǎn)的突破邁向系統(tǒng)能力提升，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，取得了一系列突破性進(jìn)展，為我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海疆防衛(wèi)及國(guó)家海洋權(quán)益維護(hù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。水下能源供給技術(shù)水平?jīng)Q定著海洋開(kāi)發(fā)的步伐，掌控著海洋強(qiáng)國(guó)的發(fā)展命脈，持續(xù)創(chuàng)新水下新型能源技術(shù)，構(gòu)筑取之不盡用之不竭的多能互補(bǔ)水下能源供給平臺(tái)，將大幅促進(jìn)水下裝備的智能化進(jìn)程。
技術(shù)層面
結(jié)合水下裝備的應(yīng)用工況， 發(fā)展差異化的能源供給技術(shù)。對(duì)于一次性、低成本的智能感知設(shè)備，發(fā)展高能量密度、小型化、綠色無(wú)害能源技術(shù);對(duì)于長(zhǎng)期漂流式水下裝備，需要發(fā)展穩(wěn)定、緩釋、可靠、適應(yīng)廣域溫度的能源技術(shù);對(duì)于固定的觀探測(cè)設(shè)備，發(fā)展原位自主供能方案;對(duì)于各類(lèi)移動(dòng)式裝備平臺(tái)，水下能源基站或“能源島”將是未來(lái)的首選方案。針對(duì)移動(dòng)式智能化與集群化水下裝備， 積極布局具有高安全、高比能、高可靠等顯著特點(diǎn)的發(fā)、儲(chǔ)、輸、用等水下核心能源輸配電技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化多能互補(bǔ)的水下能源平臺(tái)智能化集成技術(shù)。在水下“發(fā)電”方向， 就地取材，發(fā)展差異化水下發(fā)電技術(shù)。在水下“儲(chǔ)能”方向， 聚焦電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，持續(xù)挑戰(zhàn)充油耐壓二次電池的能量密度等核心技術(shù)指標(biāo)。繼續(xù)大幅提升深海聚合物固態(tài)鋰離子電池能量密度，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)400Wh/kg;發(fā)展新型固態(tài)電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)?550?Wh/kg?以上高能量密度固態(tài)鋰金屬電池的長(zhǎng)循環(huán)。在水下“輸電”方向， 重點(diǎn)突破水下大功率無(wú)線充電技術(shù)的傳輸效率和長(zhǎng)期可靠性，探索其水下工作特別是長(zhǎng)潛伏的安全性與隱蔽性。在水下“用電”裝備端， 結(jié)合智能化裝備的工況需求，持續(xù)優(yōu)化深海高可靠電池管理技術(shù)和輕量化充油耐壓一體化集成技術(shù)。在水面能源供給方面， 加強(qiáng)海上綜合能源開(kāi)發(fā)與利用，構(gòu)建綜合能源集成的海上“能源島”，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海通信、各種能源水面供給及高效利用。
政策層面
聚焦國(guó)家重大需求，凝聚國(guó)家戰(zhàn)略科技力量，建立深海能源技術(shù)研究高地。關(guān)注基礎(chǔ)研究與工程化應(yīng)用技術(shù)的銜接，鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)孵化，健全分類(lèi)評(píng)價(jià)與人才晉升機(jī)制，推進(jìn)落實(shí)產(chǎn)、學(xué)、研、金、服、用一體化融合發(fā)展機(jī)制，激勵(lì)構(gòu)建新時(shí)期海洋研產(chǎn)聯(lián)合體，打造海洋創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)共同體，建立以目標(biāo)為導(dǎo)向的海洋產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，加速具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
體制層面
強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)化力量統(tǒng)籌，破“舊制”，立“新規(guī)”。打破傳統(tǒng)海洋“圈子”，去除海洋領(lǐng)域“圍墻”，海納百川，匯聚多方智慧，構(gòu)建跨學(xué)科、跨單位、跨系統(tǒng)的一體化深度融合的項(xiàng)目研發(fā)機(jī)制，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)頂尖工程技術(shù)力量進(jìn)入海洋，聚焦深海能源核心難題，建立由科學(xué)院、高校、企業(yè)等組成的協(xié)同攻關(guān)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，突破關(guān)鍵技術(shù)，共享創(chuàng)新成果，為國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)與海疆防衛(wèi)提供能源技術(shù)保障。
平臺(tái)建設(shè)層面
聚焦海洋領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展需求，加快推進(jìn)并完善海洋領(lǐng)域平臺(tái)建設(shè)，倡導(dǎo)“開(kāi)放”“共享”“合作”，鼓勵(lì)協(xié)同創(chuàng)新，構(gòu)建我國(guó)海洋領(lǐng)域大型基礎(chǔ)設(shè)施和海洋大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，打破大型儀器設(shè)備及海洋基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)化、單位化、小集體化現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)海洋領(lǐng)域平臺(tái)、數(shù)據(jù)等資源共享，形成強(qiáng)大協(xié)同的前瞻探索能力、應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新能力以及產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)能力，為海洋科技振興、國(guó)家海疆安全和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的關(guān)鍵設(shè)施保障。（吳天元、 江麗霞、崔光磊）
