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先进储能技术已成军事装备领域“重中之重”

作者:中国储能网新闻中心 来源:光明军事 发布时间:2018-12-11 浏览:次
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中国储能网讯:能源是提供物质的资源。当前石油、天然气等不可再生能源的消耗速度在不断加快,能源领域的变革已经迫在眉睫。军事能源关乎军队战斗力,关乎国家安全大局。同时,军事能源也是能源革命的先行领域,扮演着能源技术发展“领头羊”的角色。当前,世界各军事强国均把新能源技术作为新一轮科技革命、产业革命和军事革命的重要突破口。美国、欧盟、日本等国在未来几十年中将发展新型能源技术作为科技创新领域的重要任务。习近平主席审时度势、总揽全局,强调“军事能源问题事关重大,要认真研究,确保军事能源保障的安全、高效和可持续”“加快构建现代军事能源体系”,把“新能源”作为军民融合发展六大新兴重点领域之一。随着新能源技术不断发展,储能技术已经成为新能源领域的研究热点。而电化学储能技术作为一种关键的能源存储技术,在其中更是发挥了不可替代的作用。

先进储能技术概述

能源是人类社会发展进步的物质基础,与信息和材料并称为当代社会的三大支柱。储能是指通过介质或设备把能量存储起来而在需要的时候再释放的过程,是提高能源利用效率的重要手段,是实现新型可再生能源实际应用的重要环节。储能技术是智能电网的支撑技术,是可再生能源接入能源网络的桥梁、同时也是电动汽车技术发展的核心技术之一,在军民领域都有着广泛应用。电化学储能技术是储能技术中最重要的部分。先进能源包括太阳能、风能、海洋能等可再生能源通常具有显著的不可控、不稳定以及不连续的特征,这类能源的存储较为困难。而先进储能技术则是解决这类可再生能源有效利用的关键技术。通常包括两个方面:

物理储能 :包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导体磁储能等。在物理储能技术中储能媒介不发生化学变化,效率较低,通常对设备和场地要求较高,前期投资比较大。新型物理储能方式如飞轮储能、超导磁储能将电能以电磁能、动能等形式进行存储具有充放电速度快,效率高的优点,但是制造成本较高,能量密度低。

化学储能:包括铅酸电池、锂离子电池、钒电池、钠硫电池、燃料电池、超级电容器等。充放电过程伴随储能介质的化学反应或者元素价态的变化。具有分布灵活、占地小、效率高、环境影响小等优点,同时也存在使用寿命有限的缺点。在民用领域,储能技术是加强智能电网建设的重要组成部分,可以有效实现需求侧管理,消除昼夜峰谷差、平滑负荷,提高电力设备运行效率、降低供电成本,促进可再生能源应用,也可作为提高电网运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。在国防军事领域,储能技术可用于战场电力系统的调峰和高能武器及投送装备的动力源,将来甚至有可能取代燃油发电机成为战场上的主要电力供应系统,从而有效克服装备高原高寒地区动力不足的问题,提高战略投送能力与效能。

先进电化学储能技术在军事装备领域的应用

电能是人类社会生产生活不可或缺的二次能源。储能技术应用最为广泛的就是电化学储能技术。电化学储能是利用化学反应,将电能以化学能进行存储和再释放的过程。自1859年铅酸蓄电池问世以来,化学电池始终向高容量、高功率、低污染、长寿命、高安全性方向发展。传统电化学储能器件主要以锂离子电池和铅酸电池为主,随着技术的不断进步,锂离子电池和铅酸电池在生产加工及技术上都取得了长足发展,新型电池如全钒液流电池等横空出世。当前,铅酸电池、锂离子电池、钒液流电池和钠硫电池是研究的重点热点。新型物流交通工具如新能源电动汽车产业的快速发展,锂硫电池、锂空气电池等技术也不断开发完善来适应未来新能源汽车发展需求。电化学储能技术无论在国防领域还是民用领域都有着广泛应用,正深刻影响着人们生活和未来作战与保障模式。

信息化战争背景,越来越多的数字化武器装备在现代战争中崭露头角,在军事上得到广泛应用。高性能的武器装备需要可靠性强、安全性好、环境适应性好、比能量高的军用储能设备来满足其稳定运行的能源需求。现从以下几个方面介绍电化学储能技术在武器、军事装备领域的应用。

一是单兵系统的供能设备。1997年5月以来,美国防部着手进行军队转型,加速建立信息化快反部队。“未来作战系统”中的核心即网络中心战,将整个战场构建成一个纵横密布的信息化网络,而战场上的每个作战平台都构成了一个节点,使得作战部队具备完备的信息沟通联通能力、战场态势感知能力以及体系作战和协同作战的能力。每个平台都需要独立使用各类信息设备,电源必不可少,电池的容量和能量密度等性能成为了非常重要的评价指标。伊拉克战争中,美军BB-2590型锂离子电池受到作战部队官兵的好评,每块电池能工作30小时以上。除此之外,英国“未来士兵技术”计划(FIST)、德国ldz计划,法国FELIN,意大利SF计划,荷兰SMP计划都将单兵电源列入单兵作战系统发展计划之中。

近些年来,随着人体增强技术的发展,单兵外骨骼系统进入人们的视野,它能够有效减轻士兵的负重,还能增强穿戴者的力量、速度、耐力。毋庸置疑,军用外骨骼系统中的电源装置作为主要供能设备,也发挥着着不可替代的作用。美国、俄罗斯、法国等都陆续启动了多个军用外骨骼系统的项目,以增强士兵的作战能力。美国国防部高级研究计划局DARPA资助研发的“勇士织衣”是一种重量轻、柔韧性好的内穿型作战服,美军方对其电池系统提出的作战指标是重不超4.5公斤,在不充电的情况下可以连续使用24小时。目前,军用外骨骼系统还处在大力发展的阶段。

二是作战平台的动力能源。早在第二次世界大战期间,纳粹德国就将配备线导控制的无人爆破战车“歌利亚(Goliath)”投入了战车,它有电动和汽油两种版本。现如今,西方国家军队已开发或正在开发油电混合驱动的军用车辆应用于未来战争系统,以缓解日趋严峻的能源形势,降低车辆研发成本,改进车辆燃油消耗,减少与燃料保障紧密有关的后勤需求,同时还可减轻平台整体重量。混合动力汽车除了能够降低油耗和减少排放外,还可以根据需要在一定范围内按纯电动模式运行,使得车辆和作战平台具备一定的隐蔽性。美军在2015年曾经测试了一款由美国陆军纳迪克士兵研究开发与工程中心牵头研发的ULV(Ultra Light Vehicle)油电混动军车,它的动力核心为油电混合驱动,整套载具匹配了一组14.2度电的磷酸铁锂电池,在混动状态最大行驶里程可达到700公里,纯电续航状态下几乎不产生噪音,最大行驶里程可达到33.7公里。

近些年来,美军、法军、德军以及日本自卫队在油电混合以及纯电动军车的实用性上也获得了一定的突破。实际上,近些年来北约等军事强国由较早动力电池研发转向动力电池与传动技术并行的研发阶段。2010年美军在轮毂电机军事应用上取得了突破进展,轮毂电机可以使得动力通过线缆直接传递给全部驱动轮,取消了复杂的前传动轴和前部分动箱,从而减轻了车身自重,减小了噪音。日本自卫队将轮毂电机应用于六轮混动105突击炮上。俄罗斯“白杨”系列导弹运输车也采用燃气轮机发电与轮毂电机驱动协同的模式。莱茵金属公司研制的GeFaS“混动”地空导弹发射车也采用了轮毂电机技术,它4轴8轮,主要为德国国防军侦察部队设计。此外,美、英、法都研发了配备轮毂电机的混合动力轮式装甲车。近几年,西方军事强国在“混合动力”等新技术领域有了突飞猛进的发展,有车辆已经进入了测试阶段,而我国对于“新能源”、“混合动力”的应用,尤其是在军事方面的应用,与西方国家有着不小的差距。

在海军装备领域,应用同样广泛。通用公司与美海军水面作战合作,为美军海豹突击队迷你潜艇提供电池作为潜艇主要动力能源。动力能源应用于水下潜航器能大大增加其隐蔽性,同时还能提升其机动性和安全性——北约国家军队将铅酸、镍氢和锂离子电池应用在素有“水下轻骑兵”的蛙人运载器上。美海军“先进蛙人输送系统”(ASDS)、“无人水下航行器”(UUV),“海底滑行者”无人水下侦查监视潜航器,以及英国海军多用途无人潜航器(UUV)“泰利斯曼”(Tailsman)都以锂离子电池组作为主要动力源。此外,高性能电池还能增加水下潜航器的续航能力,使用柴电动力的俄罗斯海军“拉达”级非核潜艇水下续航能力达到6500海里。俄海军中央设计局“红宝石”专家预测,装备锂离子电池组的“阿穆尔1650”型潜艇水下续航能力和航速都将得到大幅提高。日本海军苍龙级潜艇不仅采用传统的柴电推进,更是引进了先进的AIP“混动”技术,并加以改进。

航空航天领域,储能技术的表现也毫不逊色。电源包括一次化学电池、太阳能电池、化学蓄电池、燃料电池等。2018年电动航空迈向了新的里程,蓄电池与太阳能电池板联合组成供电电源广泛应用在无人小/微型侦察机。无人机执行各种室内外任务,需要具备较高机动性,以及较强续航能力,这个过程中储能系统显得至关重要。20世纪90年代,美国国防高级研究计划局(DARPR)决定研究小/微型无人机来执行战场环境侦察任务,无人机在阿富汗战争和伊拉克战争中表现不俗。具有代表性的无人机有AeroViroment公司推出的“龙眼”(Dragoneye)无人机、“黄峰”无人机,以及桑德斯公司推出的“微星”(Microstar)无人机等。储能技术同样应用在了航天领域,以美军X-37B空天战斗机为例,它与普通轨道飞行器氢氧燃料电池不同,X-37B在轨时通常由砷化镓太阳能电池和锂离子电池提供动力。

值得一提的是在新能源领域,一些军事强国的研发企业具有先进的技术,比如美国的通用,克莱斯勒;法国的雷诺;德国的莱茵金属、奔驰;日本的丰田和三菱,它们既是本国汽车产业的领军企业,又是规模庞大的军工企业,为本国的军队提供尖端的技术以及担负着装备制造的任务,具备强大的研发能力。

三是装备及后勤保障供能。储能技术同样服务于作战保障。机载、车载和舰载通信设备多使用铅酸电池和锂离子电池作为电源;荷兰、瑞典等高纬度国家计划为其军队装备电热被服,具有传统被服不可比拟的保温性能;美军还计划为在热带地区作战的官兵军服上装备特制空调,以改善作战条件,同样是电源供能;野战部队在野外宿营通常使用发电机供电,噪声大,热辐射强,隐蔽性差,若使用大容量的电源为指挥系统和后勤保障系统供电,则可大大提高其隐蔽性。

先进电化学储能技术未来可期

科技是核心战斗力,新型先进能源的开发利用已成必然趋势,先进电化学储能技术在新型能源发展过程中必不可少,聚焦备战打仗,聚焦创新驱动,聚焦军民融合,军事能源与军事装备必须协同推进、强强联合。当然,新型储能技术以及新能源产业还面临着诸多挑战,产业链还不完全,基础设施还不完善,政策法规相对滞后,距离新能源物流车市场上全面推开还有不小的距离。在军事装备领域,由于关键技术还不成熟,装备维修和保障成本较高,我军武器装备利用新型先进能源还较少,先进储能技术推广力度小,大规模推广慢。可以预见,无论是军用领域还是民用领域,储能技术还存在着很大发展空间。展望如下:

一、向法治与机制进军。建立政府主导、企业协调、共同参与、多方受益的务实推进机制,为技术创新注入动力,营造宽松的产业环境,促进产品性能升级,引导新能源产业良性发展。同时加速完善各类基础设施,建立统一的通用标准和配套措施,在军事装备方面,也应加快军地接轨,以军事装备的发展带动军事能源的发展,共同促进新能源新装备蓬勃发展。

二、加大产学研结合力度。要下决心建立产学研联合体,加强高校、科研院所、能源企业、汽车企业以及交通运输企业的合作力度,促进紧密合作创新,不断突破相关技术难度,加快科技成果转化。同时也应当建立市场化、专业化、社会化的技术转移创新服务体系,增强动力,促进产学研紧密合作创新。

三、加深军民融合发展。以军事物流需求为主导,充分发挥地方能源企业、军工企业、物流企业的协同作用,军地双方做到优势互补,共同进步。强化科技协同创新,促进资源统筹共享,不仅在技术层面,同时在需求和应用层面实现全面融合深度融合。“军转民”促进国防科技造福社会,释放更大的经济效益;“民参军”补齐军队发展短板,突破瓶颈,助力国防科技更好更快发展。储能技术将会在未来的军事领域中发挥重要的作用,军民融合是推动储能技术快速发展高效且可行之路。

能源与环境问题已成为制约人类社会发展的关键因素。储能是提高能源利用效率的重要手段,是实现新型可再生能源实际应用的重要环节。电化学储能作为储能技术的重要组成部分,相关技术研究显得至关重要。综述电化学储能技术及其在武器及装备领域的应用,我们相信,随着技术发展和制度的配套完善,电化学储能技术会在我军武器装备建设、军事物流投送等方面发挥更重要的作用。

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