深海能源基站技術現狀與發展趨勢

招 聰，謝仁和，徐紀偉，馬向能，周念福

(1.中國船舶科學研究中心, 江蘇 無錫 214082；2.深海技術科學太湖實驗室, 江蘇 無錫 214082；3.深海載人裝備國家重點實驗室, 江蘇 無錫 214082)

0 引 言

世界上海洋占地球71%表面積，平均水深3800 m，90%以上面積海域水深超過1000 m[1-2]。深海因其蘊藏豐富的資源、礦產和能源，具有巨大的政治、軍事、經濟價值，成為各國競相追逐的新戰略空間。前蘇聯在20 世紀80 年代就提出了“誰能控制海底，就能控制海洋”的海洋戰略，美國在2015 年、2020 年相繼提出了“海床戰”、“海上控制”戰略，英國在2021 年發布的《綜合審查》中重點關注了“海底戰”，法國在2022 年發布了“海底戰戰略”，不同國家的海洋戰略均表明拓展水下空間、維護水下利益是未來發展重點[3]。

各軍事強國為實現長期具備對深海環境資源、安全態勢的認知、監控和行動能力，制定了一系列有關水下監聽、偵察、攻擊的水下攻防項目，如對海底持久探測與預警的水下固定式監聽網絡，執行情報偵察和打擊的移動式無人潛航器（UUV）等[4]。對UUV 來說，重量、體積和高隱蔽性等工作要求制約了其可選擇的動力能源方式，僅能選擇蓄電池，自身攜帶能量有限，工作幾十小時必須回收至水面或布放母船進行能源補給和執行任務情報數據回收，以避免其停止工作[5]。因此，能否對其實現安全可靠、持久高效的能源供給是UUV 等裝備在深海實現遠距離、大范圍、長時間工作和執行任務的關鍵。在此背景下，研制出直接可在水下供UUV 進行能量補給、情報數據回收和任務指令下載的深海能源基站，可解決UUV 能源供應不足、航程短暫、數據存儲交換困難等問題[6]。

本文圍繞深海能源基站為研究對象，闡述了其應用需求與工作特點，分析比較了能源基站不同儲能技術形式，在此基礎上，重點介紹了燃料電池和核動力2種動力深海能源基站美俄等海洋強國與國內發展現狀，總結了深海能源基站發展趨勢，旨在為國內未來深海能源基站的研究與發展提供建議。

1 應用需求和工作特點

深海能源基站是指按預先任務需求，通過提前搭載在水面母船或特種作業潛艇上，在一定深度海域預置部署，具備長期自主在水下發電、儲電、變電和供電功能，可對水下監聽網絡、UUV 等裝備持續進行能源補給供應的海洋平臺[7]。

1.1 應用需求

1）UUV 能源補給

現有UUV 多采用常規蓄電池動力，續航力僅有10～40 h[8]。因此，為提高水下續航時間、擴大工作范圍，避免頻繁上浮增加暴露率，利用深海能源基站在水下航程中途對其進行充電是較理想方式。

2）水下監聽網持續供電

水下監聽網需長期隱蔽在水下，持續對海底環境安全態勢、敵方艦船實航信息等進行實時監聽。采用深海能源基站作為供電方式，可彌補水下監聽網受岸電位置限制、隱蔽性不足的缺陷[9]。

1.2 工作特點

1）隱蔽性強

深海能源基站主要應用對象為UUV 和水下監聽網絡，UUV 工作深度范圍為600 ～6000 m，水下監聽網絡工作深度超過1000 m。因此，為避免被敵方探測破壞，能源基站可根據應用對象特點，提前在深海（1000 m深度以下）完成布放，長期隱藏在水下自主工作。

2）模塊化部署靈活

依據不同海域地理特點、不同任務需求，能源基站可進行模塊化設計和開放性系統架構，減小體積和重量，機動配置。通過水面布放或特種作業潛艇搭載等方式，在不同深度、不同區域靈活部署，構建出覆蓋一定區域的立體式水下能源補給網絡。

3）高儲能

續航力高低是決定UUV 和海底探測網絡水下生存和工作能力的唯一指標，高儲能的深海能源基站在水下集發電、供電、變電和儲電于一體，可隨時、多次對能量耗盡的UUV、持續監聽的水下監聽網絡提供能量補給，助力UUV 等水擺脫續航力制約。

4）功能多樣

深海能源基站除作為水下充電站外，還可作為水下信息中繼裝置，具備數據存儲與通信功能。UUV 在能源基站進行充電時，可將上一任務期間偵察獲取的情報數據通過聲光信息傳輸方式上傳至基站存儲，同時下載下一任務指令。隱蔽在海底的基站，具備與水面艦船、水下潛艇、衛星等通信功能，可將情報信息回傳至指揮中心。

2 深海能源基站儲能技術分析

儲能技術是制約深海能源基站在水下工作時間長短的瓶頸技術[10]。現有深海能源基站可實際應用的儲能技術主要包括：

1）岸基有線供電

岸基有線供電借助岸基有線觀測網絡，采用有限電纜將能源基站與岸基有線觀測網絡連接，電能無限。但依賴于岸基設施，要求深海能源基站必須部署在岸基附近，無法指定位置，且對有隱蔽需求的區域容易暴露，被敵方發現破壞電纜失去能量供應[11]。

2）蓄電池

能源基站使用蓄電池作為儲能技術可獨立在海底布放，但受制于蓄電池能量密度低，提供電能有限，為UUV 完成數次充電即需打撈回收，無法滿足持續供能的需求[12]。如美國麻省理工學院（MIT）與伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）開發的蓄電池能源基站由4960塊堿性蓄電池組成，僅能維持4 個月的能源供應。

3）燃料電池

燃料電池是一種通過電化學反應將自身攜帶的氫氣、氧氣的化學能直接轉換為電能的發電裝置[13]。理論上，只要外界提供氫氣和氧氣不間斷，燃料電池即可連續發電，具有能量密度高、振動噪聲小、紅外輻射低等優勢。燃料電池理論效率為83%，實際效率可達到6 0%～7 0%，比能量可達到4 0 0 W h/k g，是目前水下耐壓鋰離子蓄電池比能量的4～5 倍。能源基站采用燃料電池動力系統作為儲能技術，可滿足基站高儲能、高隱蔽性、長工作時間要求。

4）核動力

核動力輸出功率大、不依賴空氣動力、單次工作時間長，可提供近乎無限的能源供應[14]。采用核動力作為深海能源基站儲能技術，可實現能源基站在水下的長期隱蔽工作。但核動力應用面臨小型化、冷卻循環、安全性等挑戰。

綜上所述，燃料電池與核動力是最具發展潛力的深海能源基站儲能技術。

3 國內外深海能源基站發展現狀

3.1 燃料電池能源基站

1）美國美國自2004 年開始就大力支持用于UUV 水下充電的深海能源基站技術研究，2009～2014 年突破了金槍魚-12（Bluefin-12）無人潛航器水下充電技術等關鍵技術，完成了實海試驗，充電功率達到2 kW，充電時間達到4～6 h。2015 年設置了“前沿部署能源與通信基地”（FDECO）項目，如圖1 所示，旨在研制出可在水下3000 m 深度、工作時間超過20 年的深海能源基站。借助潛艇等潛器將其在海底不同深度、不同位置點隱蔽布放，構建出覆蓋海底上萬米區域范圍的立體水下充電網絡[15-16]。美國海軍利用深海能源基站作為水下信息中轉和充電站，擴大無人潛器工作范圍，解決其長時間工作攜帶電能耗盡、偵察信息存儲中轉困難的問題。

圖1 美軍前沿部署能源與通信基地（FDECO）示意圖Fig.1 Schematic of Us navy forward deployed energy and communications outposts

2016 年，Teledyne 公司開發出基于燃料電池的深海能源基站原理樣機（Subsea Supercharger）[17]。原理樣機采用模塊化集成設計（見圖2），單套模塊組成包括1 套3.5 kW 質子交換膜燃料電池、1 套30 Ah 的鎳氫電池、70 MPa 高壓氫氣罐和70 MPa 高壓氧氣罐。其中，燃料電池作為發電裝置，氫氣和氧氣分別作為燃料和氧化劑，鎳氫電池作為啟動電源。單套模塊可發出電能100 kWh。理論上可將不同模塊組合式使用，提高基站總儲能。

圖2 Teledyne 燃料電池能源基站Fig.2 Fuel cell subsea supercharger of teledyne

2018 年8 月，Teledyne 公司開發的燃料電池能源基站參與了美海軍組織的“先進海軍技術演習”測試，在7 m 深度水池內與無人潛航器開展了“系泊狀態”下聯合調試（圖3）。此外，還完成了ROV 供電試驗、以及RCS（基于ROV 的充電站）供電試驗（見圖4）[18]。針對樣機選用的燃料電池，開展了1 000 h耐久性試驗。壽命可超過10 000 h，技術成熟度突破4 級。2019 年3 月，Teledyne 公司聯合通用原子電磁公司開展了鋁水儲能制氫制氧技術集成至燃料電池能源基站，為能源基站提供氫氣和氧氣，在壓力筒條件下與潛航器開展了聯調試驗，鋁水制氫的能量輸出相對于高壓氫氣提高10 倍，大幅延長基站水下工作時間。

圖3 Teledyne 燃料電池能源基站與UUV 系泊測試Fig.3 Mooring test of teledyne fuel cell subsea supercharger and UUV

圖4 基于ROV 燃料電池能源基站Fig.4 ROV-based teledyne fuel cell subsea supercharger

此后，Teledyne 公司推出“S2C100”和“S2C600”系列商業化產品，工作深度覆蓋水下1000～4000 m，發電模塊最大儲能量200 kWh，最大輸出功率20 kW，組合式使用提供儲能高達30 MWh。在實際工程應用中，Teledyne 公司為延長能源基站水下工作時間，對能源基站進行模塊化設計，分為燃料電池發電模塊、氫氣模塊和氧氣模塊，布置在相互獨立箱裝體內，即能源基站可由1 個燃料電池發電模塊和多個氫氣、氧氣模塊構成。

2）德國

為滿足海底天文臺等單位開發的海底長期觀測系統、水下機器人在水下長周期工作的電能供給與數據交換需求，德國基爾海姆霍茲海洋研究中心（GEOMAR）通過ARIM-FUEL（用于海底-海洋中上層監測的自主機器人海底基礎設施）項目，聯合烏爾姆太陽能和氫能研究中心（ZSW）研制出一種基于燃料電池的海底能源基站系統（GEOMAR 能源系統）。該系統輸出功率范圍覆蓋150～1 000W，總儲能達到120 kWh。選用質子交換膜燃料電池為發電裝置，氫源裝置配置11 個高壓氫氣瓶，氧源裝置配置5 個氧氣瓶，燃料電池由ZSW 研制和提供。此外，系統配置有1 個功率接口為4 kW 的充電電池，電能由燃料電池提供。經測算，該系統成本僅為水下相同儲能能力蓄電池的1/15。

2021 年11 月，該基站由埃克恩費爾德的德國陸軍第71 國防技術服務部隊在波羅的海成功完成首次水下試驗，試驗深度為1200 m，測試運行時間為48 h。2022 年3 月，系統搭載RV Alkor 號上進行了海試，工作時間延長至72 h，測試項目主要集中在系統長期運行穩定性和電源管理上。預計到2024 年，工作深度可達到3000 m，除水下監測系統外，還可利用感應式非接觸供能方式為UUV 等水下機器人進行充電。

3）挪威

挪威BLUE LOGIC 公司針對水下機器人在海底充電需求，從2006 開始一直致力于海底對接充電站（Subsea Docking Station，SDS）的研發，聯合WiSub 公司在2019 年成功研制出世界上第1 座具有3 種類型輸出功率的開放式海底SDS。SDS 采用燃料電池、蓄電池、海上風力渦輪發電機或波浪能轉換器進行組合式供電，如圖5 所示。

圖5 BLUE LOGIC 海底對接充電站Fig.5 Subsea docking station of BLUE LOGIC

SDS 具有50 W、250 W 和2 000W 三種類型充電接口，包含4 個感應式電接口和1 個接觸式電連接接口，分別是2 個BLUE LOGIC 公司生產的50 W 感應式感應式電接口、2 個BLUE LOGIC 公司生產的2 000W感應式電接口，以及1 個WiSub 公司生產的250 W 接觸式電連接接口，可滿足不用功率等級的UUV 的補給需求。

2019 年6 月，瑞典著名防務公司薩德集團子公司Saap Seaeye 研制的“劍齒虎”（Seaeye Saber tooth）UUV 在瑞典韋特恩湖與BLUE LOGIC 生產的SDS 海底對接充電站成功進行了世界上首次無人干預下的全自主對接，完成了水下充電、數據傳輸等任務，驗證了SDS 水下高效高可靠能源供給能力。

2018 年，挪威Innova 公司與美國Teledyne 合作開發了儲能3 MWh 的燃料電池能源基站，工作深度1 000 m，最大輸出功率8 kW，用于為海底1 000 m 深油田Innova 公司的液壓泵組提供電能。目前已完成能源基站與海底泵組的集成，成功在235 m深完成多次供電。下一階段，該能源基站將與UUV進行聯合調試，驗證可長期為UUV 提供電源能力。

4）中國

中國在2018 年中國科學院發布的戰略性先導計劃“深海/深淵智能技術及海底原位科學實驗站”項目中開展預研工作，提出了構建發電、輸電、存電、用電全產業鏈的深海能源基站方案[19]，如圖6 所示。計劃使用海底可再生的洋流能、海水電池、金屬海水燃料電池、核能的組合式發電裝置，全固態鋰電池作為儲能裝置，非接觸式充電技術為深海裝備進行能源補給。

圖6 多功能深海能源基站示意圖Fig.6 Schematic of the multi deep sea energy base station

2020 年，中國科學院大連化學物理研究所研制的鎂/海水燃料電池系統在3 000 m 水深進行了海試，為“鹿嶺號”深海多位點著陸器和“漫游者”潛水器充供電，系統在最大下潛深度3 252 m 下，累計工作時間達到24.5 h，供電達到3.4 kWh。

3.2 核動力能源基站

1）美國

美國3M 公司借助空間核動力輔助計劃項目，針對水下大背壓使用環境，設計開發出一種同位素核電池方案，代號“SNAP-21B”。該同位素核電池熱電轉換效率達到10%，可連續工作時間長達5 年。采用鈦合金作為壓力容器材料，工作深度可覆蓋至水下7 000 m。

2）俄羅斯

俄羅斯為長期掌握敵方潛艇、艦船等實時信息，制定北極開發計劃，在北極地區下1 000 m 深度的大陸架秘密布置了“和聲”（Harmony）水下聲吶探測網絡，旨在探測100 km 或以上范圍內敵方潛艇運行信息。為滿足Harmony 水下聲吶探測網絡長期電能需求，俄羅斯核能動力主要研究機構國家原子能公司（Rosatom）下屬的多列扎利動力工程科研設計研究院（NIKIET）研制出“大陸架”（Shelf）核能發電站。

俄羅斯計劃通過具備大潛深特種作業能力的“別爾哥羅德”號特種潛艇攜載、運輸Shelf 發電站，如圖7 所示，在北冰洋大陸架1 000 m 以下不同位置點對其進行隱蔽式預置部署，構建出水下充電網絡，為Harmony、UUV 或其他需要長時間工作、頻繁供電的海底設施提供所需電能[20]。

圖7 大陸架工作示意圖Fig.7 Work Schematic of Shelf

該核能發電站為直徑8 m、長度14 m、重335 t 的圓柱艙段壓力容器，可承受1 000 m 深度以下海水壓力。艙段內部采用高度緊湊化設計，艙內安裝有1 個集成式壓水反應堆、1 個小型核渦輪發電機、熱液壓回路、電能傳輸分配裝置、蓄電裝置、操控系統及數據存儲傳輸系統等輔助裝置。NIKIET 局披露資料顯示，發電站熱功率輸出約為6.4 MW。發電站采用簡化熱循環回路的布置設計，可降低內部流動阻力，自然冷卻循環時可提供輸出功率約為28 kW，遠超過Harmony 所需電能。全站可在海底實現無人連續自主運行30 年，1 年僅需維護一次。目前核能發電站已通過技術驗證，在俄“克雷洛夫”國家科學中心接受測試，測試完成將交給俄國防部使用。

與此同時，同屬Rosatom 的阿夫里坎托夫機械制造實驗設計研究院（OKBM）正在研制更大型的“Gidropress”水下核能發電站。反應堆技術使用基于705 K ALFA 潛艇開發的鉛鉍冷卻快堆，輸出功率覆蓋10～50 MW，標稱模塊功率為24 MW，在無人維護狀態下可連續運行超過8000 h。

3）中國

國內水下核動力主要集中在核潛艇等領域，科技部在十四五“深海和極地關鍵技術與與裝備”重點專項2021 年年度項目中，將深海核能發電站技術作為前沿與顛覆性技術進行布局，設置了“深海微型核能發電系統”項目，旨在研制工作水深大于2 000 m、發電功率大于20 kW 的模擬樣機，為深海核能發電站未來的大規模應用奠定基礎。

3.3 國內外差距

美俄等海洋強國已研制出可在水下應用的燃料電池能源基站和核動力能源基站，技術成熟度達到9 級，部分公司甚至已開發出可適用不同場景需求的商業化深海能源基站產品。

國內在燃料電池深海能源基站研究方面起步較晚，停留在方案構建與陸上實驗室原理樣機演示驗證階段，缺乏實際海試數據積累，更無技術成熟可應用產品。其原因在于國內燃料電池在功率等級、壽命等方面與國外存在巨大差距，國外燃料電池目前基本已實現平均無故障時間2000 h、壽命10000 h，而國內目前的水平為平均無故障時間200 h、壽命1000 h。

而在核動力深海能源基站研究方面，國內更處在開始布局預研階段，還未研制出實驗室原理樣機。

4 深海能源基站發展趨勢

4.1 高能量密度和高功率輸出

儲能量高低是限制深海能源基站工作時間長短的關鍵因素，充電數次后就要回收的能源基站無應用價值。當前，UUV 正朝著大排量、長續航力、多負載的方向發展，對UUV 動力源的能量密度、推進功率要求更高，使得能量補給需求呈數量級增長[21]。為匹配UUV 能夠在水下實現多次能量補給的需求，動力能源將是深海能源基站發展面臨的瓶頸問題。未來深海能源基站從儲供能方面要求基站自身動力具備高能量密度、高儲能量、高輸出功率等特點，從技術成熟度和可應用快慢時間上來說，當前可優先發展發電效率高、能量密度大、可模塊化組合的燃料電池能源基站，同步開展超長甚至無限續航力的微型核動力能源基站關鍵技術研究，構建出不同能量尺度的深海能源基站發展路線。

4.2 小型輕量模塊化

深海能源基站無自主航行能力，需借助水面船、飛機等交通工具布放在海底，在特殊海域甚至需要通過特種作業潛艇搭載，直接在水下部署。因此，對基站的體積、重量、結構可搭載形式提出嚴格要求[22]。從部署便捷難易度來看，未來能源基站需朝小型化、輕量化、模塊化方向發展。另一方面，實現模塊化的能源基站可在水下利用電纜自由組合連接，以滿足不同任務的功率等級與儲能量要求。

4.3 長周期隱蔽免維護運行

能源基站長期工作于海底復雜海洋環境中，面臨高壓、高濕、高鹽、海洋生物粘附等惡劣環境[23]，易發生海流沖擊、沉降、泥沙掩埋、海水腐蝕、海洋生物附著等極端情況，使得基站外部結構產生損傷，基站出現破壞停止工作。目前，為保證基站能夠長期穩定運行工作，需定期利用有人深海裝備潛入海底進行維護，頻繁維護一定程度上增加了基站的暴露率。因此，為實現能源基站在海底的長周期隱蔽生存與工作，在選擇高能量密度的動力技術增加基站儲供能能力同時，需對基站結構材料選擇具有特殊要求。未來，采用高性能、耐腐蝕的新材料，可增強能源基站的生存周期，降低維護周期甚至實現全壽命周期免維護。

4.4 能量信息非接觸式高速同傳

能源基站是UUV 實現水下充電、信息中轉的中繼平臺。當前，受制于水下無線充電方式電能傳輸速度緩慢、傳輸功率低和傳輸效率低，為降低UUV 多次任務間隔時間，實現快速充電。UUV 與基站間仍多使用插拔式接口對接方式連接，該方式在海水環境下存在對接難度大、自動化程度低、靈活性差、短路或漏電等安全隱患[24]。因此，有必要在未來發展大功率、長距離、高效率、能量信息同傳的非接觸式傳輸技術，實現UUV 等水下無人裝備與基站間安全、靈活的能源供給與信息快速交互。

5 結 語

深海能源基站是提升UUV 等水下無人裝備水下續航力、工作范圍的有效手段，同時也是各國海軍搶占深海戰略空間的必要海底基礎設施之一。國內與美俄等海洋強國在深海能源基站領域的研究差距明顯，應加快布局和研究步伐。針對UUV 水下多次隱蔽充電、水下監聽網持續供電的應用需求，燃料電池和核動力是深海能源基站目前最具發展潛力的2 種動力儲能技術。在未來深海能源基站中，高能量密度和高功率輸出、小型輕量模塊化、長周期隱蔽免維護運行和能量信息非接觸式高速同傳4 個發展方向值得重點關注。