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先進儲能技術已成軍事裝備領域“重中之重”

作者:中國儲能網新聞中心 來源:光明軍事 發布時間:2018-12-11 瀏覽:
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中國儲能網訊:能源是提供物質的資源。當前石油、天然氣等不可再生能源的消耗速度在不斷加快,能源領域的變革已經迫在眉睫。軍事能源關乎軍隊戰斗力,關乎國家安全大局。同時,軍事能源也是能源革命的先行領域,扮演著能源技術發展“領頭羊”的角色。當前,世界各軍事強國均把新能源技術作為新一輪科技革命、產業革命和軍事革命的重要突破口。美國、歐盟、日本等國在未來幾十年中將發展新型能源技術作為科技創新領域的重要任務。習近平主席審時度勢、總攬全局,強調“軍事能源問題事關重大,要認真研究,確保軍事能源保障的安全、高效和可持續”“加快構建現代軍事能源體系”,把“新能源”作為軍民融合發展六大新興重點領域之一。隨著新能源技術不斷發展,儲能技術已經成為新能源領域的研究熱點。而電化學儲能技術作為一種關鍵的能源存儲技術,在其中更是發揮了不可替代的作用。

先進儲能技術概述

能源是人類社會發展進步的物質基礎,與信息和材料并稱為當代社會的三大支柱。儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來而在需要的時候再釋放的過程,是提高能源利用效率的重要手段,是實現新型可再生能源實際應用的重要環節。儲能技術是智能電網的支撐技術,是可再生能源接入能源網絡的橋梁、同時也是電動汽車技術發展的核心技術之一,在軍民領域都有著廣泛應用。電化學儲能技術是儲能技術中最重要的部分。先進能源包括太陽能、風能、海洋能等可再生能源通常具有顯著的不可控、不穩定以及不連續的特征,這類能源的存儲較為困難。而先進儲能技術則是解決這類可再生能源有效利用的關鍵技術。通常包括兩個方面:

物理儲能 :包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導體磁儲能等。在物理儲能技術中儲能媒介不發生化學變化,效率較低,通常對設備和場地要求較高,前期投資比較大。新型物理儲能方式如飛輪儲能、超導磁儲能將電能以電磁能、動能等形式進行存儲具有充放電速度快,效率高的優點,但是制造成本較高,能量密度低。

化學儲能:包括鉛酸電池、鋰離子電池、釩電池、鈉硫電池、燃料電池、超級電容器等。充放電過程伴隨儲能介質的化學反應或者元素價態的變化。具有分布靈活、占地小、效率高、環境影響小等優點,同時也存在使用壽命有限的缺點。在民用領域,儲能技術是加強智能電網建設的重要組成部分,可以有效實現需求側管理,消除晝夜峰谷差、平滑負荷,提高電力設備運行效率、降低供電成本,促進可再生能源應用,也可作為提高電網運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段。在國防軍事領域,儲能技術可用于戰場電力系統的調峰和高能武器及投送裝備的動力源,將來甚至有可能取代燃油發電機成為戰場上的主要電力供應系統,從而有效克服裝備高原高寒地區動力不足的問題,提高戰略投送能力與效能。

先進電化學儲能技術在軍事裝備領域的應用

電能是人類社會生產生活不可或缺的二次能源。儲能技術應用最為廣泛的就是電化學儲能技術。電化學儲能是利用化學反應,將電能以化學能進行存儲和再釋放的過程。自1859年鉛酸蓄電池問世以來,化學電池始終向高容量、高功率、低污染、長壽命、高安全性方向發展。傳統電化學儲能器件主要以鋰離子電池和鉛酸電池為主,隨著技術的不斷進步,鋰離子電池和鉛酸電池在生產加工及技術上都取得了長足發展,新型電池如全釩液流電池等橫空出世。當前,鉛酸電池、鋰離子電池、釩液流電池和鈉硫電池是研究的重點熱點。新型物流交通工具如新能源電動汽車產業的快速發展,鋰硫電池、鋰空氣電池等技術也不斷開發完善來適應未來新能源汽車發展需求。電化學儲能技術無論在國防領域還是民用領域都有著廣泛應用,正深刻影響著人們生活和未來作戰與保障模式。

信息化戰爭背景,越來越多的數字化武器裝備在現代戰爭中嶄露頭角,在軍事上得到廣泛應用。高性能的武器裝備需要可靠性強、安全性好、環境適應性好、比能量高的軍用儲能設備來滿足其穩定運行的能源需求。現從以下幾個方面介紹電化學儲能技術在武器、軍事裝備領域的應用。

一是單兵系統的供能設備。1997年5月以來,美國防部著手進行軍隊轉型,加速建立信息化快反部隊。“未來作戰系統”中的核心即網絡中心戰,將整個戰場構建成一個縱橫密布的信息化網絡,而戰場上的每個作戰平臺都構成了一個節點,使得作戰部隊具備完備的信息溝通聯通能力、戰場態勢感知能力以及體系作戰和協同作戰的能力。每個平臺都需要獨立使用各類信息設備,電源必不可少,電池的容量和能量密度等性能成為了非常重要的評價指標。伊拉克戰爭中,美軍BB-2590型鋰離子電池受到作戰部隊官兵的好評,每塊電池能工作30小時以上。除此之外,英國“未來士兵技術”計劃(FIST)、德國ldz計劃,法國FELIN,意大利SF計劃,荷蘭SMP計劃都將單兵電源列入單兵作戰系統發展計劃之中。

近些年來,隨著人體增強技術的發展,單兵外骨骼系統進入人們的視野,它能夠有效減輕士兵的負重,還能增強穿戴者的力量、速度、耐力。毋庸置疑,軍用外骨骼系統中的電源裝置作為主要供能設備,也發揮著著不可替代的作用。美國、俄羅斯、法國等都陸續啟動了多個軍用外骨骼系統的項目,以增強士兵的作戰能力。美國國防部高級研究計劃局DARPA資助研發的“勇士織衣”是一種重量輕、柔韌性好的內穿型作戰服,美軍方對其電池系統提出的作戰指標是重不超4.5公斤,在不充電的情況下可以連續使用24小時。目前,軍用外骨骼系統還處在大力發展的階段。

二是作戰平臺的動力能源。早在第二次世界大戰期間,納粹德國就將配備線導控制的無人爆破戰車“歌利亞(Goliath)”投入了戰車,它有電動和汽油兩種版本。現如今,西方國家軍隊已開發或正在開發油電混合驅動的軍用車輛應用于未來戰爭系統,以緩解日趨嚴峻的能源形勢,降低車輛研發成本,改進車輛燃油消耗,減少與燃料保障緊密有關的后勤需求,同時還可減輕平臺整體重量。混合動力汽車除了能夠降低油耗和減少排放外,還可以根據需要在一定范圍內按純電動模式運行,使得車輛和作戰平臺具備一定的隱蔽性。美軍在2015年曾經測試了一款由美國陸軍納迪克士兵研究開發與工程中心牽頭研發的ULV(Ultra Light Vehicle)油電混動軍車,它的動力核心為油電混合驅動,整套載具匹配了一組14.2度電的磷酸鐵鋰電池,在混動狀態最大行駛里程可達到700公里,純電續航狀態下幾乎不產生噪音,最大行駛里程可達到33.7公里。

近些年來,美軍、法軍、德軍以及日本自衛隊在油電混合以及純電動軍車的實用性上也獲得了一定的突破。實際上,近些年來北約等軍事強國由較早動力電池研發轉向動力電池與傳動技術并行的研發階段。2010年美軍在輪轂電機軍事應用上取得了突破進展,輪轂電機可以使得動力通過線纜直接傳遞給全部驅動輪,取消了復雜的前傳動軸和前部分動箱,從而減輕了車身自重,減小了噪音。日本自衛隊將輪轂電機應用于六輪混動105突擊炮上。俄羅斯“白楊”系列導彈運輸車也采用燃氣輪機發電與輪轂電機驅動協同的模式。萊茵金屬公司研制的GeFaS“混動”地空導彈發射車也采用了輪轂電機技術,它4軸8輪,主要為德國國防軍偵察部隊設計。此外,美、英、法都研發了配備輪轂電機的混合動力輪式裝甲車。近幾年,西方軍事強國在“混合動力”等新技術領域有了突飛猛進的發展,有車輛已經進入了測試階段,而我國對于“新能源”、“混合動力”的應用,尤其是在軍事方面的應用,與西方國家有著不小的差距。

在海軍裝備領域,應用同樣廣泛。通用公司與美海軍水面作戰合作,為美軍海豹突擊隊迷你潛艇提供電池作為潛艇主要動力能源。動力能源應用于水下潛航器能大大增加其隱蔽性,同時還能提升其機動性和安全性——北約國家軍隊將鉛酸、鎳氫和鋰離子電池應用在素有“水下輕騎兵”的蛙人運載器上。美海軍“先進蛙人輸送系統”(ASDS)、“無人水下航行器”(UUV),“海底滑行者”無人水下偵查監視潛航器,以及英國海軍多用途無人潛航器(UUV)“泰利斯曼”(Tailsman)都以鋰離子電池組作為主要動力源。此外,高性能電池還能增加水下潛航器的續航能力,使用柴電動力的俄羅斯海軍“拉達”級非核潛艇水下續航能力達到6500海里。俄海軍中央設計局“紅寶石”專家預測,裝備鋰離子電池組的“阿穆爾1650”型潛艇水下續航能力和航速都將得到大幅提高。日本海軍蒼龍級潛艇不僅采用傳統的柴電推進,更是引進了先進的AIP“混動”技術,并加以改進。

航空航天領域,儲能技術的表現也毫不遜色。電源包括一次化學電池、太陽能電池、化學蓄電池、燃料電池等。2018年電動航空邁向了新的里程,蓄電池與太陽能電池板聯合組成供電電源廣泛應用在無人小/微型偵察機。無人機執行各種室內外任務,需要具備較高機動性,以及較強續航能力,這個過程中儲能系統顯得至關重要。20世紀90年代,美國國防高級研究計劃局(DARPR)決定研究小/微型無人機來執行戰場環境偵察任務,無人機在阿富汗戰爭和伊拉克戰爭中表現不俗。具有代表性的無人機有AeroViroment公司推出的“龍眼”(Dragoneye)無人機、“黃峰”無人機,以及桑德斯公司推出的“微星”(Microstar)無人機等。儲能技術同樣應用在了航天領域,以美軍X-37B空天戰斗機為例,它與普通軌道飛行器氫氧燃料電池不同,X-37B在軌時通常由砷化鎵太陽能電池和鋰離子電池提供動力。

值得一提的是在新能源領域,一些軍事強國的研發企業具有先進的技術,比如美國的通用,克萊斯勒;法國的雷諾;德國的萊茵金屬、奔馳;日本的豐田和三菱,它們既是本國汽車產業的領軍企業,又是規模龐大的軍工企業,為本國的軍隊提供尖端的技術以及擔負著裝備制造的任務,具備強大的研發能力。

三是裝備及后勤保障供能。儲能技術同樣服務于作戰保障。機載、車載和艦載通信設備多使用鉛酸電池和鋰離子電池作為電源;荷蘭、瑞典等高緯度國家計劃為其軍隊裝備電熱被服,具有傳統被服不可比擬的保溫性能;美軍還計劃為在熱帶地區作戰的官兵軍服上裝備特制空調,以改善作戰條件,同樣是電源供能;野戰部隊在野外宿營通常使用發電機供電,噪聲大,熱輻射強,隱蔽性差,若使用大容量的電源為指揮系統和后勤保障系統供電,則可大大提高其隱蔽性。

先進電化學儲能技術未來可期

科技是核心戰斗力,新型先進能源的開發利用已成必然趨勢,先進電化學儲能技術在新型能源發展過程中必不可少,聚焦備戰打仗,聚焦創新驅動,聚焦軍民融合,軍事能源與軍事裝備必須協同推進、強強聯合。當然,新型儲能技術以及新能源產業還面臨著諸多挑戰,產業鏈還不完全,基礎設施還不完善,政策法規相對滯后,距離新能源物流車市場上全面推開還有不小的距離。在軍事裝備領域,由于關鍵技術還不成熟,裝備維修和保障成本較高,我軍武器裝備利用新型先進能源還較少,先進儲能技術推廣力度小,大規模推廣慢。可以預見,無論是軍用領域還是民用領域,儲能技術還存在著很大發展空間。展望如下:

一、向法治與機制進軍。建立政府主導、企業協調、共同參與、多方受益的務實推進機制,為技術創新注入動力,營造寬松的產業環境,促進產品性能升級,引導新能源產業良性發展。同時加速完善各類基礎設施,建立統一的通用標準和配套措施,在軍事裝備方面,也應加快軍地接軌,以軍事裝備的發展帶動軍事能源的發展,共同促進新能源新裝備蓬勃發展。

二、加大產學研結合力度。要下決心建立產學研聯合體,加強高校、科研院所、能源企業、汽車企業以及交通運輸企業的合作力度,促進緊密合作創新,不斷突破相關技術難度,加快科技成果轉化。同時也應當建立市場化、專業化、社會化的技術轉移創新服務體系,增強動力,促進產學研緊密合作創新。

三、加深軍民融合發展。以軍事物流需求為主導,充分發揮地方能源企業、軍工企業、物流企業的協同作用,軍地雙方做到優勢互補,共同進步。強化科技協同創新,促進資源統籌共享,不僅在技術層面,同時在需求和應用層面實現全面融合深度融合。“軍轉民”促進國防科技造福社會,釋放更大的經濟效益;“民參軍”補齊軍隊發展短板,突破瓶頸,助力國防科技更好更快發展。儲能技術將會在未來的軍事領域中發揮重要的作用,軍民融合是推動儲能技術快速發展高效且可行之路。

能源與環境問題已成為制約人類社會發展的關鍵因素。儲能是提高能源利用效率的重要手段,是實現新型可再生能源實際應用的重要環節。電化學儲能作為儲能技術的重要組成部分,相關技術研究顯得至關重要。綜述電化學儲能技術及其在武器及裝備領域的應用,我們相信,隨著技術發展和制度的配套完善,電化學儲能技術會在我軍武器裝備建設、軍事物流投送等方面發揮更重要的作用。

關鍵字:儲能技術

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