， ， ，

(1．國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 可靠性工程研究所， 武漢 430063； 2．武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063； 3．船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

基于AUV的波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

孫濤1,2,3，趙江濱1,2,3，嚴(yán)新平1,2,3，許朋朋1,2,3

(1．國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，武漢430063； 2．武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063； 3．船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430063)

針對(duì)自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)深遠(yuǎn)海作業(yè)的能源供給問題，提出應(yīng)用波浪能的解決方案，總結(jié)波浪能發(fā)電應(yīng)用于AUV中的研究現(xiàn)狀，包括波浪能航行器隨體發(fā)電及AUV波浪能水下塢站技術(shù)。對(duì)AUV波浪能發(fā)電所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行探討與展望。通過對(duì)與波浪能發(fā)電技術(shù)相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、裝置可靠性及控制技術(shù)等關(guān)鍵問題作進(jìn)一步的研究，為波浪能在小型無人海洋航行器能源供給方面的研究提供有益的參考。

自主式水下潛器；能源供給；波浪能隨體發(fā)電；AUV波浪能水下塢站

Abstract: The researches on application of wave power generation technologies for Autonomous Underwater Vehicle(AUV) is summarized and the feasibility of powering AUV is proposed with the technologies covering the wave energy aboard harvest and the wave-powered AUV docking station. The challenges of wave power generation for AUV are also discussed. It is concluded that the wave power generation technologies are not ready yet for AUV application, since key things such as conversion efficiency, energy storage, reliability and control technologies have not been researched sufficiently. This research wishes to stir up the interest in developing wave power generation technologies for AUV.

Keywords: AUV； energy supply； wave energy aboard harvest； wave-powered AUV docking station

自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)等小型海洋航行器作為便捷、高效的海洋移動(dòng)平臺(tái)，在海洋資源勘探、水下軍事偵察和遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測等領(lǐng)域有著十分重要的戰(zhàn)略意義，是海陸空天潛一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

AUV的電力來源主要有一次性電池[1]、蓄電池[2-4]及燃料電池[5-6]等，只能為航行器提供短時(shí)間的電力供應(yīng)[7]。有限的電力來源對(duì)航行器作業(yè)半徑、航行速度、任務(wù)持續(xù)時(shí)間及負(fù)載設(shè)備承載能力等都有較大的限制。例如,美國軍方研發(fā)的Bluefin-21型自主式水下航行器采用鋰電池供電，在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載和3 kn航速下的續(xù)航能力僅25 h[8]，在執(zhí)行MH370搜尋任務(wù)時(shí)需頻繁回收。當(dāng)前，AUV進(jìn)行長時(shí)間、遠(yuǎn)距離作業(yè)需定期回收電池充電，成本較高。

海洋波浪能作為一種儲(chǔ)量豐富、分布廣泛的可再生清潔能源，為解決AUV能源供應(yīng)問題提供了一種可行的途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界已有近萬座小型波浪能發(fā)電裝置[9]為航標(biāo)燈、浮標(biāo)等供電；大型波浪能發(fā)電裝置近年來的研究發(fā)展也很快，典型的有英國的The Oyster波浪能發(fā)電裝置[10]、Pelamis Wave Power公司的“pelamis”波能發(fā)電裝置[11]、美國OPT公司的PowerBuoy[12]、丹麥的Wavedragon[13]及中國科學(xué)院廣州能源所的鴨式波浪能發(fā)電裝置[14]等。但是，目前對(duì)波浪能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于AUV等小型無人海洋航行器中的研究還很少，其應(yīng)用可歸納為以下2類：

1)航行器波浪能隨體發(fā)電，即將波浪能發(fā)電裝置直接安裝在航行器上，利用波浪能發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)電力需求的自給自足。

2)波浪能水下塢站，即建立基于波浪能發(fā)電裝置的水下電力系統(tǒng)平臺(tái)作為AUV的水下停靠點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行充電，同時(shí)借助通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)AUV與岸端的數(shù)據(jù)傳輸。

1 波浪能隨體發(fā)電技術(shù)

小型海洋航行器裝載波浪能發(fā)電裝置可滿足其自身作業(yè)的電力需求，解決單純依靠蓄電池供電而續(xù)航能力不足的問題。

毛昭勇等[15]提出一種適用于水下航行器的由兩級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成的海洋動(dòng)能發(fā)電裝置(見圖1)，主要包括波浪動(dòng)能收集機(jī)構(gòu)和電能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。需要供電時(shí)，水下航行器可上浮至海面，在海浪的作用下產(chǎn)生晃動(dòng)，利用具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的晃動(dòng)擺收集波浪晃動(dòng)動(dòng)能，帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，直接將海洋波浪動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。該方式省掉了中間能量的傳遞環(huán)節(jié)，理論上可有效減小裝置的結(jié)構(gòu)體積、提高發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。通過分析可知，其發(fā)電能力可基本滿足無人潛水器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)探測設(shè)備的用電需求。[16]該裝置尚未考慮晃動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)電裝置本身的沖擊及對(duì)航行器自身運(yùn)動(dòng)的影響。

a) 海洋能收集機(jī)構(gòu) b) 電能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

圖1 海洋動(dòng)能發(fā)電裝置

趙江濱等[17]提出一種適用于小型海洋觀測航行器的振動(dòng)能量收集裝置，在航行器外部兩側(cè)加裝擺動(dòng)水翼裝置(類似于飛機(jī)機(jī)翼)，通過傳動(dòng)軸與機(jī)體連接(見圖2)。水翼隨波浪起伏上下擺動(dòng)(見圖3)捕獲波浪能，通過傳動(dòng)軸傳遞到內(nèi)部傳動(dòng)裝置，經(jīng)增速齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電(見圖4)。其內(nèi)部裝置考慮以下2種方案：

1)直接利用齒輪傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

2)基于質(zhì)量塊的振動(dòng)，通過齒條傳遞到增速齒輪，該方案還考慮直線發(fā)電方式。

圖2 航行器加裝水翼

圖3 航行器擺動(dòng)水翼發(fā)電運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(尾視圖)

圖4 發(fā)電系統(tǒng)示意(單側(cè)水翼)

此外，其外部水翼上還設(shè)置有襟翼裝置，可將部分波浪作用力直接轉(zhuǎn)換成一定的推動(dòng)力。該設(shè)計(jì)力求為水下或水面航行器提供可用于推進(jìn)的電力，實(shí)現(xiàn)水面或近水面取能、全水深航行的作業(yè)目標(biāo)。

近年來，已有較多研究人員探索利用陀螺效應(yīng)收集波浪能。BRACCO等[18-19]、SALCEDO等[20]及KANKI等[21-22]都對(duì)陀螺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行過研究。陀螺因具有定軸性和進(jìn)動(dòng)性而在各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。在小型海洋航行器領(lǐng)域，TOWNSEND等[23-24]研究利用陀螺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)為航行器提供電力，利用安裝在AUV殼體內(nèi)的慣性飛輪在波浪激勵(lì)下的陀螺進(jìn)動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生電力(見圖5)。仿真分析結(jié)果表明，3 kg的陀螺式發(fā)電系統(tǒng)可提供5～10 W的發(fā)電能力。[23]以Delphin 2 AUV[25]為例，若要充滿其30 Ah的機(jī)載蓄電池，需3～5 d的時(shí)間。

圖5 陀螺式波浪能轉(zhuǎn)換裝置

2 AUV波浪能水下塢站

美國麻省理工學(xué)院的AUV實(shí)驗(yàn)室和伍茲霍爾海洋研究所及日本的川崎造船等研究機(jī)構(gòu)都對(duì)AUV水下充電平臺(tái)進(jìn)行過研究,并建立有AUV水下充電系統(tǒng)[26-28]，為AUV遠(yuǎn)程作業(yè)提供電力補(bǔ)給，同時(shí)進(jìn)行AUV與平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸。利用這種電力補(bǔ)給平臺(tái)時(shí)需鋪設(shè)海底電纜引入岸電，系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。HAGERMAN[29]提出一種基于波浪能和一體式可再生燃料電池(Unitized Regenerative Fuel Cell,URFC)的AUV水下充電平臺(tái)，利用浮子吸收波浪能作用于液壓缸產(chǎn)生高壓，通過逆滲透技術(shù)淡化海水，將脫鹽后的海水供給URFC發(fā)電使用，為AUV機(jī)載電池供電。

近年來，隨著波浪能發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，基于波浪能發(fā)電裝置的AUV水下塢站的概念逐漸受到相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重視?？紤]利用獨(dú)立于小型海洋航行器之外的波浪能發(fā)電裝置建立服務(wù)于航行器的水下充電平臺(tái)，為航行器深海、遠(yuǎn)海作業(yè)提供電力保障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AUV監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳和命令腳本下載。

2008年，美國OPT(Ocean Power Technologies)公司自主研制的“PowerBuoy”系統(tǒng)[30]投入使用，該系統(tǒng)采用光纖通信和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)，通過銥星系統(tǒng)與地面通信，旨在為美國海軍深海主動(dòng)探測系統(tǒng)(DWADS)項(xiàng)目供電。隨著PowerBuoy系統(tǒng)不斷發(fā)展完善，在海上電能供應(yīng)、AUV運(yùn)作等領(lǐng)域均有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，OPT公司希望通過該技術(shù)改變海洋油氣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力開發(fā)波浪能等清潔能源。PowerBuoy是一種波浪能轉(zhuǎn)換設(shè)備(見圖6)，其主體部分是一個(gè)豎直柱體結(jié)構(gòu)，下方是垂蕩阻尼板，使柱體維持相對(duì)豎直和固定的狀態(tài);水面浮體隨波浪的起伏相對(duì)柱體上下運(yùn)動(dòng)，通過柱體內(nèi)部的機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)發(fā)電，供負(fù)載使用或通過海底電纜輸送到其他海洋設(shè)備中。PowerBuoy的發(fā)電能力可觀，APB-350可提供350 W的輸出功率，PB40的平均輸出功率達(dá)到15 kW。[12]該系統(tǒng)既可大規(guī)模部署，向陸地電網(wǎng)供電,還可作為“AUV車庫”[31]，用于為AUV充電及通過通信接口上傳數(shù)據(jù)(見圖7和圖8)。顯然，PowerBuoy利用波浪能持續(xù)發(fā)電可為AUV等水下移動(dòng)平臺(tái)提供持續(xù)的電力來源，并作為相對(duì)固定的AUV水下塢站兼水下通信平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)。

圖6 PowerBuoy 系統(tǒng)

圖7 PowerBuoy供能的水下“AUV車庫”

圖8 AUV與水下塢站接口對(duì)接

美國蒙特雷灣水族館研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute，MBARI)[34]設(shè)計(jì)一種由波浪能供電的能量浮標(biāo),其中:水面上是一個(gè)直徑為2.5 m的浮子，吸收上下起伏的波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量；水下30 m處懸掛一個(gè)5.5 m長、3 m寬的金屬板；水面浮子和水下金屬板之間連接一個(gè)大型活塞式液壓缸(見圖9)。由于波浪運(yùn)動(dòng)多發(fā)生在水面，而水下深度30 m處的金屬板相對(duì)固定，因此水面浮子會(huì)隨波浪的起伏帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓能，通過液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該能量浮標(biāo)曾多次在美國加州蒙特雷灣部署，2011年底在實(shí)際試驗(yàn)中產(chǎn)生的電力達(dá)到400 W。MBARI的JIM BELLINGHAM和BRETT HOBSON等則繼續(xù)進(jìn)行HAMILTON的波浪能浮標(biāo)項(xiàng)目研究，試圖在此基礎(chǔ)上建立可為AUV等移動(dòng)平臺(tái)供電的水下充電站系統(tǒng)。站內(nèi)設(shè)計(jì)有可供AUV充電的“模擬碼頭”，當(dāng)AUV感受到隨身電池的電力不足時(shí)可自動(dòng)駛?cè)脒M(jìn)行充電，以解決AUV電能供應(yīng)問題。

圖9 MBARI波浪能浮標(biāo)裝置

基于波浪能的AUV水下塢站系統(tǒng)尚處于研究階段，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目無論是從技術(shù)上還是海洋環(huán)境上看都面臨巨大挑戰(zhàn)，但該方案為水下移動(dòng)平臺(tái)解決長航時(shí)、大航程、多任務(wù)的能量供應(yīng)問題提供了一個(gè)可行的發(fā)展方向。

3 面臨的挑戰(zhàn)

AUV波浪能發(fā)電技術(shù)發(fā)展前景廣闊，但要實(shí)現(xiàn)波浪能在小型無人海洋航行器上的廣泛應(yīng)用，仍面臨很多挑戰(zhàn)。

3.1 海洋波浪本身的特點(diǎn)

據(jù)美國能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，地球上潛在的波浪能大約有30億kW。雖然波浪能的儲(chǔ)量豐富，但能量分散、能流密度較低，導(dǎo)致波浪能發(fā)電設(shè)備效率不高。海浪是一種復(fù)雜的不規(guī)則波，頻率很低，不易收集，所以無論是在波浪能直接推進(jìn)方面還是在轉(zhuǎn)換發(fā)電方面都有較大困難，不穩(wěn)定性較大。目前已有的研究多采用試驗(yàn)用造波水池進(jìn)行，波形規(guī)則、平穩(wěn)，而海上波況復(fù)雜，波浪的功率受海水流速、風(fēng)速及風(fēng)向等多種因素影響難以達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)的預(yù)期效果。

3.2 波浪能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率

波浪能裝置的發(fā)電能力是決定其應(yīng)用的主要因素。當(dāng)前已有的波浪能發(fā)電裝置不論是機(jī)械式的還是氣動(dòng)式或液壓式的，其轉(zhuǎn)換效率都較低。面對(duì)極低的海洋波浪頻率和有限的航行器內(nèi)部空間，AUV波浪能隨體發(fā)電裝置將受到更大的限制，故其發(fā)電量小，尚不能滿足推進(jìn)功率的需求。因此,充分吸收波浪能、簡化能量轉(zhuǎn)換過程、降低能量傳遞損失、提高波能裝置的轉(zhuǎn)換效率是波浪能利用的關(guān)鍵。

3.3 波浪能發(fā)電系統(tǒng)的可靠性

海洋波浪不僅具有很大的動(dòng)能，而且具有極強(qiáng)的破壞力，勢(shì)必會(huì)對(duì)波浪能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致某些環(huán)節(jié)失效，故必須對(duì)緩沖儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究，提高波浪能發(fā)電系統(tǒng)的可靠性及惡劣海況下的穩(wěn)定性，延長系統(tǒng)使用壽命。對(duì)于AUV波浪能隨體發(fā)電，還須考慮特定的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可能與航行器機(jī)體產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，在提高能量轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)降低對(duì)航行器機(jī)體運(yùn)動(dòng)性能的影響。

3.4 控制技術(shù)的研究

一般小型海洋航行器航行過程中受到隨機(jī)波浪的外力擾動(dòng),重心和浮心不斷變化,其控制系統(tǒng)模型本身就具有時(shí)變性、強(qiáng)禍合及高度非線性的特點(diǎn)，倘若再偶合波浪能轉(zhuǎn)換裝置，勢(shì)必會(huì)增大航行器流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的不確定性。為克服干擾，實(shí)現(xiàn)航行器平穩(wěn)運(yùn)行，將對(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性有更高的要求，會(huì)增大系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)控制的難度。

3.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究

波浪能發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的頻率、相位及幅值是波動(dòng)的，為保證航行器的用電需求穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的性能，并延長電池組的使用壽命，需研究波浪能發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性及蓄電池組均衡充電控制方法，優(yōu)化航行器或AUV波浪能水下塢站電力系統(tǒng)能量的管理策略。

此外，確保波浪能發(fā)電系統(tǒng)的密封性及降低發(fā)電成本等也是推廣利用AUV波浪能發(fā)電技術(shù)需要解決的難題。

4 結(jié)束語

雖然當(dāng)前有很多應(yīng)用于位置相對(duì)固定的航標(biāo)、浮標(biāo)等設(shè)備上的小型發(fā)電裝置和岸式、離岸式大功率發(fā)電裝置，但受限于小型海洋航行器本身體積、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方面的特點(diǎn)，波浪能隨體發(fā)電的應(yīng)用研究發(fā)展緩慢；基于波浪能的AUV水下塢站需要高成本、規(guī)?；ㄔO(shè)，技術(shù)難度大，尚處于初步研究階段。

盡管AUV波浪能發(fā)電技術(shù)尚不成熟，但其具有巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的發(fā)展空間。在大力開發(fā)利用新型能源的時(shí)代背景下和AUV智能化、群體化及深遠(yuǎn)海作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)下，應(yīng)加大AUV波浪能發(fā)電技術(shù)的研究力度，并結(jié)合現(xiàn)代化信息通信技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)海洋三維立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展創(chuàng)造條件。

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Review on Wave Power Generation Technologies for AUV

SUNTao1,2,3，ZHAOJiangbin1,2,3，YANXinping1,2,3，XUPengpeng1,2,3

(1. Reliability Engineering Institute, National Engineering Research Center for Water Transport Safety (WTS), Wuhan 430063, China; 2. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport), Wuhan 430063, China)

1000-4653(2016)04-0024-05

P743.2;TM612

A

2016-06-21

國家自然科學(xué)基金(51579197);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2016-zy-020)

孫 濤(1990—)，男，山東日照人，碩士生，從事波浪能發(fā)電技術(shù)、水下航行器總體設(shè)計(jì)研究。E-mail:ty-sun@foxmail.com 趙江濱(1976—)，男，山東青島人，副教授，主要研究方向?yàn)椴ɡ四芎叫衅鳌⑦h(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)。E-mail:zhaojiangbin@whut.edu.cn