一、水下觀測和探測裝備是發(fā)展海洋強國的攻堅利器
黨的十八大以來，我國提出建設(shè)海洋強國的戰(zhàn)略部署，要求提高海洋資源開發(fā)能力。2016年5月，習近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會提出的深海戰(zhàn)略“三部曲”明確了海洋強國的實施規(guī)劃。2021年12月，《“十四五”海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》明確提出：優(yōu)化海洋經(jīng)濟空間布局，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)推進海洋資源保護與開發(fā)，維護和拓展國家海洋權(quán)益，加快建設(shè)中國特色海洋強國。
耕海探洋，裝備先行。水下觀測和探測裝備是海洋進入、海洋探測的必備設(shè)施，是發(fā)展海洋強國的攻堅利器。近年來，世界海洋強國紛紛加大在海洋基礎(chǔ)設(shè)施和裝備方面的戰(zhàn)略部署，以期在未來海洋資源開發(fā)利用“爭奪戰(zhàn)”中搶占先機。美國發(fā)布《2030?年海洋研究與社會需求的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施》，制定了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃;英國發(fā)布《全球海洋技術(shù)趨勢?2030》報告，分析了商業(yè)運輸、海軍和海洋健康等方面未來技術(shù)趨勢，并對海洋鉆探船、科學考察船、水下機器人、水下滑翔機等海洋裝備的作業(yè)時間、效率及可靠性提出了更高的要求。“十二五”以來，我國持續(xù)部署國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項，從“蛟龍?zhí)?rdquo;、“深海勇士”號到“奮斗者”號，取得了一系列重大成果突破，關(guān)鍵技術(shù)逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，這標志著我國已掌握了深海資源開發(fā)的攻堅利器。
二、水下觀測和探測裝備能源供給技術(shù)的國內(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)航時間，持續(xù)提升水下裝備的續(xù)航能力、延長作業(yè)時間和作業(yè)效率已成為世界海洋強國水下裝備技術(shù)競賽的焦點。
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)等水下無人航行器作為水下探索和作業(yè)的先鋒，是觀測、探測海洋的核心裝備。ROV?的能源供給來自母船電源或岸上電源，通過具有承載強度的多功能復合纜進行電力、通信的傳輸，其能源供給方式較為簡單。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”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，我國首臺水下自主航行器“探索者”號采用充油鉛酸蓄電池，下潛深度?1000?m。20?世紀?90?年代，銀鋅蓄電池成為?AUV?的主流動力電源，美國先進無人搜索系統(tǒng)(AUSS)、韓國?OKPL-6000、加拿大?Theseus、中國“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，陸續(xù)被鋰電池替代。中國“潛龍一號”、美國?LMRS、Bulefin-9、法國?Alister 3000等?AUV?均搭載鋰離子動力能源。美國?REMUS-6000 AUV使用?Saft?公司研制的鋰離子電池組作為動力電源，最大工作水深達?6000?m。2015年，中國科學院沈陽自動化研究所研制的6000?m“潛龍一號”搭載鋰電池動力系統(tǒng)，最大續(xù)航?24?h，標志著我國深海?AUV?技術(shù)達到國際先進水平。
科考重器——HOV?能源系統(tǒng)應用現(xiàn)狀
HOV?主要用于執(zhí)行深水考察、海底勘察與資源開發(fā)等作業(yè)任務(wù)，是海洋資源探索與開發(fā)的科考重器。1960?年?1?月，美國“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?10916?m，開啟了人類萬米深潛之旅。目前，世界上擁有?6000 m級?HOV?的國家有美國、中國、日本、法國和俄羅斯。法國“鸚鵡螺號”HOV?采用鉛酸電池，能量密度為~25?Wh/kg， 下潛深度?6000?m;我國“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、維護煩瑣等問題，已被世界先進國家摒棄。美國“阿爾文”號和日本“深海?6500 ”號?HOV?裝備了鋰離子電池，能量密度達~130?Wh/kg，其下潛深度分別為?4500?m?和?6500?m，單次作業(yè)時間為?6—10?h。
近年來，在國家重點研發(fā)計劃和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持下，我國?HOV?開啟了國產(chǎn)化和鋰電化的新征程。2017?年，我國?4500?m“深海勇士號”載人潛水器問世，搭載?120?Wh/kg?磷酸鐵鋰電池，海底作業(yè)時間約?6?h。2020?年，我國“奮斗者號”載人深潛器(圖?4b)順利完成萬米海試，搭載?135Wh/kg?鋰離子電池，最大載人深潛?10909?m，最大作業(yè)時間約?10?h，具有強大的勘察、探測等作業(yè)能力。HOV?發(fā)展趨勢顯示，持續(xù)提升能量密度、深水耐壓性能，延長潛水作業(yè)時間是世界各國水下裝備發(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，還具有本征安全性，是?HOV?動力能源的理想選擇。
圖 4 我國“蛟龍”號深海載人潛水器(a)和“奮斗者”號深海載人潛水器(b)
三、水下觀測和探測裝備智能化、集群化發(fā)展趨勢引發(fā)深水能源系統(tǒng)供給技術(shù)革命
隨著海洋資源開發(fā)進程的提速，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?。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、成本高等問題，尚不能直接對海洋裝備進行高效、可靠的能量補給。如何實現(xiàn)電能在深海裝備中的持續(xù)穩(wěn)定傳輸、儲存與供給，保障深海裝備集群長期、可靠的復雜工況下長潛伏運行，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行工況，持續(xù)提升深水復雜工況下的能量密度、安全性及壽命是水下裝備儲能電源的發(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，理論能量密度超過?450?Wh/kg，是商品化鋰電池的?2—3?倍，是深海儲能的理想選擇。在中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學實驗站”、國家重點研發(fā)計劃相關(guān)項目等支持下，中國科學院青島生物能源與過程研究所首創(chuàng)“剛?cè)岵?rdquo;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，研制出自主知識產(chǎn)權(quán)的聚合物固態(tài)鋰電池，成功實現(xiàn)深海電源系統(tǒng)研發(fā)與示范應用，為中國科學院深?？茖W與工程研究所研制的“萬泉”“天涯”“金雞”“滄海”“鹿嶺”等深海裝備提供充足的能源動力，于?2017、2018、2019?年連續(xù)?3?年實現(xiàn)?10901?m?全深海示范應用、26?天單次下潛持續(xù)最長作業(yè)、198?天持續(xù)無故障運行等示范新突破。5?年內(nèi)，固態(tài)鋰電池能源系統(tǒng)實現(xiàn)零故障深海示范運行，表明我國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)建夯實了技術(shù)基礎(chǔ)。
構(gòu)建大型高安全儲能基站可為水下裝備集群化作業(yè)提供充足的能源動力
為滿足深海裝備智能化與集群化發(fā)展，水下高隱蔽、長潛伏、滿足復雜工況的大容量儲能基站技術(shù)研發(fā)和建設(shè)迫在眉睫，此類技術(shù)在國際上鮮有報道。面臨的主要難題有：深水復雜工況、超大容量、深水壓力、長期潛伏、系統(tǒng)自放電、瞬時高功率等。為解決以上難題，中國科學院于?2018?年率先部署了戰(zhàn)略性先導科技專項(A?類)“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學實驗站”，針對深水發(fā)電、儲電、輸電和用電，進行了能源關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應用全鏈條布局，提出構(gòu)建“發(fā)、儲、輸、用”多能互補的大容量模塊化全海深能源基站(圖?5)。
圖 5 “發(fā)、儲、輸、用”多能互補水下能源基站
高能效水下無線充電系統(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母船電纜進行水下或船面補給。水下補給采用被世界少數(shù)國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、接口易磨損等問題，能量補給成本高、效率低。水下無線充電是一種非接觸式能量傳輸技術(shù)，通過電磁耦合實現(xiàn)高隱蔽可靠的能量傳輸，滿足水下裝備智能化、長潛伏與集群化的補給需求。
無線充電技術(shù)已在電動汽車、家用電器領(lǐng)域得到廣泛應用，其水下應用仍處于試驗探索階段，需持續(xù)開展長期可靠性驗證。中國科學院電工研究所研制出兩套面向深海?4500?m?和深淵萬米平臺需求的無線充電系統(tǒng)，設(shè)計功率最大?1?kW，效率達到?81%，通過了?127?MPa?模擬壓力環(huán)境測試，完成了?AUV?系統(tǒng)和塢站集成與聯(lián)調(diào)試驗。目前水下無線充電技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)有：水下無線充電的效率、大功率無線充電的海水渦流損耗、長期運行可靠性、長潛伏的安全性與隱蔽性等。
構(gòu)筑深遠海“能源島”，為艦船、島礁、海上平臺、海洋牧場、水下儲能基站、水下裝備等提供能源和支撐
近年來，為了實現(xiàn)“雙碳”目標，世界各國均加快可再生能源的開發(fā)與規(guī)?；?。大力發(fā)展海上風電、光電，創(chuàng)新能源供給模式，成為我國東部沿海地區(qū)實現(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、海上交通航道占用等因素影響，近海風電站址資源日趨緊張，而深遠海風能具有風速更高、風向更為穩(wěn)定等顯著優(yōu)勢，更加適于大容量、長風時、高效率的風電場建設(shè)。2021?年，丹麥能源署公布了建立“能源島”(圖 6)的計劃，選址為距海岸線?80—120?km?的遠海，計劃于?2050?年建成，其中一期規(guī)劃?3?GW，將于?2030?年交付使用。構(gòu)筑深遠海“能源島”，將海上可再生能源資源的開發(fā)與利用場所由近海推向遠海。
圖 6 丹麥漂浮式“能源島”藍圖
四、我國水下能源供給技術(shù)發(fā)展建議
“十二五”以來，我國持續(xù)部署重大項目，在水下能源、通信、裝備等領(lǐng)域開展了多輪次、全方位新興前瞻技術(shù)部署，科技實力正在從量的積累邁向質(zhì)的飛躍、從點的突破邁向系統(tǒng)能力提升，陸續(xù)實現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化，取得了一系列突破性進展，為我國海洋經(jīng)濟發(fā)展、海疆防衛(wèi)及國家海洋權(quán)益維護奠定了堅實的基礎(chǔ)。水下能源供給技術(shù)水平?jīng)Q定著海洋開發(fā)的步伐，掌控著海洋強國的發(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水下能源供給平臺，將大幅促進水下裝備的智能化進程。
技術(shù)層面
結(jié)合水下裝備的應用工況， 發(fā)展差異化的能源供給技術(shù)。對于一次性、低成本的智能感知設(shè)備，發(fā)展高能量密度、小型化、綠色無害能源技術(shù);對于長期漂流式水下裝備，需要發(fā)展穩(wěn)定、緩釋、可靠、適應廣域溫度的能源技術(shù);對于固定的觀探測設(shè)備，發(fā)展原位自主供能方案;對于各類移動式裝備平臺，水下能源基站或“能源島”將是未來的首選方案。針對移動式智能化與集群化水下裝備， 積極布局具有高安全、高比能、高可靠等顯著特點的發(fā)、儲、輸、用等水下核心能源輸配電技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化多能互補的水下能源平臺智能化集成技術(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“儲能”方向， 聚焦電化學儲能技術(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。繼續(xù)大幅提升深海聚合物固態(tài)鋰離子電池能量密度，力爭實現(xiàn)400Wh/kg;發(fā)展新型固態(tài)電解質(zhì)，實現(xiàn)?550?Wh/kg?以上高能量密度固態(tài)鋰金屬電池的長循環(huán)。在水下“輸電”方向， 重點突破水下大功率無線充電技術(shù)的傳輸效率和長期可靠性，探索其水下工作特別是長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， 加強海上綜合能源開發(fā)與利用，構(gòu)建綜合能源集成的海上“能源島”，實現(xiàn)深遠海通信、各種能源水面供給及高效利用。
政策層面
聚焦國家重大需求，凝聚國家戰(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)研究與工程化應用技術(shù)的銜接，鼓勵產(chǎn)業(yè)化技術(shù)孵化，健全分類評價與人才晉升機制，推進落實產(chǎn)、學、研、金、服、用一體化融合發(fā)展機制，激勵構(gòu)建新時期海洋研產(chǎn)聯(lián)合體，打造海洋創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)共同體，建立以目標為導向的海洋產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，加速具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程。
體制層面
強化頂層設(shè)計，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)建跨學科、跨單位、跨系統(tǒng)的一體化深度融合的項目研發(fā)機制，鼓勵國內(nèi)頂尖工程技術(shù)力量進入海洋，聚焦深海能源核心難題，建立由科學院、高校、企業(yè)等組成的協(xié)同攻關(guān)創(chuàng)新團隊，突破關(guān)鍵技術(shù)，共享創(chuàng)新成果，為國家海洋強國建設(shè)與海疆防衛(wèi)提供能源技術(shù)保障。
平臺建設(shè)層面
聚焦海洋領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展需求，加快推進并完善海洋領(lǐng)域平臺建設(shè)，倡導“開放”“共享”“合作”，鼓勵協(xié)同創(chuàng)新，構(gòu)建我國海洋領(lǐng)域大型基礎(chǔ)設(shè)施和海洋大數(shù)據(jù)共享平臺，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，實現(xiàn)國內(nèi)海洋領(lǐng)域平臺、數(shù)據(jù)等資源共享，形成強大協(xié)同的前瞻探索能力、應用技術(shù)創(chuàng)新能力以及產(chǎn)業(yè)化推動能力，為海洋科技振興、國家海疆安全和海洋經(jīng)濟發(fā)展提供堅實的關(guān)鍵設(shè)施保障。（吳天元、 江麗霞、崔光磊）
