吳天元 江麗霞 崔光磊

1 中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所 青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 青島 266101

2 中國(guó)科學(xué)院 重大科技任務(wù)局 北京 100864

1 水下觀測(cè)和探測(cè)裝備是發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)的攻堅(jiān)利器

黨的十八大以來(lái)，我國(guó)提出建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略部署，要求提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力。2016年5月，習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)、兩院院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第九次全國(guó)代表大會(huì)上指出，“深海蘊(yùn)藏著地球上遠(yuǎn)未認(rèn)知和開(kāi)發(fā)的寶藏，但要得到這些寶藏，就必須在深海進(jìn)入、深海探測(cè)、深海開(kāi)發(fā)等方面掌握關(guān)鍵技術(shù)”。深海戰(zhàn)略“三部曲”明確了海洋強(qiáng)國(guó)的實(shí)施規(guī)劃。2021年12月，《“十四五”海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》①國(guó)務(wù)院關(guān)于“十四五”海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的批復(fù). (2021-12-15)[2022-06-10]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2021-12/27/content_5664783.htm.明確提出：優(yōu)化海洋經(jīng)濟(jì)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(jìn)海洋資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)，維護(hù)和拓展國(guó)家海洋權(quán)益，加快建設(shè)中國(guó)特色海洋強(qiáng)國(guó)。

耕海探洋，裝備先行。在認(rèn)知、探索海洋的過(guò)程中，水下觀測(cè)和探測(cè)裝備是海洋進(jìn)入、海洋探測(cè)的必備設(shè)施，為海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用提供基礎(chǔ)保障，是發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)的攻堅(jiān)利器。近年來(lái)，世界海洋強(qiáng)國(guó)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(lái)海洋資源開(kāi)發(fā)利用“爭(zhēng)奪戰(zhàn)”中搶占先機(jī)。美國(guó)發(fā)布《2030 年海洋研究與社會(huì)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[1]；英國(guó)發(fā)布《全球海洋技術(shù)趨勢(shì) 2030》報(bào)告[2]，分析了商業(yè)運(yùn)輸、海軍和海洋健康等方面未來(lái)技術(shù)趨勢(shì)，并對(duì)海洋鉆探船、科學(xué)考察船、水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)等海洋裝備的作業(yè)時(shí)間、效率及可靠性提出了更高的要求?！笆濉币詠?lái)，我國(guó)持續(xù)部署國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)，從“蛟龍?zhí)枴?、“深海勇士”?hào)到“奮斗者”號(hào)，取得了一系列重大成果突破，關(guān)鍵技術(shù)也逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這標(biāo)志著我國(guó)已掌握了深海資源開(kāi)發(fā)的攻堅(jiān)利器。

2 水下觀測(cè)和探測(cè)裝備能源供給技術(shù)的國(guó)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(shí)間。目前，水下裝備動(dòng)力能源通常以化學(xué)電源為主，包括鉛酸、銀鋅、鋰電池和燃料電池等，主要性能指標(biāo)詳見(jiàn)表 1。受限于水下裝備的體積、重量、可靠性等設(shè)計(jì)要求，自主水下潛航器（AUV）、水下遙控航行器（ROV）、深海載人潛水器（HOV）等深水裝備的能源裝載量受到極大的限制，導(dǎo)致作業(yè)時(shí)間和作業(yè)效率偏低，作業(yè)成本居高不下。因此，近年來(lái)持續(xù)提升水下裝備的續(xù)航能力、延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)效率已成為世界海洋強(qiáng)國(guó)水下裝備技術(shù)競(jìng)賽的焦點(diǎn)。

表1 水下裝備化學(xué)電源主要性能指標(biāo)Table 1 Main parameters of various chemical powers for underwater equipment

2.1 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(wú)人航行器作為水下探索和作業(yè)的先鋒，是觀測(cè)、探測(cè)海洋的核心裝備[3]。由于 ROV 需要人為操控，其工作效率和活動(dòng)范圍受到極大的限制，具有一定的局限性[4]；AUV 本體攜帶能源和自主導(dǎo)航，具有自主航行控制與作業(yè)能力，廣泛用于海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)與海疆防衛(wèi)。

圖1 “潛龍一號(hào)”自主水下潛航器Figure 1 “Qianlong 1” autonomous underwater vehicles

圖2 “海星6000”水下遙控航行器Figure 2 “Haixing 6000” remotely operated vehicle

ROV 的能源供給來(lái)自母船電源或岸上電源，通過(guò)具有承載強(qiáng)度的多功能復(fù)合纜進(jìn)行電力、通信的傳輸，其能源供給方式較為簡(jiǎn)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。AUV的一次電源主要采用質(zhì)子交換膜燃料電池、金屬海水燃料電池和鋰亞硫酰氯電池，部分置于干艙內(nèi)，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。

早期的 AUV 二次電源大多采用鉛酸蓄電池。1994 年，我國(guó)首臺(tái)水下自主航行器“探索者”號(hào)問(wèn)世，采用充油鉛酸蓄電池，下潛深度 1 000 m[5]。20 世紀(jì) 90 年代，銀鋅蓄電池一度成為 AUV 的主流動(dòng)力電源，美國(guó)先進(jìn)無(wú)人搜索系統(tǒng)（AUSS）、韓國(guó) OKPL-6000、加拿大 Theseus[6]、中國(guó)“CR-01”[7]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(diǎn)，陸續(xù)被鋰電池替代。中國(guó)“潛龍一號(hào)”、美國(guó) LMRS、Bulefin-9、法國(guó) Alister 3000[8]等 AUV 均搭載鋰離子動(dòng)力能源。美國(guó) REMUS-6000 AUV[9]使用 Saft 公司研制的鋰離子電池組作為動(dòng)力電源，最大工作水深達(dá) 6 000 m。2015年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的6 000 m“潛龍一號(hào)”搭載鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)，最大續(xù)航 24 h[10]，標(biāo)志著我國(guó)深海 AUV 技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。深海燃料電池主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池和金屬海水燃料電池，能量密度超過(guò) 400 Wh/kg，具有高能效、快啟動(dòng)、無(wú)污染等特點(diǎn)[11]。美國(guó)“海馬”“桑塔”、挪威 Hugin 3000、德國(guó) Deep C、日本 Urashima等應(yīng)用了燃料電池。挪威 Hugin 3000 攜帶 45 kWh 鋁海水燃料電池，續(xù)航能力達(dá)到 60 h，一次續(xù)航 440 km[12]。德國(guó) Deep C 采用質(zhì)子交換膜燃料電池，續(xù)航時(shí)間 60 h，一次續(xù)航 400 km，航速 60 kn②1 kn約為1.852 km/h[13]。2020 年，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所成功研制出鎂海水燃料電池系統(tǒng)，最大下潛深度 3 252 m，累計(jì)作業(yè)時(shí)間為 24.5 h，累計(jì)供電達(dá) 3.4 kWh（圖 3）。

盡管金屬海水燃料電池具有更高的能量密度，但由于海水中的溶解氧濃度低，導(dǎo)致其輸出功率低，無(wú)法滿足 AUV 的瞬時(shí)高功率作業(yè)需求，作為唯一能源應(yīng)用時(shí)僅適用于水下長(zhǎng)期觀測(cè)設(shè)備的能源供給。鋰離子電池具有長(zhǎng)壽命、高功率等優(yōu)勢(shì)，目前仍為 AUV 的主流能源動(dòng)力，符合具有水下隱蔽持續(xù)能源補(bǔ)給能力的智能化 AUV 集群發(fā)展需求。而由金屬海水燃料電池、鋰離子電池組成的一次、二次組合能源系統(tǒng)則為兼顧長(zhǎng)續(xù)航和高動(dòng)力性能的單兵 AUV 提供了可靠的能源支撐。

2.2 科考重器—HOV 能源系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

HOV 主要用于執(zhí)行深水考察、海底勘察與資源開(kāi)發(fā)、深海打撈與救生等作業(yè)任務(wù)，是海洋資源探索與開(kāi)發(fā)的科考重器。1960 年 1 月，美國(guó)“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(dá) 10 916 m，開(kāi)啟了人類萬(wàn)米深潛之旅。但該潛水器采用鉛酸蓄電池，僅用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳、舵等小型動(dòng)力裝置，以實(shí)現(xiàn)水下姿態(tài)的微調(diào)和拋載，尚不具備海底勘探和采樣作業(yè)能力[14]。

目前，世界上擁有 6 000 m級(jí) HOV 的國(guó)家有美國(guó)、中國(guó)、日本、法國(guó)和俄羅斯。法國(guó)“鸚鵡螺號(hào)”HOV 采用鉛酸電池[15]，能量密度為~25 Wh/kg， 下潛深度 6 000 m；我國(guó)“蛟龍?zhí)枴保▓D 4a）則采用銀鋅電池[16]，能量密度為~55 Wh/kg，最大下潛深度 7 020 m。這兩種電池均存在能量密度低、重量大、維護(hù)煩瑣等問(wèn)題，已被世界先進(jìn)國(guó)家摒棄[17]。美國(guó)“阿爾文”號(hào)和日本“深海 6500 ”號(hào) HOV 裝備了鋰離子電池，能量密度達(dá)~130 Wh/kg，其下潛深度分別為 4 500 m 和 6 500 m，單次作業(yè)時(shí)間為 6—10 h[18]（表 2）。

表2 不同深海載人潛水器性能作業(yè)指標(biāo)比較Table 2 Operation performance of varied HOV powered by different energy sources

近年來(lái)，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，我國(guó) HOV 開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)化和鋰電化的新征程。2017 年，我國(guó) 4 500 m“深海勇士號(hào)”載人潛水器問(wèn)世，搭載 120 Wh/kg 磷酸鐵鋰電池，海底作業(yè)時(shí)間約 6 h。2020 年，我國(guó)“奮斗者號(hào)”載人深潛器（圖 4b）順利完成萬(wàn)米海試，搭載 135 Wh/kg 鋰離子電池，最大載人深潛 10 909 m，最大作業(yè)時(shí)間約 10 h，具有強(qiáng)大的勘察、探測(cè)等作業(yè)能力。HOV 動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)顯示，持續(xù)提升能量密度、深水耐壓性能，同時(shí)延長(zhǎng)潛水作業(yè)時(shí)間是世界各國(guó)水下裝備發(fā)展的剛性需求。

圖3 不同能量動(dòng)力AUV續(xù)航能力及作業(yè)深度Figure 3 Endurance capability and operational depth of AUV powered by different energy sources

圖4 我國(guó)“蛟龍”號(hào)深海載人潛水器（a）和“奮斗者”號(hào)深海載人潛水器（b）Figure 4 China’s “Jiaolong” manned submersible (a) and “Fendouzhe” manned submersible (b) which marked new benchmark of China’ manned depth

圖5 “發(fā)、儲(chǔ)、輸、用”多能互補(bǔ)水下能源基站Figure 5 Underwater multi energy station integrating “generation, storage, transmission and use” grids

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(shí)，還具有本征安全性，是 HOV 動(dòng)力能源的理想選擇。

3 水下觀測(cè)和探測(cè)裝備智能化、集群化發(fā)展趨勢(shì)引發(fā)深水能源系統(tǒng)供給技術(shù)革命

隨著海洋資源開(kāi)發(fā)進(jìn)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(shì)[19,20]。而以海上風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差能等形式存在的海洋能源具有蘊(yùn)藏量巨大、可再生、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，成為新時(shí)期亟待開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略性清潔能源。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所繼 2019 年完成我國(guó)首臺(tái)波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)“海聆”應(yīng)用示范后，持續(xù)開(kāi)發(fā)出 10 W、60 W、100 W、200 W、300 W、1 kW 等多種型號(hào)的小型波浪能供電裝置，為浮標(biāo)、航標(biāo)燈及一些小型裝置做原位供電，滿足差異化海域及原位觀測(cè)儀器設(shè)備的電力需求，為我國(guó)海洋觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)與裝備支撐。2020 年 8 月，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所設(shè)計(jì)的“南海兆瓦級(jí)波浪能示范工程建設(shè)”500 kW 鷹式波浪能發(fā)電裝置“舟山號(hào)”建成交付，開(kāi)啟了珠海市大萬(wàn)山島的應(yīng)用示范。

由于受到氣候、洋流、深度等因素影響，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、經(jīng)濟(jì)效益差及一些技術(shù)問(wèn)題，尚不能直接對(duì)海洋裝備進(jìn)行高效、可靠的能量補(bǔ)給。因此，如何實(shí)現(xiàn)電能在深海裝備中的持續(xù)穩(wěn)定傳輸、儲(chǔ)存與供給，提高深海裝備的作業(yè)效率和作業(yè)能力，保障深海裝備集群長(zhǎng)期、可靠的復(fù)雜工況下長(zhǎng)潛伏運(yùn)行，是制約深海裝備智能化發(fā)展的瓶頸。

3.1 高能量密度、高安全儲(chǔ)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(yùn)行工況。常規(guī)電池的質(zhì)量比能量低，在同樣的荷載條件下，攜帶更多的能量將導(dǎo)致該裝備自身質(zhì)量的大幅增加，進(jìn)而需要通過(guò)匹配更多的浮力材料進(jìn)行系統(tǒng)總體優(yōu)化，最終會(huì)帶來(lái)自身重量大、起吊布放與回收困難等問(wèn)題，極大地制約了水下裝備在復(fù)雜工況下的荷載能力與智能化水平。因此，持續(xù)提升深水復(fù)雜工況下的能量密度、安全性及壽命是水下裝備儲(chǔ)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(shì)，理論能量密度超過(guò) 450 Wh/kg，是商品化鋰電池的 2—3 倍，是深海儲(chǔ)能的理想選擇。在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃相關(guān)項(xiàng)目等支持下，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所首創(chuàng)“剛?cè)岵?jì)”技術(shù)路線[21-24]，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[25-28]，研制出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的聚合物固態(tài)鋰電池，成功實(shí)現(xiàn)深海電源系統(tǒng)研發(fā)與示范應(yīng)用，為中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所研制的“萬(wàn)泉”“天涯”“金雞”“滄?！薄奥箮X”等深海裝備提供充足的能源動(dòng)力，于 2017、2018、2019 年連續(xù) 3 年實(shí)現(xiàn) 10 901 m 全深海示范應(yīng)用、26 天單次下潛持續(xù)最長(zhǎng)作業(yè)、198 天持續(xù)無(wú)故障運(yùn)行等示范新突破。5 年內(nèi)，固態(tài)鋰電池能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零故障深海示范運(yùn)行，表明我國(guó)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(shí)了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 構(gòu)建大型高安全儲(chǔ)能基站可為水下裝備集群化作業(yè)提供充足的能源動(dòng)力

為滿足深海裝備智能化與集群化發(fā)展，水下高隱蔽、長(zhǎng)潛伏、滿足復(fù)雜工況的大容量?jī)?chǔ)能基站技術(shù)研發(fā)和建設(shè)迫在眉睫，此類技術(shù)在國(guó)際上鮮有報(bào)道。面臨的主要難題有：深水復(fù)雜工況、超大容量、深水壓力、長(zhǎng)期潛伏、系統(tǒng)自放電、瞬時(shí)高功率等。為解決以上難題，中國(guó)科學(xué)院于 2018 年率先部署了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A 類）“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”，針對(duì)深水發(fā)電、儲(chǔ)電、輸電和用電，進(jìn)行了能源關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用全鏈條布局，提出構(gòu)建以全海深固態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)為儲(chǔ)能樞紐，以海洋能、微型核能、溫差能、金屬燃料電池等為發(fā)電系統(tǒng)，以深海智能裝備為用電系統(tǒng)的“發(fā)、儲(chǔ)、輸、用”多能互補(bǔ)的大容量模塊化全海深能源基站[29,30]（圖 5）。創(chuàng)新深海無(wú)線充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從“儲(chǔ)”到“用”的高效供給，大幅提升水下作業(yè)時(shí)間和效率，從根本上解決了深海裝備的能源供給瓶頸。

以上專項(xiàng)研究?jī)?nèi)容中，部分工作已在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海和極地關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)中獲得“延續(xù)性”支持，如深海核能、深海大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)已在 2021 年完成首批立項(xiàng)。

3.3 高能效水下無(wú)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(shí)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(guò)母船電纜進(jìn)行水下或船面補(bǔ)給。水下補(bǔ)給采用被世界少數(shù)國(guó)家所壟斷的濕插拔技術(shù)[31]，該方式存在安裝難度大、操作困難、接口易磨損等問(wèn)題，能量補(bǔ)給成本高、效率低。水下無(wú)線充電是一種非接觸式能量傳輸技術(shù)，通過(guò)電磁耦合實(shí)現(xiàn)高隱蔽可靠的能量傳輸，滿足水下裝備智能化、長(zhǎng)潛伏與集群化的補(bǔ)給需求。

無(wú)線充電技術(shù)已在電動(dòng)汽車、家用電器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其水下應(yīng)用仍處于試驗(yàn)探索階段，需持續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)期可靠性驗(yàn)證。中國(guó)科學(xué)院電工研究所研制出兩套面向深海 4 500 m 和深淵萬(wàn)米平臺(tái)需求的無(wú)線充電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功率最大 1 kW，效率達(dá)到 81%，通過(guò)了 127 MPa 模擬壓力環(huán)境測(cè)試，完成了 AUV 系統(tǒng)和塢站集成與聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。目前水下無(wú)線充電技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)有：水下無(wú)線充電的效率、大功率無(wú)線充電的海水渦流損耗、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性、長(zhǎng)潛伏的安全性與隱蔽性等。

3.4 構(gòu)筑深遠(yuǎn)?！澳茉磵u”，為艦船、島礁、海上平臺(tái)、海洋牧場(chǎng)、水下儲(chǔ)能基站、水下裝備等提供能源和支撐

近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，世界各國(guó)均加快可再生能源的開(kāi)發(fā)與規(guī)?；?。我國(guó)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》明確提出，“十四五”末可再生能源發(fā)電量增量在全社會(huì)用電量增量中的占比超過(guò) 50%。大力發(fā)展海上風(fēng)電、光電，創(chuàng)新能源供給模式，成為我國(guó)東部沿海地區(qū)實(shí)現(xiàn)“能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型”的重要舉措，其海上風(fēng)光等發(fā)電選址均在近海。由于受生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海上交通航道占用等因素影響，近海風(fēng)電站址資源日趨緊張，而深遠(yuǎn)海風(fēng)能具有風(fēng)速更高、風(fēng)向更為穩(wěn)定等顯著優(yōu)勢(shì)，更加適于大容量、長(zhǎng)風(fēng)時(shí)、高效率的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。

2021 年，丹麥能源署公布了建立“能源島”（圖 6）的計(jì)劃，選址為距海岸線 80—120 km 的遠(yuǎn)海，每個(gè)漂浮式能源島，海上風(fēng)能、光電等可再生能源裝機(jī)容量至少 10 GW，計(jì)劃于 2050 年建成，其中一期規(guī)劃 3 GW，將于 2030 年交付使用。由此可見(jiàn)，構(gòu)筑深遠(yuǎn)?！澳茉磵u”，將海上可再生能源資源的開(kāi)發(fā)與利用場(chǎng)所由近海推向遠(yuǎn)海，一方面充分利用遠(yuǎn)海更好、更穩(wěn)定的海上能源資源進(jìn)行“冷熱電儲(chǔ)”，提升可再生能源資源的開(kāi)發(fā)利用效率，另一方面將促進(jìn)加快海上制氫等無(wú)人工廠建設(shè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海風(fēng)、光等可再生能源高效利用。

此外，深遠(yuǎn)?！澳茉磵u”可將遠(yuǎn)海能源補(bǔ)給藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，在遠(yuǎn)海即可實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船、島礁、海上平臺(tái)、海洋牧場(chǎng)、水下儲(chǔ)能基站及水下裝備的能源供給，避免了大型裝備需回港或回岸補(bǔ)充能源帶來(lái)的各項(xiàng)損失，也大幅增強(qiáng)了水下作業(yè)的隱蔽性。與此同時(shí)，“能源島”也為深遠(yuǎn)海通訊難這個(gè)“卡脖子”問(wèn)題提供了新的解決方案。可以說(shuō)能源島的建設(shè)作為探索深遠(yuǎn)海域的跳板，每一個(gè)能源島都可以作為一個(gè)中轉(zhuǎn)站，“點(diǎn)亮”一片海域。由此可見(jiàn)，構(gòu)筑深遠(yuǎn)海“能源島”具有重大的能源戰(zhàn)略價(jià)值，我國(guó)應(yīng)加快布局并盡快啟動(dòng)，充分發(fā)揮多學(xué)科交叉融合優(yōu)勢(shì)，力爭(zhēng)建成全球第一座深遠(yuǎn)?！澳茉磵u”，進(jìn)一步從島到鏈，并形成集能源、信息、補(bǔ)寄為一體的重要平臺(tái)，為艦船、島礁、海上平臺(tái)、海洋牧場(chǎng)、水下儲(chǔ)能基站、水下裝備等提供充足的海面能源供給，這對(duì)我國(guó)經(jīng)略海洋具有重大戰(zhàn)略意義。

圖6 丹麥漂浮式“能源島”藍(lán)圖③ 丹麥能源署副署長(zhǎng)：通過(guò)大規(guī)模海上風(fēng)電和能源島實(shí)現(xiàn)丹麥2050 年零碳目標(biāo). (2020-10-19)[2022-06-01]. http://www.chinapower. com.cn/tanzhonghe/dongtai/2021-10-19/108743.html.Figure 6 Blueprint of Denmark’ floating energy island③

4 我國(guó)水下能源供給技術(shù)發(fā)展建議

“十二五”以來(lái)，我國(guó)持續(xù)部署重大項(xiàng)目，如國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海和極地關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，在水下能源、通信、裝備等領(lǐng)域開(kāi)展了多輪次、全方位新興前瞻技術(shù)部署，科技實(shí)力正在從量的積累邁向質(zhì)的飛躍、從點(diǎn)的突破邁向系統(tǒng)能力提升，陸續(xù)實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，取得了一系列突破性進(jìn)展，為我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海疆防衛(wèi)及國(guó)家海洋權(quán)益維護(hù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，相比于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)還剛剛起步，海洋科技在原始創(chuàng)新能力、創(chuàng)新資源整合、創(chuàng)新力量布局、人才隊(duì)伍與評(píng)價(jià)體系等方面尚顯不足；海防任務(wù)依然艱巨，海流能、波浪能、潮汐能、溫差能等技術(shù)尚未得以真正應(yīng)用；海底勘察與探測(cè)作業(yè)能力仍需大幅提升，海底工廠也還處于概念階段。

水下能源供給技術(shù)水平?jīng)Q定著海洋開(kāi)發(fā)的步伐，掌控著海洋強(qiáng)國(guó)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(bǔ)水下能源供給平臺(tái)，將大幅促進(jìn)水下裝備的智能化進(jìn)程，夯實(shí)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)基礎(chǔ)，助力我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

（1）技術(shù)層面。結(jié)合水下裝備的應(yīng)用工況，發(fā)展差異化的能源供給技術(shù)。對(duì)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(wú)害能源技術(shù)；對(duì)于長(zhǎng)期漂流式水下裝備，需要發(fā)展穩(wěn)定、緩釋、可靠、適應(yīng)廣域溫度的能源技術(shù)；對(duì)于固定的觀探測(cè)設(shè)備，發(fā)展原位自主供能方案；對(duì)于各類移動(dòng)式裝備平臺(tái)，水下能源基站或“能源島”將是未來(lái)的首選方案。針對(duì)移動(dòng)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(diǎn)的發(fā)、儲(chǔ)、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(bǔ)的水下能源平臺(tái)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)：常規(guī)海域發(fā)展多層次海洋能一次發(fā)電技術(shù)，如潮汐能、波浪能、海流能等機(jī)械能發(fā)電；冷泉、熱液等區(qū)域充分利用海洋溫差，開(kāi)發(fā)溫差能發(fā)電技術(shù)；加快探索深海微型核能技術(shù)的研制與示范；繼續(xù)優(yōu)化深海金屬燃料電池，推進(jìn)長(zhǎng)效穩(wěn)定的金屬海水電池產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與工程化進(jìn)程；進(jìn)一步優(yōu)化貯存式一次電池金屬陽(yáng)極合金，發(fā)展新型電解液輔助循環(huán)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新激活式大功率原電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，提升安全可靠性。在水下“儲(chǔ)能”方向，聚焦電化學(xué)儲(chǔ)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(biāo)。一方面繼續(xù)大幅提升深海聚合物固態(tài)鋰離子電池的重量能量密度，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)400 Wh/kg；另一方面，發(fā)展新型固態(tài)電解質(zhì)，構(gòu)筑適合鋰金屬及合金材料體系的高可靠界面，提升固態(tài)鋰金屬電池的循環(huán)壽命，實(shí)現(xiàn) 550 Wh/kg 以上高能量密度電池的長(zhǎng)循環(huán)。在水下“輸電”方向，重點(diǎn)突破水下大功率無(wú)線充電技術(shù)的傳輸效率和長(zhǎng)期可靠性，揭示海水介質(zhì)下的電磁耦合所引發(fā)的渦流損耗機(jī)制和變化規(guī)律，持續(xù)優(yōu)化深水壓力下的磁耦合機(jī)構(gòu)，創(chuàng)新無(wú)線充電系統(tǒng)熱管理，提高長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步探索其水下工作特別是長(zhǎng)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，研發(fā)差異化的深海充油耐壓二次電源系統(tǒng)，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)，大幅提升系統(tǒng)能量密度。在水面能源供給方面，加強(qiáng)海上綜合能源開(kāi)發(fā)與利用，重點(diǎn)加快懸浮式海上基地建設(shè)，攻克海上風(fēng)光高效發(fā)電、海水制氫、CO2轉(zhuǎn)化合成燃料等無(wú)人制造關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能、波浪能、潮汐能、海流能、溫差能、鹽差、海水淡化及海洋牧場(chǎng)等綜合能源集成的海上“能源島”，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海通信、各種能源水面供給及高效利用。

（2）政策層面。聚焦國(guó)家重大需求，凝聚國(guó)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(yīng)用技術(shù)的銜接，鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)孵化，健全分類評(píng)價(jià)與人才晉升機(jī)制，制定水下高比能電池、水下無(wú)線充電、微型核能等技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化激勵(lì)政策，鼓勵(lì)水下能源平臺(tái)建設(shè)。推進(jìn)落實(shí)產(chǎn)、學(xué)、研、金、服、用一體化融合發(fā)展機(jī)制，激勵(lì)構(gòu)建新時(shí)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(biāo)為導(dǎo)向的海洋領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，加速具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（3）體制層面。強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，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(xué)科、跨單位、跨系統(tǒng)的一體化深度融合的項(xiàng)目研發(fā)機(jī)制，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)頂尖工程技術(shù)力量進(jìn)入海洋，聚焦深海能源核心難題，建立由科學(xué)院、高校、企業(yè)等組成的協(xié)同攻關(guān)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，銳意進(jìn)取，突破關(guān)鍵技術(shù)，共享創(chuàng)新成果，為國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)與海疆防衛(wèi)提供能源技術(shù)保障。

（4）平臺(tái)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(jìn)并完善海洋領(lǐng)域平臺(tái)建設(shè)，倡導(dǎo)“開(kāi)放”“共享”“合作”，鼓勵(lì)協(xié)同創(chuàng)新，構(gòu)建我國(guó)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(tái)，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(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)海洋領(lǐng)域平臺(tái)、數(shù)據(jù)等資源共享，提高其使用效率，充分發(fā)揮其科研價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，形成強(qiáng)大協(xié)同的前瞻探索能力、應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新能力以及產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)能力，為海洋科技振興、國(guó)家海疆安全和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的關(guān)鍵設(shè)施保障。

致謝中國(guó)科學(xué)院電工研究所王秋良、孔力、王一波，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所王越超，中國(guó)科學(xué)院重大任務(wù)局陳海生，中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所丁抗、蔣磊，以及中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所譚鵬等對(duì)論文提出了許多寶貴的意見(jiàn)和建議，在此一并表示衷心感謝！