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“巨型充電寶”將隨“雪龍”號出征

時間:2019-10-16 15:19:24 來源:科技日報

  10月15日下午4時16分許,伴隨著一聲汽笛長鳴,中國第36次南極科學考察隊暨“雪龍2”號從深圳啟航,前往南極執行科考任務。

  “雪龍”號將于10月22日從上海啟航。我國南極科考開啟“雙龍探極”新格局。

  海拔高度2621米,年平均溫度零下36.6攝氏度的南極泰山站,因為環境惡劣,一直缺乏電力供應。不過,這一歷史很快將被終結。10月15日,東南大學為泰山站量身打造的無人值守移動電源“東大極能”運往上海,參與中國第36次南極科考,將于10月22日,搭乘“雪龍”號出征南極。這套“巨型充電寶”能耐受南極冬季零下八九十攝氏度的嚴寒,持續24小時不間斷地為極地科考設備供電1年,為泰山站科考設備供電,并通過衛星遠程監控泰山站的運行情況。這也是我國首個投入運行的國產極地無人值守能源系統。

  能24小時不間斷供電1年

  東南大學研發的這套“巨型充電寶”,看起來像兩個集裝箱,一個是控制艙,一個是發電艙。其中,發電艙內有6套發電機組,這些發電能源,有的來自太陽能,有的來自燃油,5噸航空燃油可以在太陽能儲備不足時以備不時之需。

  東南大學自動化學院執行院長魏海坤介紹:“泰山站科考設備的耗電總功率約2.5千瓦,這套移動電源的最高輸出功率可達3千瓦。目前能持續工作1年,連續24小時不間斷發電。”

  在熱能稀缺的南極,每一絲溫度,都要被利用到極限。魏海坤介紹,燃油在零下40多攝氏度時會結冰,他們通過巧妙的設計,用發電機組發的熱為燃油“保暖”。

  同時,魏海坤團隊通過銥星通信,對能源模塊進行遠程實時監控。每隔一段時間,他們將回傳一次現場的各類監控數據,如艙內外的環境溫度、設備溫度的數據,并監測發電機組的輸出功率是否正常,4個攝像頭還將不定期傳送設備作業影像。

  泰山站長期處于低溫、低氣壓的環境,由于無人值守,一旦設備發生故障,泰山站的供電將岌岌可危。為此,魏海坤團隊為設備中的核心模塊都配備了“備份”,其中發電機組有5套備份,通信系統有一套備份,“如果當前的發電機組壞了,系統還能自動切換到備用機組”。

  艙內溫度可控制在30攝氏度

  南極泰山站,是中國位于南極大陸腹地的科考站。由于氣候極寒,科研人員每年只能在夏季約一個月的時間,攜常規發電機去泰山站工作,低效且難以持續。

  “如何穩定、可靠地發電,一直是南極科考的技術難點。”魏海坤自2010年參與南極科考,他說,我國在南極昆侖站的發電設備現由國外提供,但發生過多起事故。

  有一次,發電機組排煙管漏油,導致發電艙內濃煙滾滾,艙內溫度迅速升高,系統崩潰。還有一次,柴油發電機組的油料耗盡,發電機空轉,最終機組被燒。“更重要的是,這套發電設備由外國控制,如果對方切斷系統,我們的科考將受制于人。”

  泰山站的冬季平均溫度在零下60攝氏度左右。發電控制系統最好的核心器件,也只能耐受零下40多攝氏度的低溫,因此,為供電裝置保暖,讓它們持續穩定供電,讓科研人員操碎了心。“我們給包括蓄電池在內的怕冷發電機組設備,安裝了加熱器。”魏海坤說,艙體的聚氨酯發泡材料,在不同位置的厚度也不同,貼近冰雪的艙底厚一些,而艙頂薄一些。

  發電設備工作時,如果沒有合適的控制方案,發電艙內的溫度會迅速提高,局部達到70攝氏度以上,這意味著與室外最高形成約150攝氏度的溫差,而設備必須在一個“舒服”的溫度范圍才能穩定運行。

  魏海坤介紹,他們采用兩種技術調節發電艙和控制艙的溫度。首先,他們用數據建模設計艙體布局,設置換氣口、排煙口、進風口、排風扇,讓設備正常“呼吸”;同時,他們在艙內安裝了10個傳感器,實時監測不同區域的溫度,以遠程調控。

  考慮散熱時,科研人員采取了兩種方案,確保無人值守時有的設備“罷工”,其他設備能代替發揮作用,例如艙內溫度高時,系統會遠程開通排風扇,或者打開換熱氣口,把熱氣散發出去。“現在艙內溫度能控制在30攝氏度。”

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編輯: 劉坤媛
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