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军事新能源技术应用与发展浅析

作者:中国储能电站网 来源:穆点咨询 时间:2020-04-20 浏览:
      原文标题:军事新能源技术应用与发展浅析

发布媒体:穆点咨询

能源行业一直是影响世界格局的核心要素,并是各国谈判交换的关键筹码之一。在化石能源为战略储备并作为核心储备的时代,军事也在探索新能源技术的利用可行性。安全范畴下的新能源技术应用,不仅仅包括武器装备,更是后勤保障的必须补充选项。尤其是新能源产业升级的大背景下,军用设施高效利用新能源技术,提升核心装备和设施场景的价值,是军用核心思想。

世界发生过许多战争,美国通过页岩革命掌握了资源,成为世界资源大国并影响和改变世界原油、天然气以及煤炭等资源市场的流通等,美国通过海湾战争、伊拉克战争、利比亚战争、埃及颜色革命、叙利亚战争,其中叙利亚战争美国网络部队与胡安·瓜伊多联手,共同袭击了委内瑞拉电力系统,导致全国大范围停电。这些战争归根结底就是争夺资源,才掀开了一场又一场的能源战。

打击伊朗的石油出口,为美国石油抢占更多国际能源市场,打击伊朗为以色列犹太人服务,使中东没有国家能够与以色列相抗衡

能源安全问题不仅是供应安全问题,还包括能源供应、需求、价格、运输、使用等问题在内的综合性风险与威胁。其中,能源安全遵循以下四项原则:

美国近几年对能源技术发展和能源战略相关项目:

美国国防部弹性能源系统

美国国防部早在2012年就开始挖掘微电网的潜在生存能力,尤其是微电网和太阳能光伏发电相结合。预计到2026年国防部每年支出可达到14亿美元,用来部署军用微电网及维持其运营的费用。

微电网的资金可谓是有多个来源。其中,Fortistar是一家管理热电联产、垃圾填埋场和生物质发电厂的公司,经营该营区附近的两个垃圾填埋气体发电厂、基地与该公司签订了为期15年的电力购买协议、而Miramar公司则获得了国防部的拨款,用于建造垃圾填埋气体设施的配电线路。还有加州能源委员会的资助,也为该基地的新存储项目提供资金。

从过去到现在,部队补给需求是军委后勤保障一直在研究的重要方向,如何可以增加作战范围和机动能力的同时还能降低燃料消耗呢?接下来我们看看美国是如何应对这类难题。

一、美国战场能源对象

首先我们先回顾,伊拉克和阿富汗作战期间燃料消耗较多的地面装备,所使用的轮式越野车、营地发电机,其燃料消耗量占地面部队燃料消耗总量的50%。发展能源策略,应集中研究以下五种地面装备:

(一)轮式越野车,油电混合动力发动机的应用,以及减少车辆燃料需求对车辆的影响;

(二)营地发电机 , 更换成燃料新型发电机的优势,如何融合微电网技术和太阳能技术,减少发电机燃料需求;

(三)空调系统,将低效老旧空调系统替换成新的改进型空调系统带来的效果;

(四)野战帐篷,使用隔热性能较差的材料制造的帐篷,对发电机和燃料需求带来的影响;

(五)帐篷照明系统,用LED替换现有灯泡,进一步提高发电机燃油效率。

二、很多方法可减少燃料消耗,没有具体的技术可以独立解决这个问题

(一)JP-8混合燃料和生物燃料以验证效率的提升。混合燃料和生物燃料的目标是效率提高到20%以上;

(二)油电混合动力和太阳能技术,混合动力技术减少轮式越野车的燃料消耗,太阳能可减少发电机的燃料消耗。

三、美军在伊拉克和阿富汗作战期间,地面作战装备消耗了50%以上的燃料

(一)轮式越野车,美国陆军的重型扩展式机动战术卡车和海军陆战队的中型战术车辆

目前中型战术车辆的技术燃油效率3.8英里/加仑,油箱容量78加仑,续驶里程300英里。在伊拉克和阿富汗使用各种型号的标准中型战术车辆装配有装甲,使原重30000磅的车辆更加沉重。标准重型扩展式机动战术卡车的燃油效率是2.6英里/加仑,油箱容量155加仑,续驶里程300-400英里,重量41000磅。

美国战队面临的主要问题是燃油效率低,油耗高,显示燃料效率增加20%-25%,具体数值取决于地形、环境和有效载荷。改型中型战术车辆燃料效率增加20%,相当于燃料效率从3.8英里/加仑增加到4.6英里/加仑,节省燃料13加仑/油箱。A3型重型扩展式机动战术卡车燃料效率增加20%,相当于燃料效率从2.6英里/加仑增加到3.15英里/加仑,节省燃料27加仑/油箱。

(二)发电机和使用太阳能有助于显著降低发电机燃料消耗

2012年在阿富汗,美国陆军战场编配功率为3-60千瓦各型改进的中型机动电力系统发电机1600台,由于功率输出不同,每天的燃料节省量在2.88加仑到6.24加仑之间。将1600台改进的中型机动电力系统发电机均分为单组320台,每组包括3千瓦、5千瓦、15千瓦、30千瓦和60千瓦等型号,节省燃料总数可达9705加仑。这等同于,战术静音发电机的燃料效率为1.51加仑/小时,改进的中型机动电力系统发电机燃料效率为1.23加仑/小时。电力需求要与容量合适的发电机相匹配,微电网可以节省大量的燃料。用5台60千瓦战术静音发电机,每台的油箱容量43加仑,燃油效率5.37加仑/小时,运行时间8小时,每台燃料消耗量129加仑/天,5台60千瓦的发电机消耗燃料量是645加仑/天。

目前在展开部署的战斗环境下,太阳能可提供3-28千瓦的电力,当战斗前和前方作战基地,每天使用3-5千瓦的太阳能可节省燃料20加仑。太阳能还可并入微电网满足用户电力需求。将3千瓦和30千瓦的发电机分别与功率相同的太阳能板比较时,计算出的燃料节省量证明了太阳能技术的优势。1台3千瓦的发电机油箱容量4加仑,每小时消耗燃料0.33加仑,可持续运行12小时,使用太阳能发电,相当于每天节省燃料8加仑。在营地、前方作战基地和战斗哨所太阳能技术替代发电机的数量将决定燃料消耗的减少量,太阳能每替代一台发电机都节省100%的燃料。改进的中型机动电力系统发电机可靠运行时间750小时,期间不需要维护,而战术静音发电机则需要定期维护,其可靠运行时间500-600小时。

(三)空调系统

在阿富汗战场上使用新型空调系统,新型改进型空调系统,能够减少能源20-25%,通过内部计算机控制恒温调节器,读取室温并控制空调系统电源开关,降低发电机的燃料消耗。改进型空调系统还可对2个12人的野战帐篷提供温度调节控制功能,而现役空调系统只能对1个12人的野战帐篷提供温度调节控制功能。此外,由于1台改进型空调系统可以替代2台旧型空调系统,24小时可节省燃料为69×2-55=83加仑。

四、装备系统存在许多能力不足,提高能源效率技术延长作战时间

在上面的叙述中表明,提高轮式越野车、发电机、空调系统、野战帐篷和帐篷照明的效率,均有助于大量减少燃料消耗。通过实施能源优化策略,军队指挥员将很快认识到优势和效益,与当前系统相比,每个系统都有提高燃料效率的巨大潜力。美国陆军和美国海军陆战队使用新型帐篷,可以减少驻地20-25%的燃料消耗,这些节省对减少燃料护送次数的影响重大。

如果将所列系统每天大约节省的145525加仑燃料作为基准数,将时间拓展至30天,节省的燃料总数则达到4365750加仑,这个数量相当于874辆5000加仑的油罐车不需要参与油料运输,也将减少18次运输护送。而一次运输护送就需要动用35辆5000加仑的油罐车和15辆保障车,车辆总数达到50辆,保障人员数量达到140人。

目前的装备系统存在许多能力不足,提高能源效率技术,有助于扩大作战范围,延长作战持续时间。随着燃料效率更高的混合动力发动机技术的不断发展,下一步军方应开展履带车辆应用该技术的研究,这对于减少地面车辆整体的燃料消耗很重要。前线履带车辆处于机动进攻行动的最前沿,履带车辆战时燃料消耗占地面燃料消耗总量的近50%,,这对敌方部队会产生致命影响。提高履带车辆燃料效率还能改变战时燃料后勤,进而提高战场部队机动性和灵活性。另一个重点研究领域将是生物燃料和代用燃料,因为这些燃料对美国国防部整体化石燃料的削减会产生很大的影响,随着精炼技术在生物燃料和替代燃料中的成本效益日益提高,进一步研究生物燃料和替代燃料如何影响地面后勤将成为一个重要的研究领域。

2017年,DARPA向华盛顿大学、“海洋工程”主要研制端到端通信网络系统,并在实验室和海洋环境下进行测试和评估。研制成功后,这种通信网络有望以多种形式得以应用。

从现阶段来看,锂离子电池是未来军事装备的主选,具体如下:

1、单兵作战系统的首选电源。英国国防部将锂离子电池作为单兵作战系统补给能源,研制的袋状锂离子电池具有超高比能量。比如美国“陆地勇士”单兵作战系统和德国“未来士兵”系统都使用锂离子电池。

2、海上装备的“能源新宠”。多个国家海军将锂离子电池应用于微型潜艇,如,法军天蝎级潜艇装备新一代锂离子电池,使潜艇充电时间大幅缩短,水下续航时间翻倍。

3、“发锂离子电池鱼雷"。法国海军已成功开发锂离子电池鱼雷,运行速度超过50节(92.5千米/小时),可靠性和安全性均满足作战性能要求。外军还探索将锂离子电池用作水面舰艇电力系统。

4、空天飞行器的“第三代电源”。在军事航空领域,锂离子电池主要应用于小型、微型无人机。美军在阿富汗战争中投入使用的“龙眼”无人侦察机,采用锂离子电池作为动力源,已在作战中得到检验。

近年来,各国将锂离子电池作为替代传统蓄电池的新型电池大力发展,用于单兵作战等军事装备,在陆、海、空、天领域展示出广阔的应用前景,受到各国军队的重视和发展。

1、趋于可弯曲轻量化。在2013年,美军研发出一款可拉伸的锂离子电池,为单兵智能手表等装置供电。日本新推出一种柔性超薄锂离子电池,在弯曲折叠后依然保持稳定的电量输出。

2、能量密度持续提高。在日本新型耐高温全固态锂离子电池,在150℃的高温环境中仍具备良好的导电性能。美国采用喷涂工艺可大面积制造锂离子电池,可进一步提高战场能源的保障能力。

3、安全性能取得技术突破。2017年1月,美国斯坦福大学研发出一种含有阻燃剂的微型“智能”纤维,插在电池的电极之间,可阻止电池短路起火。在测试中,当锂离子电池温度达到160℃以上时,阻燃剂会被释放到电解质中,确保电池安全。

目前,全球军用飞机装备数量最大的是美国,主要拥有空军现役、空中国民警卫队(A ir National Guard)、空军预备役部队(Air Force Reserve Force)三部分组成。

2018年1月,美陆军发布《陆军战略》(下称《战略》)未来十年建设和发展的相关文件,从愿景、战略环境、战略途径阐述战略内容,提出四条战略途径。

关键字:储能电源系统

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