海拔高度2621米，年平均溫度零下36.6度的南極泰山站，因為環(huán)境惡劣，一直缺乏電力供應(yīng)。不過，這一歷史很快將被終結(jié)。10月15日，東南大學(xué)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。

這套“巨型充電寶”能耐受南極冬季零下八九十度的嚴寒，持續(xù)24小時不間斷地為極地科考設(shè)備供電1年，為泰山站科考設(shè)備供電，并通過衛(wèi)星遠程監(jiān)控泰山站的運行情況。這也是我國首個投入運行的國產(chǎn)極地?zé)o人值守能源系統(tǒng)。

東南大學(xué)研發(fā)的中國南極泰山站無人值守移動電源“東大極能”。 圖片來源：科技日報微信公眾號

能24小時不間斷供電1年

東南大學(xué)研發(fā)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(fā)電艙。其中，發(fā)電艙內(nèi)有6套發(fā)電機組，這些發(fā)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(xué)自動化學(xué)院執(zhí)行院長魏海坤介紹，“泰山站的科考設(shè)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(xù)工作1年，連續(xù)24小時不間斷發(fā)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多度時會結(jié)冰，他們通過巧妙的設(shè)計，用發(fā)電機組發(fā)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(jiān)控。每隔一段時間，他們將回傳一次現(xiàn)場的各類監(jiān)控數(shù)據(jù)，如艙內(nèi)外的環(huán)境溫度、設(shè)備溫度的數(shù)據(jù)，并監(jiān)測發(fā)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(shè)備作業(yè)影像。

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

艙內(nèi)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(guī)發(fā)電機去泰山站工作，低效且難以持續(xù)。

“如何穩(wěn)定、可靠地發(fā)電，一直是南極科考的技術(shù)難點。”東南大學(xué)自動化學(xué)院執(zhí)行院長魏海坤自2010年參與南極科考，他說，我國在南極昆侖站的發(fā)電設(shè)備現(xiàn)由國外提供，但發(fā)生過多起事故。

有一次，發(fā)電機組排煙管漏油，導(dǎo)致發(fā)電艙內(nèi)濃煙滾滾，艙內(nèi)溫度迅速升高，系統(tǒng)崩潰。還有一次，柴油發(fā)電機組的油耗盡，發(fā)電機空轉(zhuǎn)，最終機組被燒。“更重要的是，這套發(fā)電設(shè)備由外國控制，如果對方切斷系統(tǒng)，我們的科考將受制于人。”

泰山站的冬季平均溫度在零下60度左右。發(fā)電控制系統(tǒng)最好的核心器件，也只能耐受零下40多度的低溫，因此，為供電裝置保暖，讓它們持續(xù)穩(wěn)定供電，讓科研人員操碎了心。“我們給包括蓄電池在內(nèi)的怕冷的發(fā)電機組設(shè)備，安裝了加熱器。”魏海坤說，艙體的聚氨酯發(fā)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(fā)電設(shè)備工作時，如果沒有合適的控制方案，發(fā)電艙內(nèi)的溫度會迅速提高，局部達到70度以上，這意味著與室外最高形成約150度的溫差，而設(shè)備必須在一個“舒服”的溫度范圍才能穩(wěn)定運行。

魏海坤介紹，他們采用兩種技術(shù)調(diào)節(jié)發(fā)電艙和控制艙的溫度。首先，他們用數(shù)據(jù)建模設(shè)計艙體布局，設(shè)置換氣口、排煙口、進風(fēng)口、排風(fēng)扇，讓設(shè)備正常“呼吸”；同時，他們在艙內(nèi)安裝了10個傳感器，實時監(jiān)測不同區(qū)域的溫度，以遠程調(diào)控。

考慮散熱時，科研人員采取了兩種方案，確保無人值守時如有設(shè)備“罷工”，其他設(shè)備能代替發(fā)揮作用，例如艙內(nèi)溫度高時，系統(tǒng)會遠程開通排風(fēng)扇，或者打開換熱氣口，把熱氣散發(fā)出去。“現(xiàn)在艙內(nèi)溫度能控制在30攝氏度。”

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