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“巨型充电宝”随“雪龙”号出征,南极泰山站将结束“无电时代”

2019-10-16

         海拔高度2621米,年平均温度零下36.6度的南极泰山站,因为环境恶劣,一直缺乏电力供应。不过,这一历史很快将被终结。10月15日,东南大学为泰山站量身打造的无人值守移动电源“东大极能”运往上海,参与中国第36次南极科考。

  这套“巨型充电宝”能耐受南极冬季零下八九十度的严寒,持续24小时不间断地为极地科考设备供电1年,为泰山站科考设备供电,并通过卫星远程监控泰山站的运行情况。这也是我国首个投入运行的国产极地无人值守能源系统。

  能24小时不间断供电1年

  东南大学研发的这套“巨型充电宝”,看起来像两个集装箱,一个是控制舱,一个是发电舱。其中,发电舱内有6套发电机组,这些发电能源,有的来自太阳能,有的来自燃油,5吨航空燃油可以在太阳能储备不足时以备不时之需。

  东南大学自动化学院执行院长魏海坤介绍,“泰山站的科考设备的耗电总功率约2.5千瓦,这套移动电源的最高输出功率可达3千瓦。目前能持续工作1年,连续24小时不间断发电。”

  在热能稀缺的南极,每一丝温度,都要被利用到极限。魏海坤介绍,燃油在零下40多度时会结冰,他们通过巧妙的设计,用发电机组发的热为燃油“保暖”。

  同时,魏海坤团队通过铱星通信,对能源模块进行远程实时监控。每隔一段时间,他们将回传一次现场的各类监控数据,如舱内外的环境温度、设备温度的数据,并监测发电机组的输出功率是否正常,4个摄像头还将不定期传送设备作业影像。

  泰山站长期处于低温、低气压的环境,由于无人值守,一旦设备发生故障,泰山站的供电将岌岌可危。为此,魏海坤团队为设备中的核心模块都配备了“备份”,其中发电机组有5套备份,通信系统有一套备份,“如果当前的发电机组坏了,系统还能自动切换到备用机组。”

  舱内温度可控制在30摄氏度

  南极泰山站,是中国位于南极大陆腹地的科考站。由于气候极寒,科研人员每年只能在夏季约一个月的时间,携常规发电机去泰山站工作,低效且难以持续。

  “如何稳定、可靠地发电,一直是南极科考的技术难点。”东南大学自动化学院执行院长魏海坤自2010年参与南极科考,他说,我国在南极昆仑站的发电设备现由国外提供,但发生过多起事故。

  有一次,发电机组排烟管漏油,导致发电舱内浓烟滚滚,舱内温度迅速升高,系统崩溃。还有一次,柴油发电机组的油耗尽,发电机空转,最终机组被烧。“更重要的是,这套发电设备由外国控制,如果对方切断系统,我们的科考将受制于人。”

  泰山站的冬季平均温度在零下60度左右。发电控制系统最好的核心器件,也只能耐受零下40多度的低温,因此,为供电装置保暖,让它们持续稳定供电,让科研人员操碎了心。“我们给包括蓄电池在内的怕冷的发电机组设备,安装了加热器。”魏海坤说,舱体的聚氨酯发泡材料,在不同位置的厚度也不同,贴近冰雪的舱底厚一些,而舱顶薄一些。

  发电设备工作时,如果没有合适的控制方案,发电舱内的温度会迅速提高,局部达到70度以上,这意味着与室外最高形成约150度的温差,而设备必须在一个“舒服”的温度范围才能稳定运行。

  魏海坤介绍,他们采用两种技术调节发电舱和控制舱的温度。首先,他们用数据建模设计舱体布局,设置换气口、排烟口、进风口、排风扇,让设备正常“呼吸”;同时,他们在舱内安装了10个传感器,实时监测不同区域的温度,以远程调控。

  考虑散热时,科研人员采取了两种方案,确保无人值守时如有设备“罢工”,其他设备能代替发挥作用,例如舱内温度高时,系统会远程开通排风扇,或者打开换热气口,把热气散发出去。“现在舱内温度能控制在30摄氏度。”

来源:中国科技网