海拔高度2621米，年平均溫度零下36.6度的南極泰山站，因?yàn)榄h(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(dòng)電源“東大極能”運(yùn)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(yán)寒，持續(xù)24小時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控泰山站的運(yùn)行情況。這也是我國首個(gè)投入運(yùn)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(dòng)電源“東大極能”。 圖片來源：科技日報(bào)微信公眾號

能24小時(shí)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(gè)集裝箱，一個(gè)是控制艙，一個(gè)是發(fā)電艙。其中，發(fā)電艙內(nèi)有6套發(fā)電機(jī)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(chǔ)備不足時(shí)以備不時(shí)之需。

東南大學(xué)自動(dòng)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(dòng)電源的最高輸出功率可達(dá)3千瓦。目前能持續(xù)工作1年，連續(xù)24小時(shí)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(shí)會(huì)結(jié)冰，他們通過巧妙的設(shè)計(jì)，用發(fā)電機(jī)組發(fā)的熱為燃油“保暖”。

同時(shí)，魏海坤團(tuán)隊(duì)通過銥星通信，對能源模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。每隔一段時(shí)間，他們將回傳一次現(xiàn)場的各類監(jiān)控?cái)?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(jī)組的輸出功率是否正常，4個(gè)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(tuán)隊(duì)為設(shè)備中的核心模塊都配備了“備份”，其中發(fā)電機(jī)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(jī)組壞了，系統(tǒng)還能自動(dòng)切換到備用機(jī)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(gè)月的時(shí)間，攜常規(guī)發(fā)電機(jī)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(diǎn)。”東南大學(xué)自動(dòng)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(jī)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(jī)組的油耗盡，發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)，最終機(jī)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(jī)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(shí)，如果沒有合適的控制方案，發(fā)電艙內(nèi)的溫度會(huì)迅速提高，局部達(dá)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(gè)“舒服”的溫度范圍才能穩(wěn)定運(yùn)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(jì)艙體布局，設(shè)置換氣口、排煙口、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)扇，讓設(shè)備正常“呼吸”；同時(shí)，他們在艙內(nèi)安裝了10個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測不同區(qū)域的溫度，以遠(yuǎn)程調(diào)控。

考慮散熱時(shí)，科研人員采取了兩種方案，確保無人值守時(shí)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)遠(yuǎn)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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