小型系留气球在海洋领域的应用

小型系留气球在海洋领域的应用

罗贤斌

中国特种飞行器研究所 湖北省荆门市 448000

摘要：现阶段，随着常规能源的日益紧缺，能源瓶颈已经成为制约各国可持续发展的重要问题，包括我国在内的诸多国家普遍提倡应用清洁能源，节能减排，以有效应对愈演愈烈的资源危机和环境危机。而在海洋领域，我国是海洋大国，管辖的海域面积约为300万km²,蕴藏着大量的波浪能，且波浪能较其他能量相比，由于开发过程中对环境影响小且以机械能形式存在，是品味较高的海洋能，对于波浪能的研究已成为近年来的研究热点，而这给系留气球在海洋的应用解决了能源瓶颈。同时，由于对海洋监测能力的不足，在对海洋的管控、探知能力，海空气象水文监测预警、海洋通信、海洋资源开发、海上航运、海上搜救等领域均缺乏有效地应对手段，而小型系留气球的应用却能弥补这些方面的不足，本文就小型系留气球在海洋领域的技术发展方向展开论述。

1.概述

1.1海洋经济发展现状

随着保护和可持续利用海洋和海洋资源以促进可持续发展被写入联合国《2030 年可持续发展议程》¹，海洋经济的可持续发展已成为国际社会共同关注的热点之一。国际社会已普遍认为海洋经济是全球经济的重要组成部分，可作为新的经济前沿和增长引擎，具备刺激经济增长、创造就业和推动创新的巨大潜力。我国近年来，也出台众多海洋法案，用于规范、合理地进行海洋资源的开发，促进一带一路的发展，实现创新驱动下的可持续经济发展。随着近年来科学技术的发展，新知识和越来越多的技术正逐渐渗透到各个海洋产业部门，如航运、能源、渔业和旅游业等许多海洋活动中得到运用，用于提高工作效率、优化成本结构等，伴随得到快速发展的有成像和物理传感器技术、卫星技术、先进材料技术、信息与通信技术、自主系统、可再生能源开发等工程技术领域。

但海洋经济的发展总体而言，仍处于新兴阶段，在各大海洋产业部门大力发展的同时，存在海洋装备缺乏，不足以满足经济的可持续发展。如渔业的发展，存在监测手段有限，无法开展实时监测，或监测成本高等因素，导致对鱼类健康状况的变化，反应不及，航运的发展，存在海洋通讯手段有限，航运路线缺少廉价的通信中继平台等。

1.2小型系留气球发展现状

系留气球是一种利用轻质气体的浮力，实现球体的放飞和回收的一种任务搭载平台，依据需要，可搭载多种任务载荷，实现气球在一定高度范围内的放飞、收回。系留气球通过系泊设备、收放绳索即可牵引、拖拽气球完成放飞、定点系泊、回收等过程。系留气球在陆地上的应用，得到快速发展，其滞空时间长、高度易于调节等特点，在特定领域，得到了一定的应用，但受限于海洋领域的特殊环境，如海面的腐蚀环境、海上能源的缺乏等因素，制约了系留气球在海洋经济开发领域的发展，但随着先进材料技术、信息与通信技术、可再生能源的开发的发展，逐步解决了系留气球作为一种海洋经济开发通用装备的技术瓶颈，为系留气球在海洋经济开发过程中的应用创造了有利条件。

2.技术难点

海洋小型系留气球的使用不同于陆地系留气球，主要存在如下技术难点：

1. 一体化自动运营

陆地系留气球的使用过程中，可通过专门的保障设备在气球地面系泊时人工开展气球的收放、升力气体的补充，设备的检修等，而海上系留气球，一经展开后，需通过自动控制系统实现气球的收放、气球浮力、球体压力的检测，升力气体的补充等，直至气球完成任务后撤收。其中，所需自动控制设备、补充气源等统一集成在海面系泊平台上，由于海洋气候环境的特殊性，增强了系泊平台的设计难度和设备的集成难度。

2. 常规能源不易获取

实现海洋气球一体化自动运营的前提是常规能源的供给，最清洁的能源则是电能，陆地上电能的获取较容易获得，而海洋系留气球，电能的获得，由于海洋环境的复杂性，则不便利用常规能源进行补给，存在污染大、运营成本高、与绿色发展理念相违背等缺点。

3. 系泊平台的设计及防护

陆地系留气球系泊平台的设计，重点关注的是系泊平台的顺桨性能、结构的抗倾覆能力等，易于实现。而海洋系留气球系泊平台，平台的抗浪涌能力则是其最重要指标。由于小型系留气球宜采用经济型的漂浮体系泊平台，导致平台的高集成度与抗浪涌能力之间的矛盾关系，需达到动态平衡。

3.实现思路

为实现海洋小型系留气球的产品化，需突破海洋系留气球存在的技术瓶颈。为实现系留气球的自动化运营，首先需要解决能量问题。

近年来，随着波浪能发电技术的发展，发电系统已经逐步实现发电单元的轻量化设计及高储电量能力。某型主动共振浮力摆波浪能发电装置见下图，主要包括直流母线和并联在直流母线上的发电支路、锂电池支路、超级电容支路、交流负载支路、直流负载支路和卸荷支路。发电支路包含发电单元主动共振浮力摆式波浪能发电装置、三相PWM整流器和双向DC/DC变换器，发电单元发出的三相交流电经三相PWM整流器整成直流后进一步通过双向DC/DC变换器给直流母线降压输电。锂电池支路包含能量型储能元件锂电池和双向DC/DC变换器，以长期运行的功率匹配和电能管理为目标，利用双向DC/DC变换器实施锂电池的充放电控制。超级电容支路包含功率型储能元件超级电容和双向DC/DC变换器，以平滑瞬时发电功率为目标，利用双向DC/DC变换器实施超级电容的充放电控制。交流负载支路通过无源逆变电路同直流母线相连，而直流负载支路则通过Buck电路同直流母线相连。直流母线上还并联有由开关管和卸荷电阻构成的卸荷支路，用于在母线电压超过最大值时开启以消耗多余功率，避免电压过高而损坏电力电子元件。该发电装置可靠性高、发电效率能达到40%以上。能够解决系留气球一体化自动运营所需的电能需求。

系泊平台的设计需充分考虑平台的抗浪涌能力，平台需集成充气单元、绞车收放单元、通讯控制单元等，平台的外形设计可通过ANSYS-AQWA软件，建立平台的水动力模型，分析平台的水动力性能，获得平台的水动力参数，系泊线的张力变化曲线等，从而获得最优的平台外形。某系泊平台集成示意图见上图，系泊平台采用环形外形，中心安装发电单元，通过波浪能进行发电，用于系留气球的用电设备，实现系留气球平台的一体化自动运营。环形平台内安装绞车单元、通讯控制单元、补气单元等。补气单元依据球体内部压力的变化，通过压力传感器反馈信号到通讯控制单元，控制单元根据压力信号，控制补气单元电磁阀的开闭，通过多功能系留绳给球体进行自动补气。通讯控制单元通过监测绞车单元收放的长度，控制绞车的自动换向，实现系留气球的自主收放。通讯控制单元除对系泊平台上的用电设备进行控制外，还可实现与海面船只、岸基通讯点的多方通讯，以便扩展系留气球的使用场合。

通过上述方案，只需在系留气球内部安装特定任务载荷，通过系留气球在海平面以上一定高度范围内任意高度的调节，就可实现对海面立体领域内的实时动态监测，增强对海洋的管控、探知能力，促进海空气象水文监测预警、海洋通信、海洋资源开发、海上航运、海上搜救等领域的发展。

4 结束语

小型系留气球在海洋上的应用，在一定领域，能够为海洋经济的发展，提供更多的选择，解决对海洋监测力度不足的问题。随着当前技术水平的发展，小型系留气球在海洋上的应用，技术瓶颈也能够得到解决，本文所述技术思路也可得以实现，但将其投入到实际应用中，还需考虑经济性等方面的问题，因此，小型系留气球在海面上的应用与关联产业的发展息息相关。如球体材料的透气性能、波浪能发电的效率、电能的储存等，这些行业的发展，都将大大降低海洋系留气球的使用成本，从而实现小型系留气球在海洋领域的实用化。

参考文献：

1. 林香红，面向2030：全球海洋经济发展的影响因素、趋势及对策建议.太平洋学报.2020年1月，第28卷第1期.

2. 周立，张阳.无人时代的海洋测绘技术展望.海洋技术学报，2019年2月，第38卷第1期.