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南极究竟是如何供电的? 精选

已有 4185 次阅读 2020-11-16 12:53 |个人分类:泰利斯科普|系统分类:科普集锦

最近几期一直在介绍南极望远镜,那么问题来了,望远镜运行需要的电是哪来的呢?这一期我们就来讲讲南极考察站现场究竟是如何供电的。

如今社会,电是整个人类活动必不可少的能源,也是社会进步的基础原动力。在这个大家被手机支配的生活环境下,最恐怖的也莫过于手机没电。

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小编人生首次被电量不足带来的的恐惧还是奥特曼胸前指示灯闪烁时候留下的,当时最关心的不是奥特曼能否打败小怪兽,而是随时可能出现的“嘀嗒嘀嗒…”(当时还以为奥特曼是充电的,一不小心暴露了年龄)。

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发电站是南极考察站的心脏,

有了电,才有了科考队员的供暖、供水,从而保障队员的生活;

有了电,才能与外界进行信息的传输,从而建立起与外界的联系;

有了电,才能架起各种仪器和设备,从而进行自然界奥秘的探索。

总之,在南极,有了电才有了一切可能。也正是上述原因,各国在南极科考站对电站的建设也就显得格外重视。

目前南极考察站常见的供电形式有如下几种:


一、柴油发电机

柴油发电机是目前南极应用最为普遍的一种发电方式,也是科考队员生活和仪器用电的主要来源。相比于其它发电方式(风能、太阳能),柴油发电机更稳定、更可靠、效率也更高,况且随着自动化、智能化、节能化等技术的发展,柴油发电的优势显得更加明显。


例如,我国南极中山站的电站由3150千瓦和130千瓦柴油发电机组成,可以保证站区生活、工作和科研等的连续用电。这也是为什么我国南极中山站配备有大量油罐的原因。

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位于我国中山站具有代表性的十二生肖油罐

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位于我国中山站具有代表性的脸谱油罐

中山站是可越冬考察站,也就是说常年都有工作人员在,自然环境相比于南极内陆也柔和了许多,即便是发电站出现了问题,也能及时抢修,保证考察站顺利运行。相比之下,位于内陆的泰山站和昆仑站自然环境更为恶劣,目前也是无法越冬的。所以,南极内陆地区供电系统稳定性显得更为重要,否则一旦出了问题,只能等夏季科考队员前往进行维修。

目前我国在昆仑站采用的集成供电系统是由澳大利亚的新南威尔士大学(UNSW)和中国南极天文中心共同研发的PLATO支撑平台。该系统安装在两个约3米高的集装箱内,其中一个存放动力系统和燃料,另一个为仪器仓,用于放置各种仪器和控制系统。PLATO配备两个铱星调制解调器用于互联网传输。PLATO正常情况下可为昆仑站提供约1千瓦持续的电力供应,夏季还可用太阳能电池板补充电力储备。PLATO也是目前我们南极昆仑站主要的供电系统。

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PLATO动力系统和燃料仓

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PLATO仪器仓


PLATO的发电和配件组件示意图

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科考队员正在对发电机组进行维护

在数次的南极科考中新南威尔士大学的Michael Ashley教授也积极配合我国科考队员对PLATO进行维护和升级工作。

其实我们国家也在研发自己的能源支撑平台,早在2009年,东南大学就与中科院紫金山天文台签署了战略合作协议,共同研发具有自主知识产权的南极冰穹A科考支撑平台,简称“东大平台”,也就是后来的“东大极能”。

说到“东大极能”,我们就要缅怀一位为此付出宝贵生命的科研人。郝英立教授,也就是当时“南极冰穹A科考支撑平台”的负责人。在2010年西藏羊八井的平台测试期间,因旅途劳累、超负荷工作和高原反应,郝教授生命定格在了47岁,为他热爱的科研事业献出了宝贵的生命。

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郝英立教授(东南大学)

同年,接任负责人的魏海坤教授将第一代“东大平台”安装在了南极昆仑站,并工作了五十余天。2018年,第二套系统安装在了南极泰山站,由于种种原因目前也不工作了。2019年,改名为“东大极能”的科考支撑平台再次乘坐“雪龙”号前往南极,并安装在了泰山站。东大也为此召开了新闻发布会,当时也算可谓是轰动一时。但至于结果怎么样,恐怕时间已经给出了答案。

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同时,也希望我们自主研发的科考支撑平台能早日真正的派上用场。


二、光伏发电

太阳能发电也是目前南极常用的一种发电方式,在多个考察站也有应用。

太阳能发电在南极有一个天然的劣势,就是进入极夜环境,太阳能发电装置就无计可施了。而恰恰有些设备是在极夜环境下运行的,比如我们的南极巡天望远镜。尽管如此,在极昼的时间段内太阳能发电还是能够在一定程度上为供电系统提供一定的电力储备。

位于我国中山站的太阳能电池板阵列

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位于乌拉圭南极科考站的太阳能系统


位于我国昆仑站的太阳能电池板


三、风力发电

相比于太阳能,南极还有一个天然的优势就是风力资源丰富。南极大陆号称地球的“风极”,况且风力发电不会受极夜的影响,可以持续的进行。例如比利时于2009年建造的新伊丽莎白公主站,是世界上第一座仅依靠可再生能源(风能和太阳能)就可以维持运行的南极科考站。

新伊丽莎白公主站具有一套能源管理系统,能够充分利用52kW太阳能发电机组和54kW风力发电机组发出的电能。即使在极夜,虽然太阳能发电机组停止发电,但是99米高的风车仍能产生54kW的电力,并全部用作科考站内的电力应用。强风成为新伊丽莎白公主站主要的稳定能源来源。

比利时新伊丽莎白公主站

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比利时新伊丽莎白公主站的风力发电系统

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位于我国南极泰山站的风力发电系统

我国在南极昆仑站也建有风力发电设备,例如下图中展示的新一代垂直轴风力发电机组。它具有微风启动(1/秒)、360度受风、全铝流线结构、外转子、多极等优点。

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位于我国南极昆仑站的风力发电系统

除上述之外,有资料显示南极洲曾经还有过一座核电站——PM-3A。该核电站位于美国麦克默多考察站,是一座电功率为1.5兆瓦的小型压水堆核电站,于19623月启动,从此南极进入了核能时代。但后来美国因越战已自顾不暇,加上其它不为人知的原因,该核电站已于1972年关闭。众所周知,有核能的地方就意味着有核污染的风险,根据南极公约,估计短期之内南极不会再有核电站了。

尽管目前南极有多种形式的供电形式,但绝大多数的科考站还是依靠柴油机发电,因为普通的风力涡轮机承受不了南极极端的低温和暴风。但随着技术的进步,同时也是为了减少化石能源对南极环境的污染,清洁能源在南极的应用将会越来越广泛。我国在南极的第五个考察站——罗斯海新站在建设初期就充分考虑可再生能源的应用,未来将以风能和太阳能为主的清洁能源系统。


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参考资料:

[1] 知乎-北极、南极科考站是如何实现供电和供暖的?https://www.zhihu.com/question/50839924

[2] 葛健, 魏海坤, 方仕雄, et al. Control Strategy for the Power Supply System of Antarctic Expedition Supporting Device[J]. Process Automation Instrumentation, 2014.

[3] Du F , Li H , Li A . Power supply system design and build for Antarctica telescope[C]// Ground-based & Airborne Telescopes VI. International Society for Optics and Photonics, 2016.

[4]Ashley, M, C, et al. PLATO-A ROBOTIC OBSERVATORY FOR THE ANTARCTIC PLATEAU.[J]. EAS Publications Series, 2010.

[5]Du F , Li H , Li A . Power supply system design and build for Antarctica telescope[C]// Ground-based & Airborne Telescopes VI. International Society for Optics and Photonics, 2016.

[6]Storey J W V , Ashley M C B , Augarten Y , et al. The PLATO Robotic Antarctic observatory design and development program[J]. 2012.

[7] Lawrence J S , Allen G R , Ashley M C B , et al. The PLATO Antarctic site testing observatory[J]. 2008, 7012:701227-701227-12.

[8] 道客巴巴-拓又达系列风力发电机WPTYD http://www.doc88.com/p-9989654986854.html

[9]关于美军在南极设立核电站的一些情况http://blog.sina.com.cn/s/blog_870fccef0102vhis.html



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