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第一篇：水下机器人的结构 第三章：水下机器人的能源与动力 上节课重点  水下机器人设计方法与目标  水下机器人的重量特征  水下机器人耐压舱壁厚的设计 能源与动力的选择—核动力 无缆（载人或无人）潜水器的能源绝大部分采用蓄电池。亦有采 用核动力、燃料电池、柴油机等动力源的。带缆潜水器则多数是从水 面提供直流或交流充源。 美国从1952年就开始研制水下核动力装置。核动力装置最初用钠， 后来用压水堆，其主要特点是闭回路不需要空气。可以在水下长期工 作。其单轴功率可达30000hp。但应用于潜水器的主要矛盾是要小型 化。美国的NRI核动力潜水器，排水量 400t，造价为990O万美元。 I.S.E．（国际潜艇工程公司）新研制的核动力潜水器功率只有20kw。 采用核动力可以大大提高潜水器的航速与续航力。但是必须解决 小型化以及高昂的造价问题，故不易推广。 能源与动力的选择—电池 美国国家科学院的报告指出，水下使用电池能源有以下优点： 1、结构简单，全部元件可以组装在电池箱内。 2、可以在海水压力下工作，节省耐压壳重，而且压力对电池 性能影响很小，相反地压力会使电解液的导电率增加（铅酸电池增 加 5％，银锌电池增加2％），在多孔电极处或电极中压力减小了 气体的体积，从而使电极表面有更多可利用的电解液，也就有效地 增大了电流密度，同时压力还可以使功率增大。 3、由于无运动部件，故无噪声振动。 4、可以在比海水低很多或高很多的温度下工作。 5、可靠性好，一个单体电池出毛病，只影响输出，可以继续 工作。 6、一般电池在市场上可以买到，无需付发展改进的费用。 铅酸电池 1、能量密度（单位重量的 能量）和比能量（单位容积 的能量）较低。 2、功率水平一般都不超过 每磅几十瓦，每立方英尺几 千瓦。 一般电池的最高能量密 度出现在低放电率的情况下， 高放电率会减小电池可能提 供的总能量。下图是某潜艇 用电池容量与放电时间的关 系。 银锌电池 银锌电池的特点是容量 高，短时间内可以施放出 大容量，缺点是价格昂贵， 充电时间要求长。 银锌电池的放电特性与 铅酸电池有很大差别，大 部分时间电压相当稳定， 就是在开始时有一段初始 高压，在使用时应加以注 意，如右图所示。 锂电池 锂电池是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合 金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类： 锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的， 且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且 是可以充电的。 锂离子电池单体电压高、自放电率低、比能量高、循 环寿命比较长，适合于各种电流密度放电；一次Li ／ SOCl2电池，比能量是银锌电池的2-3倍，可支持AUV运行 40-60小时，缺点是造价高，对环境有害，适用于小电流 放电，安全问题是一个技术上的难题。 锂电池 深圳雷天（Thunder Sky）公司的 1000Ah 锂电池 深圳雷天（Thunder Sky）公司的 200Ah 锂电池 能源与动力的选择—燃料电池 燃料电池是60年代开始兴起的一种新电源，它直接从 化学反应获得电能，是一种直接将贮存在燃料和氧化剂中 的化学能等温、高效（能量转换率可高达60～70％ ）、环 境友好地转化为电能的发电装置。计及辅助装置的消耗， 效率亦可达45％。而柴油发电机组的能量转换率只有30％， 扣除辅助系统的能耗后只有25％。燃料电池还有过载能力 大（可达2～3倍）、噪声小的优点，所以它是潜水器和潜 艇最有发展前途的能源之一。 六十年代碱性燃料电池(AFC)曾迅速发展并在航天领域 得到应用。七十至八十年代，熔融碳酸盐燃料电池 （MCFC）和 固体氧化物燃料电池(SOFC)发展起来。九十 年代以来，质子交换膜燃料电池（PEMFC）得到迅猛发展。 美国已确定燃料电池为经济繁荣和国家安全至关重要的 27项必须发展的技术之一，PEMFC是其中的重点发展项目。 国际著名刊物《未来学家》预测，到2017年，燃料电池 将在全球得到广泛应用，约占总发电量的30%。 2002年，燃料电池工程中心与大连新源动力股份有限公司共同开发出 20～25kW H2/空气质子交换膜燃料电池模块和30～35kW H2/O2质子交 换膜燃料电池模块，在此基础上成功开发出40kW燃料电池轿