北极、南极科考站是如何实现供电和供暖的？ 第1页

极地条件下的“孤岛”能源系统设计，向来都是一个非常吸引人的话题，因为这次是南极，下次说不定就是月球，再往后也许就是火星……

当前阶段南极地区电源以柴油发电机（村口拖拉机那种）为主，除核能（已废弃）、潮汐（不现实）及地热（不存在）以外、风电、太阳能均有涉猎，但应用场景偏少……因为供电供热系统设计不是科考站的亮点，科考站应该归回科研本身，打造南极宜居度以研究移民可行性不是人类去南极的目的……基于此，能源系统设计时也是围绕需求和环境因素来做具体的技术设计。Warning：撇开需求和外部环境谈设计=耍流氓。

所以说，南极科考站如何供电供暖这个问题很简单，而“为什么这样做”则复杂得多，也是这个回答中解释的重点。

一、科研定位

南极科考站的建设，从最初的“在南极的边缘试探”到如今的“向南极的中心进发”，功能越来越古怪，厂址越来越奇葩。科考站的建设，通常都是科学家划了个圈，然后工程师想办法，这就叫做“工程服务于科研”，专硕服务于学……（耳光），因此，科考站的选址很大情况下受制于科研需要。譬如：

极点：地理最南端，半年极昼，半年极夜。1957年美国在该处修建了“阿蒙森-斯科特”科考站。

冰点：1957年前苏联建立“东方”科考站，后检测到了-89.2°C的超低温度。（号称南极地区最低温）

磁点：地球磁轴与地球表面的交接点。法国在该处建立了“迪蒙·迪维尔”科考站。

高点：位于南极内陆冰盖最高点冰穹A西南方向约7.3公里，南极洲最高点。我国在该处建立了“昆仑”科考站。

由上可见，科学家选址通常都是些奇奇怪怪的地方，而恰好因为这些地方过于奇奇怪怪，所以很大概率都会让各种工程师很不爽，以我国的昆仑站为例，它所在的冰穹A区域是个啥地方呢？

冰穹A是个60公里×15公里的平台，一眼望去，一马平川。南极冰穹A大气稀薄、冷、干燥、尘埃少，冰穹A平均风速低于2米/秒，可以媲美太空环境。冰穹A只有0.5个大气压，空气稀薄，含氧量很低，人很容易出现缺氧情况，在冬天更是难以生存，冰穹A夏季气温零下40摄氏度，冬季气温达到零下80多摄氏度。

大概就是那么个地方……

这个地方常年平均风速2m/s，这种风速能发多少电，能不能发电，搞风电的人都懂……而柴油发电机呢，燃料补充很困难（距离中山站几百公里，且路途异常难走），当备用电源还行，一直用肯定供不上。光伏就更不要提了，虽然半年的极昼还好，晚上都能发电了——但是别忘了，还有另外半年的极夜咋整？白天都不能发电了。

资源问题都解决不了，就更不要谈各种恶劣环境下的工况稳定问题——这就是令工程师头疼的环境因素问题。

二：功能定位

上面说到的外部环境是不是让人感觉到绝望？

没关系，不要过度悲观：南极科考站分为夏季站和常年站，也就是说不是每个科考站都必须具备常年居住的条件，我们很可能放大了某些困难。另外，有些站是纯科考，只需要着重考虑设备的用电问题，有些站则还要承担：中继、补给、后勤，甚至是……（被捂嘴拖走）等诸多功能，这种功能定位差异导致的用电需求差异，为我们后续克服困难提供了突破口。

仍然以昆仑站为例：

由于南极是无主之地——你去晚了，就插上别人的旗了。因此右上角的那几个科考站，是先有中山站，然后有昆仑站，最后有的泰山站。

我们跋山涉水在冰穹A地区插旗，为的就是在这个地方搞研究，因此这是一个纯粹的科研站，具体可以开展什么研究，见下文：

1. 冰穹A地区可以监测和检测到全球平均本底大气环境，得到可用于改进全球大气环流模式的有关参数。
2. 冰穹A位于臭氧洞中心位置，是探测臭氧空洞变化的最佳区域。
3. 冰穹A有地球上最好的大气透明度和大气视宁度、3-4个月的连续观测机会、较低的风速以及在较宽的电磁波段内等条件，已被国际天文界公认为地球上最好的天文台址。
4. 冰穹A位于冰盖最高点，冰体流变作用最小，是国际公认的南极冰盖最理想的深冰芯钻取地点。未经变形的冰体中高分辨率的气候环境记录，可望恢复到地球最古老的中新世。
5. 冰穹A附近的甘布尔采夫冰下山脉是东南极冰盖发育的核心地区。南极内陆大的山脉的形成也直接挑战板块构造理论对大陆内部变形的解释，冰下湖和冰下生命系统也是世界科学家们最为关心的问题
6. 甘布尔采夫冰下山脉海拔高度近4000米，尖峰几乎刺穿冰面，是近1000万平方公里内陆冰盖中唯一有可能直接获取地质样品的地点，是东南极地质研究最具有挑战意义的地方，因而成为地质研究最具吸引力的地方。
7. 冰穹A地区所具有的特殊地理和自然条件还能成为其他重大科学工程的良好实验基地，促其实现特殊领域(如低温工程材料、远程通信技术、极端条件下人体医学、航空航天工程)的技术进步。
8. 我国的高达……（再次被捂嘴拖走）

在这种更像是纯科研的科考站，或许我们不需要太过于考虑人类的宜居程度，因为科研人员并非在该处常驻，很可能是调整完仪器就走人，或是搜集完数据就撤退到其他常年站、中继站一类，反而是在科研工作人员离开后，这些设备如何实现稳定供电的问题，才是我们最需要关注的问题。

容易发现：这种站的供电问题，机器的因素重于人的因素，反之，某些常年站可能恰恰和这个相反更多需要考虑的是人类生存的因素。这就是上文提及的：功能定位差异导致的的用电需求差异。

三、负荷研究及电源系统构想

在分析清楚上面的问题之后，接下来就要展开负荷研究和电源系统构想了，其实这个阶段是要解决“都是些什么仪器/人在用电？”“他们对用电的要求是什么？”之类的问题。

（一）条件极端、以科考为主的站。

生产用电：以大型的科研设备用电为主，要求电力供应持续、可靠，由于人不常驻，因此还需要具备无人条件下的智能化供应、长续航、可克服恶劣天气、布置方便，备用可靠。

生活用电：12个月中可能只有不到两个月有人，其他时间段则没有生活用电需求。

电源系统构想：

以昆仑站为例，把刚才提到的问题再抄一遍：

1. 常年平均风速2m/s，风电供应不稳定且效率过低，无人情况下难以保证可靠工作。

2. 柴油发电机燃料补充很困难，且需要人为操作及故障排查和运维。

3. 光伏——别想了，半年没太阳。

啥最好呢？你们想到了没？（可能有同学想到了）

——没错，大容量的蓄电池啊，充一次电用两年那种。这种科考站我们不是一年就去这么一两次吗？那一两个月去搞科研工作的时候，顺便带着充满电的蓄电池去把没有电的换下，一次出行，解决两个问题，完美。

蓄电池属于静止设备，故障率比旋转设备低得多，只要能营造一个可靠的工作环境，实现十个月无人情况下的可持续供电，它完全没有问题，这样一来也不用纠结什么调频、调压，出力和用电的问题了，用不完的电都在里面存着呢。

根据“你想到的idea一万年前已经被人发了paper”定律，所以这并不是脑洞……而是早已成为现实了……更惨的不是发了paper，是都造出来了那种

上面那封函都是热乎的，大家就趁热看了吧，剩下还有什么具体细节……有兴趣的同学就去考东南大学的研究生、博士……此处不再赘述。（我是不是又给东南大学打了个免费广告）

友情提醒：东南电气，分可不低。

二、中继站、常年站。

这种地方的电源供应呢，能源系统就比较复杂了。为什么大家青睐柴油发电机？

第一、出力可调，供电方式灵活，出力稳定。

第二、柴油发电机可移动，可以满足多种应用不同场景，大家可以关注下，有些国家的科考站，用的是移动式设计……，而光伏和风电都不可以移动。风电不可移动这个就不用细说了，桩子打在地上就不能拔出来了，而光伏不能移动，就要回到工业设计上来：光伏发电，并不是和太阳能烧水一样那么简单，它的整体设计都和所在地光资源及光伏板倾角等因素有关。也就是说，你设计了一个光伏发电，设计出力是50MW，而某人开着车拉着它乱跑的话，设计出力是50MW还是5W，就没法保证了，再加上光伏出力本身具有短时随机性，这基本就是个薛定谔的电源了……

第三、柴油发电机可人为改善工作环境。众所周知：极寒、大风、强降雪状态下工作设备容易发生脆变、变形等莫名其妙的问题，柴油发电机可以移入室内，不说用羽绒服包起来，至少不用直接暴露在恶劣的环境当中，而风机、光伏板放到室内还能发电么……

四、智能供电（能源）系统及负荷优先级划分

上面我们明白了问题，当然肯定还是要解决它，假想一下：如果我们要建设一个常年站，主要作为后勤站，要求具备人员常驻基础，辅以一定科考目的，这时候该如何设计？

先梳理大致能源需求，注意在此过程中，我们笼统的描述为“能源需求”而非“电力需求”，主要是为后续拓宽设计思路做准备。至于为什么，后面大家会明白。

1. 供暖，维持室温恒定。
2. 低含氧量地区的供氧循环（如有）。
3. 饮用水融解。
4. 洗澡用水。
5. 日常生活及烹饪
6. 照明
7. 通信
8. 娱乐及运动设施
9. 医疗设施
10. 其他……（大家自己补充）

在上述已明确的9个能源需求中， 我们很容易发现一个问题，就是：它存在优先级区分。

譬如说：洗澡如果没有热水，那么你可以不着急洗澡，再等等，等多久呢？像我这种糙汉子等上个三天五天也没问题；娱乐设施暂时没电了，那么你就忍忍，玩玩手指什么的。诸如此类的需求，我们称之为三级需求。

人不吃不喝，会饿死渴死，但是四五个小时不吃不喝是不会有生命危险的，所以烹饪、饮用水融解，照明的需求，我们称之为2级需求。

再往上的供暖（取决于设计）、供氧、医疗，这些的能源需求刻不容缓，如果需要的时候没有供应，可能会导致人立即死亡。这些我们称之为一级需求。

五、设计工作

思路一：以需求侧管理为核心的智能系统设计

譬如一套风+光为主的发电系统，风大、阳光充足的时候可能出力比较多；风小，阳光不足的时候出力较少，鉴于能源需求在南极是稀缺资源，因此我们放弃发电侧管理的方式（大家都熟悉的以负荷定出力），采取需求侧管理（比较奇怪的以出力定负荷）：

1. 一级负荷的电力始终优先供应，如出力低于一级负荷，则启动备用柴油发电机或蓄电池保证一级负荷的正常工作。
2. 当出力大于一级负荷，且有剩余的时候，判断一级负荷的蓄电池是否充满？如满，则向二级负荷供电，如不满，先充电一级负荷蓄电池，剩余部分再向二级负荷供电。
3. 三级负荷则以此类推。

以上我们说了供应逻辑，可能有些同学还会想到调频逻辑，一级负荷有些是长期工作的（供氧供暖），但也有随机的，而出力不可调节，多出来的能量用去哪里呢？

这个问题也很简单——毕竟热水可以一直烧，饮用水可以一直化啊。

思路二：一切围绕能源进行设计

大家有没有注意到一个现象：抽水蓄能用4度电抽水，只能发出3度电，能源在转化的过程中不可避免存在损耗。既然如此，供暖、饮用水融解和洗澡水加热，是不是直接利用热能就可以，而没必要再经过多次转化？（当然，这里面也存在一个优先级问题）与此同时，洗澡完的热水，是不是又可以用于供暖和饮用水融化？所以说，分析能源来自于哪里，怎么用、怎么回收是第一位的，怎么发电倒是其次的。由于这种设计思路不是隔离各个专业，而是将其综合在一起，因此它更像是是一种生态设计而不是纯粹的电力设计，此处不再赘述……（赘述不出来，本人不懂）

六、题外话

当今世界上有很多难题，其中大部分难题都是经济问题。说直白一点也就是：如果你非常有钱了……好像有些问题又变得不是问题。

比如下面这个科考站，建筑规模都扎心……更别说啥电力供应了。

反观这个科考站，你会觉得：诶（三声），这里就好施展我的毕生绝学了……

所以说，有钱就是硬道理，这种科考站我们也要多修几个，楼上放个停机坪，放几架运输机甚至农业播种机啥的，什么柴油运送困难，补给不方便……不存在的，到时候也不用再纠结供电啥的了。毕竟这人啊，干啥事情还是不要分心，一分心就做不好了。

所以你们都懂我意思了吧？