美国单兵装备再突破 太阳能技术能直接穿在身上

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　　美国“陆军技术”网站2013年11月25日发表了格兰特礠楲布尔的文章：Wearable solar cells for soldiers: Running out of energy？。文章指出，虽然世界各国都在大力发展可穿戴式太阳能技术，但是由于缺乏国际合作机制，该项目进展缓慢。目前美国、英国和澳大利亚在这一领域居于世界领先地位，并分别取得了一定的突破。但作者认为，这一技术要想得到广泛应用至少还需要10年时间。文章编译如下：

　　世界各地的防务组织为了开发可穿戴式太阳能技术已经耗资数百万美元，这一技术将为战地士兵的充电电池提供持续的能量之源，而且士兵们将不再需要携带大量沉重的备件。但是战地士兵什么时候才能真正受惠于穿戴式太阳能技术呢？

　　气候变化的影响以及有限的天然资源是我们这个时代面临的最大挑战。能源的大量消耗不仅耗费了巨额资金，而且还会对环境造成破坏，这些问题已经引起了各国政府、企业和民众的关注。

　　世界各国的军队都在试图减少能源消耗并且更加专注于发展可再生能源技术。据美国国防部提供的资料，美军在2012年消耗的液体燃料估计价值164亿美元。预计今年的液体燃料消耗价值将增加至170亿美元。

　　美国军方超过一半的液体燃料依靠进口。成本的限制和自然资源的稀缺性交织在一起，不但令许多美国规划人员深感忧虑，其他拥有大规模国防力量的国家，例如英国和澳大利亚也同样如此。

　　为了解决美军的能源消费问题，美国国防部在2011年发布了《作战能源战略》（Operational Energy Strategy）。美军希望通过使用可再生能源，使军队具有更强的适应性和灵活性。

　　这项技术的最新进展是将光伏太阳能电池集成到士兵的单兵装备和制服上。电池集成到经常使用的背包和头盔上，可以在战地不断地为士兵补充能量。尽管军方在这一领域已经取得了显著的进步，但挑战依然存在。

　　穿戴式太阳能技术的优势

　　专家称，通过太阳能为电池充电，可以显著地减轻士兵的载荷重量，因为他们不需要携带大量的备用电池。

　　“现代步兵越来越依赖于电力，然而，电池和其他能源存储系统只能提供有限的能量，”澳大利亚国立大学可持续能源系统中心（Centre for Sustainable Energy Systems，CSES）业务发展经理伊戈尔斯克里亚宾（Igor Skryabin）解释说，“从环境中获取能量是一种可行的选项，并且没有任何其他形式的能量可以与太阳能相匹敌。”

　　可持续能源系统中心已与澳大利亚国防科学与技术组织（DSTO）合作，开发出军用薄片太阳能电池（SLIVER solar cell）模块。这些太阳能电池非常薄且非常柔软，具有极高的功率重量比，能够根据各种复杂的形状而重塑，例如头盔。2014年初，澳大利亚国防部将对改进的模块进行验证。

　　斯克里亚宾认为，目前可穿戴式太阳能技术的发展缺乏国际合作。“不同国家的独立研发会导致闭门造车的现象，自然，其进度也无法与汇集国际精英的合作项目相比。更多的合作必将加快可穿戴太阳能电池技术的进展，”他补充道。

　　发展可穿戴技术没有什么科学依据吗？

　　2011年，英国的国防科学与技术实验室（DSTL）公布了自己的名为“太阳能士兵”（Solar Soldier）的可穿戴式太阳能项目。通过与一些英国大学的合作，该项目将可穿戴式太阳能光伏电池与热电装置相结合，为士兵提供“二十四小时”电能。

　　2011年12月，“太阳能士兵”项目完成，此后英国国防部在这一领域再无任何动作。国防科学与技术实验室发言人在接受陆军技术网站采访时说，该项目的主要目标之一是评估太阳能带来的好处，同时也发现存在的弊端。

　　“在一些情况下，太阳能电池板的好处可能会被电缆或者能够为电池补充能量的充电器所抵消，特别是如果士兵正在执行一个短期任务，几乎没有时间去利用更多能量的情况下，”国防科学与技术实验室发言人解释说。

　　“对于一些能够在阳光充足的条件下执行的长期任务，这一技术对非关键设备的好处就会体现出来，”他继续说。“但是，目前的穿戴式太阳能电池的性能水平还不足以减少任务关键装备所需的备用电池数量。这项技术在未来得到改进后将很有可能在‘未来士兵系统’发挥更大的效用。”

　　海军陆战队简易巡逻系统：一个以美国为首的可穿戴式太阳能计划

　　这种在阳光充足条件下执行长期任务时获取能量的能力，对于步兵部队，例如，美国的海军陆战队可能用处很大。海军陆战队的士兵们的巡逻任务经常持续数周，而不是数天，没有办法为无线电台和其他装备充电。这意味着他们必须携带大量的个人载荷，有时甚至重达70千克。

　　之所以需要这么多装备，是因为指挥官们都必须确保他们的士兵在紧急情况下或变更任务时有足够的冗余装备，即所谓的“安全系数”。

　　“当你没有办法以任何方式获取能量时，你最终将使用计划中的安全系数，”美国海军陆战队上尉弗兰克弗曼说，“当需要4节电池的时候，我将携带6节或者8节电池，因为这将给我带来所需要的安全感。”

　　弗曼上尉现在是海军研究局远征机动作战和抗击恐怖主义处（Naval Research's Expeditionary Maneuver Warfare and Combating Terrorism Department）后勤项目主管，该机构总部设在弗吉尼亚州阿灵顿。作为一名海军陆战队军官，他有着渊博的知识和敏锐的洞察力，再加上接受过应用物理学研究生教育，所以他成为了研发新一代穿戴式太阳能设备——即所谓的海军陆战队简易巡逻系统（Marine Austere Patrolling System，MAPS）——的最佳人选。

　　海上简易巡逻系统包括一张坚固耐用且柔软的太阳能面板，能提供大约30％的效能，并且只有一张纸大小。在10月份，第5海军陆战团第1营在加利福尼亚州山地作战训练中心现场测试过程中使用了海上简易巡逻系统。

　　克服可穿戴式太阳能在财政紧缩时代的挑战

　　“海军陆战队员们很快就适应了新技术。”弗曼说，“得到的反馈信息总体上非常积极，太阳能电池板性能良好，并减少了他们的电池需求。”

　　海军陆战队的官员承认，可穿戴式太阳能的发展环境充满挑战，这意味着该项目将经历一种渐进式的，而不是革命性的发展过程。国防预算削减，特别是研究开发经费的削减，意味着更多的军队专注于研发军队需要的关键技术。

　　“军队对于投资这一领域没有太多的兴趣，原因主要有两个：第一，民营企业正在年复一年的改进太阳能技术；第二，我们在阿富汗的作战行动已经接近尾声，下一次军事行动在什么地方展开还存在着很大的不确定性。”

　　那么，会不会有一天，美军将订购成千上万套可穿戴式太阳能装备呢？“我们相信这一天肯定会到来，但不是现在，”弗曼说。“我怀疑你会看到一些特殊应用，比方说，未来几年特种部队将应用这一技术，事实上，特种部队已经在某种程度上应用了这一技术。但要广泛的采用穿戴式太阳能技术，我觉得我们可能还要再等10年时间。”

　　克隆商业性的太阳能创新技术

　　随着军方的关注点从非关键技术转移，我们可能会进入一个由越来越多的商业部门和学术机构主导的可穿戴式太阳能技术创新的时代。大型的静态设施太阳能技术的发展已经卓有成效。

　　荷兰的“可穿戴式太阳能”项目就是商业驱动的范例，这一项目由Gelderland Valoriseert公司的克里斯蒂安霍兰德（Christiaan Holland）主导，并得到奈梅亨大应用科学系学生的协助。2013年6月荷兰推出了一款适合日常穿着的太阳能充电连衣裙和外套。这些衣服是由宝琳范东恩（ Pauline van Dongen）设计，太阳能电池板是专业军士格特栠≧约恩格丹（Gert Jan Jongerdan）博士设计。

　　外套设计时在衣服口袋盖上嵌入了柔性太阳能电池，当阳光照耀时，口袋盖可以展开。

　　“这些原型设备运作良好，”可穿戴太阳能及能量存储专家杨约恩格丹说。“我们的主要目标是制定一种解决方案，使这种太阳能充电服在一个小时之内为你手机充满电。当然，我们希望在经济可承受性、舒适度、耐穿性以及输出性能之间达到一种平衡。”

　　该项目涉及两种刚性晶圆技术的测试，这通常应用于较大的太阳能电池板和柔软的薄膜电池。杨约恩格丹说，目前这两种技术发展良好，非晶硅在舒适度方面较为理想，但缺乏输出功率。

　　可穿戴式太阳能技术是走向繁荣还是走向萧条？

　　至于在商业领域对于可穿戴式太阳能的需求，杨约恩格丹持谨慎乐观态度。“军方以外的市场仍然疲弱。根据我的经验，军队仍然是最重要的部门，他们大多是针对特定士兵的要求开发专用项目。”

　　尽管进展缓慢，但在商业和军事机构都对穿戴式太阳能技术保持着浓厚的兴趣。

　　对于军方来说，技术的可靠性必须是第一位的，因为它将为无线电和导航设备之类的装备供电，这些装备对于士兵的生存至关重要。一个标准的可穿戴式太阳能单兵装备，应该是低成本、高需求和高输出功率的完美结合，但目前所有这些都还没有实现。

　　来源：搜狐军事