《可再生能源和混合动力系统在远程分布式特种作战和竞争环境中的应用和适用性》美海军2022最新103页论文

远征军主要依靠柴油发电机来维持关键任务的指挥、控制、通信、计算机、作战系统情报、监视和侦察（C5ISR）以及中小型战术电网的生命支持系统。在支持远程特种作战部队（SOF）和海军陆战队在有争议的环境中的远征行动时，这种依赖性带来了重大的后勤和维护挑战。研究的主要目的是衡量当前或接近市场的储能和光伏充电解决方案的有效性，以增加或取代柴油发电机，支持远征军事行动。次要目标是衡量这些储能和充电解决方案与柴油发电机同步运行对部队燃料消耗的影响，特别是对现有燃料补给计划的影响。这项研究的结论是，现有的和接近市场的可再生能源系统可以有效地与战术柴油发电机整合，并产生足够的能量来满足支持远征军在偏远地区作战所需的相当一部分能源。

满足维持复杂的长途通信网络、战术无线电、指挥、控制、通信、计算机、作战系统情报、监视、侦察（C5ISR）和生命支持系统所需的能源要求，在面临有争议和灰色地带环境中的持续战略竞争时，是一个独特的挑战。支持这些系统的柴油动力战术发电机的运行成本，再加上维护这些系统所需的广泛的后勤基础设施，是非常可观的。自2009年以来，美国（U.S.）国防部（DOD）一直在寻求可再生能源选项，以建立战场上的能源安全。这一努力主要是由2001年至2021年在伊拉克和阿富汗的燃料行动的财政和人力成本驱动的，其中燃料的完全负担率为每加仑15-42美元（Solis 2009），伤亡率为每24个燃料车队发生一次（Wald 2009, 19）。随着国家安全战略（NSS）从西南亚洲的反叛乱转移到南太平洋和东欧的持续战略竞争，强大的后勤管道可能不容易获得，部队的生存能力将基于在有争议的地区实现后勤可持续性的能力。(海军陆战队司令部2021年）。为了在这些环境中开展行动时实现能源安全，需要利用可再生能源。

这项研究旨在研究在混合配置中部署的光伏（PV）锂离子能源解决方案是否会大大延长为传统柴油发电机提供动力的预置燃料供应的运行能力；最终，这种系统是否能够通过光伏太阳能充电解决方案在偏远地区独立维持运行。虽然在战术班、排和连一级对提高能源效率和采用可再生能源的关注有限，但国防部的大部分节能举措都影响了大规模的驻军基础设施。研究的主要目的是衡量当前或接近市场的COTS/GOTS能源储存和光伏充电解决方案的有效性，以增加或取代柴油燃料发电机，支持远征的军事行动。次要目标是衡量COTS/GOTS储能和充电解决方案与柴油发电机同时运行对部队燃料消耗的影响，特别是对现有燃料补给计划的影响。还讨论了前期系统采购成本和生命周期运营成本节约之间的权衡。

为支持本论文，对现有研究和文献的审查表明，现有的大部分工作都集中在大规模实施可再生能源系统，为偏远村庄或大型驻军和远征军事设施供电。审查还确定了相关的行动后报告，详细说明了排到连级单位的设备串、能源需求、发电机功率输出和燃料消耗率。选择的其他资源与电力可再生能源混合优化模型（HOMER）程序有关，该程序用于对COTS/GOTS可再生能源解决方案进行建模和模拟，以及已投入使用的、接近市场的和名义的COTS/GOTS能源解决方案的技术文件。

配置A包括传统的战术发电机，配置B是地面可再生远征能源网络系统（GREENS），该系统目前已作为美国海军陆战队的记录项目投入使用，配置C是移动电动混合电源（MEHPS），该系统正在采购过程中，配置D是一个由通用光伏收集板和特斯拉电源包组成的COTS系统。部队的组成是一个SOF团队大小的元素（部队1），其能源需求由TOC设备串定义，一个USMC连大小的元素（部队2），其能源需求基于COC设备串。每个能源生产配置都在HOMER中建模，并根据两个部队组成所产生的电力需求进行分析。除了分析基于系统规格的电力需求输入外，HOMER还根据位置、季节和历史太阳辐照度数据考虑了环境变量，以预测可再生能源生产。

对评估结果的分析表明，无论是配置B还是配置C都不能产生足够的能量来有效地满足部队1或部队2的100%的动力需求。然而，这两个系统在与战术发电机的混合配置中产生了足够的能量，大大降低了燃料燃烧率，并延长了后勤补给窗口。配置B产生了部队1所需能量的30%，并将燃料补给窗口从10天延长到29天，假设预置了200加仑的燃料储存。虽然配置B只产生部队2所需能量的9%，但假设有3000加仑的预置燃料储存，这就转化为128天的燃料再供应窗口。由于系统目前设计的发电机选项不足，配置C只能与部队1进行评估。配置C的特点是加强了电池存储和自动混合管理系统，同时向TOC提供发电机电源，并用多余的发电机容量为耗尽的电池充电。因此，配置C产生了1号部队所需电力的52.6%，并将燃料补给窗口延长到55天。配置D提供了1号部队所需的100%的电力，消除了燃料再供应的需要，并需要最小的备用发电机基础设施和预置的燃料。尽管2号部队COC设备的电力需求超过了COTS解决方案的能力，但在这种情况下，可再生能源的渗透率相当高，达到56%，将燃料再供应窗口延长到270天。

这项研究的结论是，现有的和即将上市的COTS/GOTS可再生能源系统可以有效地与战术柴油发电机整合，并产生足够的能量来满足支持远征作战所需的相当一部分能源。对燃料消耗的影响证明，即使是9%的名义可再生能源渗透率也能将燃料补给窗口延长56%。本论文中评估的每一个可再生能源系统都可以按比例调整，以更好地适应从特种部队到美国海军陆战队连队规模的部队配置的具体要求。建议对电池组研究、光伏材料和能源管理软件进行额外的投资，以提高旨在支持远征作战的可再生能源系统的影响。