解析美军供电保障现状与效能提高措施

现代战争中，各级指挥控制平台、各类武器系统和各种单兵装备信息化程度不断提升，数量不断增加，对电能的需求持续增加。离开了电，军队行动将无法正常实施，供电保障将直接对整个战场态势造成影响。因此，发供电装备和配电网络成为了军队后勤保障的重点和难点。

美国国防部是美国最大的能源消耗者，也是世界上最大的能源消耗机构。美国的能源消耗主要由军事行动能源消费（占74%，主要通过燃油获取）和军事设施能源消耗（占26%，主要通过电网获取）组成。其中，军事行动用电主要是指为维持军队正训练、部署、推进和武器平台正常运行所需要的电能，主要通过燃油式发电机组保障；军事设施用电主要是指为确保军事基地、码头、港口、航站、营区等固定军事设施正常运转所需的电能，主要通过商业电网保障。2010年共消耗819万亿BTU（英热单位，1BTU约等于1054焦耳）能量，其中石油占80%，达到1.25亿桶，超过世界82%国家的石油消耗量。预计在下一个10年里美军将在石油和电力消耗上花费1500亿美元，其中，电能消耗占国防部总能源消耗量的12%左右。另外，发电机组的燃料消耗平时只占军方总能源消耗量的2%或3%，但在战时会激增至22%。

近年来，为了缓解国防部的能源压力和减少能源开支费用，寻找可靠、高效、灵活和独立性强的供电保障途径，美军一直保持了对先进供配电装备和方式的较大投入，并取了一定的成绩，但是离美军的预期目标存在一定的差距。

　　美国国防部是美国最大的能源消耗者，也是世界上最大的能源消耗机构

美军供电保障现状

美军军事行动过程中的供电保障现状

美军军事行动用电主要依靠移动电源进行保障。目前，美军主要采用列装的战术静音发电机组和电池进行供电。目前，主要存在以下问题：

第一，发电机效率低、供电网络结构不合理。早在十多年前美军就开始对新型战术静音发电机组研制，并在过去的10年内为部队装备了61000多台用于取代当时装备了20多年的发电机组，其功率等级从小型的3千瓦到中型的5、10、15千瓦再到大型的100、200千瓦。但是，战术静音发电机由于注重特殊的使用环境，发电机效率、噪音和热辐射方面存在较大的发展空间，随着国防部能源压力的逐年增大，对高效发电机组的追求越来越紧迫。另外，美军利用发电机组进行供电时，采用单台发电机组单独对特定建筑物或负载进行供电，发电机功率与负载匹配较差，经常出现“大马拉小车”的现象，导致发电机利率低，造成了巨大浪费。

第二，燃料补给困难，后勤保障负担过于重。随着美军多样化、全球化军事任务的增加，作战范围涉及世界各地，在海外开辟战场和基地不断增加，燃料补给成为后勤保障中的最大难题。在阿富汗和伊拉克战争中，美军其开设各类战术指挥所和大小前进基地约400处，要维持这些挥指所和基地正常运转，必须保证每月平均2.57亿升油料。而这当中耗油量最大且不能中断的“油老虎”是为通信、指挥系统以及生活用电提供能量的发电机组。后勤系统占用了美国国防部1/2的人员，花费了1/3 的国防部预算，其中燃料的运输使用整个军队运力超过了50%。

第三，安全风险巨大，交通运输费用较昂贵。巨大的燃料需求必须大量的运输车辆和人员进行保障。由于燃料本身属于危险品，使燃料保障队伍成为敌军攻击的首选目标和后勤保障的薄弱环节，也是美军伤亡人数较多的部门。在2011年美国国防部关于战场能源策略的报告中指出：在阿富汗和伊拉克战场上，运输燃油和水的队伍在2003年到2007年间，伤亡超过了3000人，仅2010年就遭受袭击1100多次。由于燃料补给路线长、战场环境恶劣、运输工具自身燃油消耗和人员费用等隐藏费用，导致到达前沿基地和指挥所的燃料的价格远大于其本身的采购价格。在阿富汗战场，燃料的采购价格为每加仑1美元，但被运送到一些前线基地时可能增加至400美元，如果采用空运方式，其费用将是陆运的10倍。

　　美军军事行动用电主要依靠移动电源进行保障

第四，单兵装备沉重，战场补充困难。美军单兵供电采用电池进行保障。随着美军单兵装备数量不断增加，电子设备对电能的需求日益增大，导致士兵在执行任务时电池负重就占到20%。根据2011年美国国防部报告，阿富汗战争中美军士兵执行平时的巡逻任务，三天时间要携带超过33块电池，重量超过4.5千克。到2012年执行同样的任务，携带电池数量将超过50块，重量将近8千克。在战场环境下，海军陆战军队对电量的需求量急剧上升，仅无线设备电能需求就增加了2.5倍，电脑用电需求增加了3倍。另外，目前美军装备的电池为一次性锂电池和可充电锂电池，均存在不适合战场环境的要求。一次性锂电池必须在部队出发前尽最大能力携带，在使用中一旦电压不足就立即更换丢弃，因此电池利用率很低，造成巨大浪费；可充电锂电池如果要保持高密度效率，则必须定期充放电，但电网往往是敌军攻击的重要目标，在战场上方便稳定的电网基本不存在，要想及时进行电能的补充是十分困难的。 美军固定军事设施供电保障现状

美国国防部管理的军事设施或基地超过500个，建筑物超过50万栋，面各达22亿平方英尺，每年消耗的电能占国防部总能量的12%。美军固定军事设施99%的电能来自于商业电网，在一份由美国桑迪亚国家实验室出具的关于能源部和国防部重要任务能源安全保障报告中指出，采用地方电网对军事基地进行供电保障缺乏有效的供电安全措施和可靠保障策略。尽管美国电网具有较高可靠性，但目前电网老化严重，不适合新型技术的应用，且在自然灾害和恐怖袭击时容易受损。目前，美军固定军事基地采用商业电网供电存在问题主要存在以下问题：

第一，供电中断频率高，备用电源效率低。据统计，在美国本土的一些军事基地每年电力中断频率达300次；军事基地备用电源及时启动性和维护较差，备用电源正常启动成功率在60%左右；备用电源设计安全系数不合理，只对特定的建筑物或设备，利用率低。

第二，供电网络结构不合理。尽管径向电网具有冗余设计，但是电网之间相互独立，无法进行及时互补，导致出现有力使不上的情况。

第三，基地变电站不属于基地的控制，不能及时断开故障点，从而单点的故障可能导致整个基地电网的全面瘫痪的问题。

第四，缺乏对关键负载和能源需求变化的认识，不能及时满足负载需求变化，从而导致供电可靠性和效率下降。

为了提高供电保障可靠性和灵活性、降低对化石能源的依赖性、提高战场生存能力、轻减国防部关于能源供给压力和后勤保障负担，美军投入了大量的经费对高效和新型的供电保障装备和方式进行了研究，采取的措施主要包括提高供配电装置效率、减少电能浪费和研制新能源发电装置等。

　　近年来，美军逐步加大对于可再生能源发电的研发投入力度

美军供电保障效能提高的措施

提高保障效率

第一，先进移动电站的研制。在战场上，发电机组是最大的燃料消耗者，美军共装备发电机组12.5万台，平均每年将消耗3.57亿加仑油料，美军为这些发电机组运行支付的费用高达35亿~50亿美元，只要稍微提高发电机组效率就能为美军节省巨额的国防费用。美军一直保持了对高效发电机组研制的较大投入，美国国防科技委员会在2008年关于国防能源战略的报告中表达了美军战场对高效移动电源的迫切需求。先进中型移动电源（AMMPS）是美军最新研制的产品，从2010年开始美军开始采用这种新型的移动电源取代老化的战术静音发电机组。在性能方面，AMMPS与功率等级相同的战术静音发电机组比较，燃油效率提高了21%、重量减轻25%、零件总数减少30%、无故障运行时间延长25%~150%、中修时间由原来的1.5小时缩短为0.5小时。

　　随着美军单兵装备数量不断增加，电子设备对电能的需求日益增大，导致士兵在执行任务时电池负重就占到20%

第二，发电机并列技术的应用。美军通过采用发电机并列运行技术对供电装备与用电负载间进行合理匹配，提高发电机组进行效率和利用率。据有关数据显示，在阿富汗和伊拉克战场上，用于发电机组燃料的效率低于40%，基本营区的供电效率仅为10%。目前，发电机组运行处于“独立模式”，即运行的发电机组相互间没有联系，在单个军事设施内存在多个独立的电网。由于发电机是按照最大负载需求设计，然而在使用时大多情况下运行在轻载状态下，从而导致发电机组效率下降。利用发电机并列技术，确保发电机组运行在最佳工作状态，可为部队节省燃料40%以上。

第三，微电网技术的应用。微电网是由分布式电源、储能装置、保护装置汇集组成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，可以与外部电网并网运行，也可以独立运行。微电网具有供电可靠性高、污染少、能源利用率高和能兼容可再生能源发电装备的优势。美军已经陆续在一些军事基地和前线指挥所进行了微电网的应用，如海军陆战队位于加利福尼亚南部的棕榈基地和位于科罗拉多州的卡森堡基地等。由于受到大量国防部微电网工程项目的牵引，2010年美军微电网市场份额达到40亿美元。市场分析专家认为，2013年国防部微电网占美国微电网市场的15%，到2020年军用微电网市场份额将增长375%。 减少电能浪费

美军国防部为节省能源开支、提高能源安全度，早在2005年就制定了能源节约的目标：2005~2015年间，美军的能源消耗将逐年减少3%，到2015年可减少30%。其中，减少电能浪费对实现国防部制定的节能目标的实现具有重要作用。

第一，节能灯具的普及。照明用电是日常用电最主要，也是电能消耗最大的类型之一，国防部在照明上每年花费4000万美元。到目前为止，美军仍在大量采购和使用白炽灯，对电能造成了极大的浪费，这也引起了国防部相关部门的高度重视，并大力提倡和鼓励使用节能灯和LED等高效照明灯具。节能灯能量消耗是白炽灯25%，使用寿命是白炽灯的10倍，散发的热量是白炽灯的25%，每一个节能灯从安装使用到报废能为美军节省30美元。2009年，美军本土的64个空军基地展开节省竞赛，采用节能灯替换当时仍在使用白炽灯；美军查尔斯顿空军基地投入5000美元为1000个军人家庭更换了节能灯，据估计，这批灯泡报废时将为基地节省43254美元；从2008年世界地球日开始，美空军一年时间内共更换了228000多个节能灯，将节省750万美元，并减少数百万千克温室气体的产生。此外，随着LED技术的成熟，其在室内照明方向的应用前景开始受到美军的青睐，由于LED灯消耗的能量仅约为节能灯的40%。文图拉县海军基地更换1084套LED灯具，在灯泡的使用寿命结束时，整个项目将减少二氧化碳的排放228吨，节省电费45500美元。

第二，智能控制技术的应用。为了提高节能效率，美军对无线自动控制灯具进行了研制，将红外线传感技术、超声波传感技术和感光传感技术等应用于灯具的自动控制，及时的对灯具进行自动开关，并且教育官兵及时关闭用电设备（如电脑、空调等），从而达到节能目的。在美军军人家庭用电节能方面，采用货币激励方式，为每个家庭划分标准，如果家庭用电量低于规定标准，将得到实际用电量与标准值间的差额奖励，如果用电量超出规定，将支付多超出电能部分的电费。在目前实施的41个试点，80%的军人家庭都获得奖励。

　　太阳能是美军利用规模最大的一种可再生能源，形式包括光伏发电和太阳能热量利用 可再生能源及新能源发电技术应用

第一次能源危机爆发后，美军就一直致力于寻找化石能源的替代者，开发利用多种能源，尤其是可再生能源的利用，成为美军缓解能源压力的必然选择。近年来，美国国防部对可再生能源投入逐年上升，到2015年将达到30亿美元，到2030年将会达到100亿美元，并在颁布的《国防授权法案规定》中规定：到2010年美军的电力供应将有10%来自于可再生能源；到2025年，美军的电力供应将有25%来自于可再生能源。实际上，到2010年为止，美军全部的电力供应有9.6%（陆军：5.6%、空军：8.1%、海军：18.5%）来自于可再生能源，接近于国防部制定的目标。目前，美军国防部拥有可再生能源项目超过450个，主要包括太阳能、风能、地热能和燃料电池等发电形式。

第一，太阳能的利用。太阳能是美军利用规模最大的一种可再生能源，形式包括光伏发电和太阳能热量利用。美军对太阳能的利用主要采用研建大规模的光伏电站和便携式光伏发电装置和方式。目前，美军建设完成和在建的大型光伏电站有：内华达州的内利斯空军基地建成的14.2兆瓦光伏电站是美国已建成最大的工程，为基地提供了28%的电力供应，每月可节省开支8.2万美元，一年减少二氧化碳排放量2.4万吨，美军还将在现有基础上再建17兆瓦光伏电站；美空军2010年在加利福尼亚爱德华兹空军基地建造了440兆瓦光伏电站，为基地提供全部的电力供应；2009年美陆军与能源安全伙伴签署合同，将在加利福尼亚欧文堡基地投资20亿美元建设500兆瓦太阳能电站，以满足整个基地的电能需求，目前计划将该电站扩容至1000兆瓦，届时将成为美国最大的光伏电站；美国海军陆战队将在彭德尔顿兵营建设1.5兆瓦的光伏电站为营地进行供电保障；海军将在加利福尼亚的科罗纳多海军基地建造500千瓦光伏一体化建筑。在便携式光伏发电装置方面，美军研制的装备有的太阳能帐篷、便携式光伏充电器、混合式移动供电系统、便携式可再生能源混合发电系统等。2010年秋天部署到阿富汗战场的美国海军陆战队第5团3营利用光伏发电为两个巡逻基地的所有用电设备提供了保障，使其中一个基地的发电机燃油消耗量由每天的20加仑降低至2.5加仑。同时，对徒步巡逻队的电子设备提供为期三周的电能保障，可为士兵减少约320千克的负重。在太阳能利用方面，美军正朝着建设大规模（250兆瓦~1000兆瓦）光伏电站进行集中供电趋势发展，并且正加紧研制高转换效率的太阳能电池，其转换效率有望达到50%，现在已取得了42%的高转换率。

第二，风能的利用。风能发电主要应用于美军的本土和海外的固定军事基地和设施。美军对风能的应用最早是在1996年。由于地处僻远，运输费用昂贵，美国空军在英属阿森松岛的空军基地安装了4台式225千瓦风力发电机组，为基地进行电力供应，在运行的前4个月共发电100万度，风力发电机组平均每年产生250万度电，节省燃油近30万加仑，平均每年节约35万美元。在美军本土，犹他州的图埃勒县陆军仓库安装了陆军的第一台风力发电机组，额定功率为1.5兆瓦，每年将为其节省20万美元的发电费用。美国海军陆战军在加利福尼亚巴斯托华后勤基地安装了1.5兆瓦的风力发电机组。海军分别在关塔那摩湾基地和圣克莱门特岛安装了3.8兆瓦和675千瓦的风力发电设施。另外，小型风力发电设备被应用于便携式的可再生能源混合发电系统中。

　　美军通过采用发电机并列运行技术对供电装备与用电负载间进行合理匹配，提高发电机组进行效率和利用率

第三，燃料电池的研制。燃料电池是美军缓解电能需求压力、为士兵和后勤减负的重要手段。燃料电池以效率高、能量密度高、噪声低、可靠性高和污染低等特点受到美军的青睐。分为可携带燃料电池（1~500瓦）和固定式辅助燃料电池（500瓦~10千瓦），可应用于单兵电子设备、固定军事设施基地和军用车辆等。在便携式电源中应用最多的为sub-50W和sub-250W两种型号。sub-50W能在较宽的温度范围内运行，比传统电池轻70%。sub-250W用于中型的充电装置、无人飞行器和战术卫星无线电系统。据估计，用燃料电池代替现役蓄电池组，每年可节省10万块电池和2000万美元。

第四，其它新能源的利用。潮汐能、地热能和垃圾发电等新能源在美军得到应用。美国海军陆战军在夏威夷基地建立的首个并网型潮汐能发电站；陆军在乔治亚州本宁堡建立的250千瓦垃圾发电站；海军陆战队也建立了3.4兆瓦垃圾发电站；海军在加利福尼亚州中国湖基地建立了270兆瓦的地热能发电站。

美国国防部为了提高国家能源安全度、提高军用电力保障的可靠性和效率、缓解战场供电压力，采用了提高装置备效率、减少电能浪费和利用新能源发电等措施，不仅达到了预期的目的、节省了部队开支，也减少了对环境的破坏。这已经成为了世界各国军队学习的榜样，也是未来各国军用电力保障的发展方向。(编辑：廖南杰)作者：毛龙波 王维俊 米红菊 张国平