萬眾矚目的2022年北京冬奧會正在進行。冬奧會開幕前夕，在國家電網冀北電力有限公司張北和延慶兩大基地，8位身材輕巧的氫能無人機“電力保鏢”正式上崗，對風機、光伏板、500千伏高壓線路等關鍵輸電場景開展巡檢，保障冬奧期間供電安全。而在這8位“電力保鏢”的背後，有一支來自北京未來科學城“能源谷”的央企“技術天團”。
氫能無人機。商飛北研中心供圖
無人機上崗巡檢電力系統
實現綠色辦奧承諾，本屆北京冬奧會成為史上首個實現100%綠色供電的冬奧會。用張北的風和日光點亮北京的燈，“綠電”如何穿過崇山峻嶺間長達666千米的輸電線路，安然抵達賽區？8位特殊的“電力保鏢”在冬奧會開幕前夕悄然上崗，它們是由中國商飛北京民用飛機技術研究中心研發的複合翼、固定翼、多旋翼3款氫能無人機。“此次正式上崗作業，標誌着新能源無人機從研製期走向示範運行。”中國商飛北研中心總師楊志剛語氣裏透出興奮與期待。
冬奧“綠電”為何要用上無人機護航？楊志剛介紹：“這是針對分佈式能源的特點和巡檢環境的特殊性所想出的對策，以智能新能源飛機服務於新能源電力。”
相比過去無人機巡檢大多隻能搭載相機實現拍照功能，這次的無人機“保鏢”更加智能。飛行平台加裝了中國聯通研究院研發的5G機載終端“彩虹一號”，並搭載了能源谷入駐企業國網智能電網研究院的自主創新技術——巡檢圖像智能識別模型算法，覆蓋輸電巡視場景常見缺陷，實現超視距飛行、人工智能識別能力。
無人機拍攝圖像經過智能識別篩選後，可實時回傳至雲端平台，快速高效地評估圖像是否滿足要求，判斷電網本體和附屬設施是否存在缺陷。“人工智能科技成果和新能源無人機的結合，顛覆了傳統巡檢作業模式，向自動化、主動化的智能運檢模式邁進了一大步。”國網智研院計算所人工智能應用技術研究室副主任吳鵬表示。
兩年研發無人機收穫“大心臟”
新能源無人機能夠翱翔於天際並不容易。首個難關就是要找到能夠適應高空乾冷環境，同時續航時間夠長的環保“大心臟”。為此，“能源谷”中的另一家央企——國家電投集團氫能科技發展有限公司加入進來，自主研發了“氫騰”3.2千瓦空冷燃料電池系統。
“高空的温度在零下40攝氏度，而且空氣非常乾燥，為了讓氫燃料電池在這種極端環境下可以工作，我們首要的工作就是研發適合無人機使用的膜電極，首選鈦合金和碳纖維等輕質材料。”國家電投集團氫能公司首席技術官柴茂榮介紹。從2018年參與到氫能無人機項目開始，柴茂榮帶領團隊一頭扎進實驗室，研發篩選了300餘種材料，終於找到了合適的材料讓氫燃料電池突破乾冷環境帶來的瓶頸。
“相比汽車使用的氫燃料電池，無人機的氫燃料電池要求重量能量密度和功率密度都更高，雙極板、端板都需要採用輕質材料。為了減輕電池重量，我們採用了空氣冷卻技術，讓電池變得更輕。”柴茂榮介紹，目前，“氫騰”電池系統在功率密度、使用循環壽命等方面處於國際先進水平，系統能量密度達到850wh/Kg（含儲氫瓶），並且可根據實際應用場景進行功率定製。與傳統無人機相比，氫動力無人機具備了重量輕、振動小、噪音低、零碳排放等優勢，並且突破了低温、續航等瓶頸，固定翼狀態超過24小時續航，山高路遠、嚴冬高寒都不在話下。
未來科學城央企組成“技術天團”
隨着冬奧會的舉辦，為不干擾比賽進行，如今氫能無人機暫時休息，計劃將在冬殘奧會開幕式前再次出動，巡檢電力系統。在這8位“空中保鏢”的背後，有來自未來科學城“能源谷”的一支央企“技術天團”作為後盾。
未來科學城能源谷。未來科學城供圖
“這次氫能無人機項目，我們用的都是創新型技術，大家靠着一股‘不服輸’的信念在研發，也團結了很多力量。”來自中國商飛北研中心的項目負責人、項目預研總師張馳坦言。
多家央企一起協同創新，始於一次區域創新交流活動中的“火花”碰撞。北京未來科學城產業發展公司通過搭建“產業發展跨界融合”大講堂交流平台，促成了中國商飛北研中心與國家電投集團氫能公司在大飛機燃料電池應用領域達成合作。2019年，雙方簽署戰略合作框架協議，之後在北京市的支持下，發揮各自優勢開展以氫燃料電池為主的混合動力新能源飛行器開發及動力系統集成工作。此後，國網智研院等單位也加入其中。
回顧整個無人機項目的研發歷程，張馳感慨萬千。2019年起，項目團隊提出“3+1+N”的目標實現路徑，將總體目標分解為三期：第一年，研製以燃料電池為動力的3款新能源飛機；第二年，搭建1個智能網聯平台；第三年，把產品和技術推向示範，以冬奧期間示範運行為應用場景，服務於電力巡線、電塔巡檢、安防監視、綜合應用等新能源電力系統保障的多種場景。