地球的南极与北极地区被称为“极区”或“极地”,分别位于地球的最南、最北两端。虽然极区相对地理位置偏远、封闭,但是极区会对全球环境的变化产生巨大影响,直接与人类生存息息相关。在极区气候快速变化的趋势下,人类需要提高对极区在全球气候系统中的作用与影响的认识,对极区海冰、冰盖、大气、海洋等进行全方位研究。现阶段极区现场观测数据的获取存在极大的挑战,主要依赖于常年考察站有人值守观测以及小型自动设备的无人观测。在南极大陆上的各国考察站,无论是夏季考察站还是具有保障考察队员越冬的常年站,站区的科研设备运行、常规照明、房屋供暖、日常饮用水净化、废物处理等过程,以及后勤保障中飞机、陆基车辆、雪地摩托、工程机械等动力均需大量能源供给。南极大陆地理位置偏远,崩解的冰川、覆盖在南大洋上的海冰以及特殊的极夜现象,导致考察站在南极冬季漫长的几个月中处于孤立的状态,人类无法进入南极。对于小型自动设备的供电主要依靠电池技术,但是极区长期低温的环境对电池性能影响较大,而且考察站与小型自动设备的运行过程均对极区环境产生影响。因此,在极区使用可持续的清洁能源的新需求应运而生。但是面向极区可再生能源发电技术与装置的研究依然处于起步阶段,研究高效可行的极区可再生能源关键技术与运行策略已成为国家极地考察建设的重大科研课题。本文通过对极区可再生能源供电系统现阶段研究进展以及发展趋势的深入调研,围绕极区自动设备以及南极中山站站区用电需求,利用可再生能源技术,对中国南极中山站可再生能源供电系统以及极区小型装备供电系统进行研究,以解决极端环境的能源供应难题,降低人类活动对极区生态环境的影响。本研究成果对提升人类在南北极地区进行科学考察活动的保障能力具有重要意义,而且对进一步研究极区气候变化对全球气候的反馈具有积极的推动与促进作用。本文完成的特色及独创性的工作概括如下:(1)基于极区复杂多变的极端环境特点,针对极端天气下考察站应用可再生能源发电的可靠性问题,提出了一种考虑极端天气的极区可再生能源供电系统能量匹配方法,为极区考察站可再生能源供电系统的建设提供了科学依据。该方法考虑低温环境下极昼、极夜现象对可再生能源供电系统的影响,将极区风机叶片覆冰生长消融模型嵌入能量匹配中,提出了相应的能量匹配算法,结合不同规格的风力发电机与光伏阵列的组合,获得优化配置。引入技术可靠性与经济性两个指标,可以有效评估可再生能源供电系统组合配置的结果,为极区可再生能源供电系统的研究与设计提供有效的分析手段与方法。根据技术可靠性指标来看,不同规格的风力发电机与光伏阵列的组合均可达到要求;从经济学指标来看,额定功率较大的风力发电机带来较小的用电成本以及较短的回收周期。(2)我国南极中山站曾建设风-光独立供电测试系统,存在极昼极夜下供电可靠性较低、维护成本高、不能直接用于整个站区供电等问题。针对以上问题,基于现阶段中国南极中山站传统能源供电系统,本课题提出了中山站混合能源供电系统的概念,为从传统能源向100%可再生能源发电的良好过渡提供了可能。中山站混合能源供电系统供电方面以可再生能源作为主要电能供应方式,柴油发电机辅助;供热方面以电热器作为热能供应主要方式,柴油发电废热利用为辅助,且建筑之间可通过管线共享热能。提出了中山站混合能源供电系统多目标优化调度与建模方法,该多目标调度模型以调度期内电力损失率、能源成本以及二氧化碳排放量加权之和最小为目标,在整个调度期内保持目标的一致性,并考虑了覆冰对风力发电效率的影响。结果表明,多目标优化调度与建模方法经过仿真验证,能够可靠稳定实现中山站现有负荷下全年供电,引入可再生能源可以降低传统发电模式带来的温室气体排放,以电加热为主废热利用为辅的供热模式,对未来中国南极中山站实际调度运行具有一定参考意义,为极区含可再生能源的电力系统的建设提供了一种新思路。(3)针对极区小型装备供电系统中储能电池长期暴露于低温环境导致其放电效率大大降低的问题,本课题基于理论分析与模拟试验研究,研究分析了低温下(-50°C至20°C)储能铅酸蓄电池的特性规律,包括电池容量的温度特性以及电池容量的倍率特性。基于电池容量温度特性的低温试验结果,建立了低温环境下储能电池的开路电压-剩余容量的相关性模型,并将模型扩展至连续温度区间。基于电池容量倍率特性的低温试验结果,提出了低温下极区小型装备供电系统的充电策略,以降低低温环境对于供电系统运行的不利影响。(4)针对极区低温环境对供电系统检测电路与ADC电路性能的潜在影响,对极区小型装备供电系统的风-光混合充电电路进行低温性能的试验研究。基于试验结果,为极区小型装备供电系统设计了一种基于模型预测的低温下电路输出校正算法。该算法可以校正电路的输出,使电路输出量的误差在低温环境下(-50°C至30°C)保持在0.0061A至0.0015A之间,确保了系统的运行效果以及可靠性。光伏阵列以及风力发电机在南极的运行稳定,表明可再生能源在极区小型供电系统中具有应用潜力;极区小型装备供电系统的电池SOC的范围在40%至100%之间,大部分时间处于90%至100%的高容量水平,有助于延长电池寿命并保证高能效。南极试验结果表明了极区小型装备供电系统的适用性,验证了设计方案的可用性,表明本研究所设计极区小型装备供电系统可以用于支撑自动观测系统的实际需求。