內河多功能航標供電系統研究＊

范愛龍 毛 喆 桑凌志

（武漢理工大學智能交通系統研究中心1） 武漢 430063） （水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心2） 武漢 430063） （交通運輸部水上交通安全與防污染研發基地3） 武漢 430063）

0 引 言

航標是以促進船舶和水上交通安全為目的而設計的、在船舶之外運行的一種裝置或系統［1］.隨著傳感技術、信息傳輸技術的不斷引入，航標的功能正變得越來越豐富.新型的多功能航標除了具有傳統的助航功能外，還集成了多種傳感器，用于實時的采集航標周圍的氣象水文以及航標狀態等相關信息［2］.當前的多功能航標，大多采用了太陽能電池與蓄電池組合供電的方式.但由于我國內河流域濕度大，霧氣重，特別是冬季，連續的霧霾天氣，容易導致多功能航標系統因供電不足而無法正常工作，供電系統逐漸成為內河多功能航標發展的瓶頸.

內河航標供電，可選擇的發電方式有太陽能發電、風力發電、水流發電等清潔能源發電［3］.從各種發電技術的可靠性角度考慮，本文采用風能太陽能互補的供電模式.當前已經有許多風光互補系統應用示范，如風光互補路燈、風光互補獨立供電電源、風光互補通信站、風光互補水泵、風光互補建筑和風光互補日用產品等［4］.由于航標工作環境的特殊性，使得航標供電系統的設計不同于岸上，本文設計了一種適合于水上工作環境的風光互補供電系統.

1 多功能航標功耗

多功能航標用電設備主要分為2大類：航標燈和各類標載傳感及通信設備.由于航標燈的供電安全關系到船舶的行駛安全，其日常的電力供給與維護由航道管理部門負責.在工程實際應用中，應將標載設備的供電在設計時獨立于航標燈的供電.表1列出了多功能航標主要的用電設備工作時的電流值.

表1 多功能航標用電設備工作電流值 mA

由表1可知，多功能航標系統工作時的峰值電流I＝2 019mA.已知系統的工作電壓U＝12 V，由此可算出多功能航標系統負載總功率為：

多功能航標系統用電需求大，為了保障航標的供電穩定，建立起風能、太陽能互補的多功能航標供電系統.各個模塊的設計需要能夠匹配多功能航標系統的功耗，以保障多功能航標的正常工作.

2 供電系統設計

2.1 供電系統組成

風光互補供電系統由小型風力發電機、太陽能電池、蓄電池組、逆變器和控制器等部分組成［5］.多功能航標用電設備使用直流電，因此本系統中不使用逆變器.圖1為風光互補發電的多功能航標供電系統組成框圖.

圖1 多功能航標供電系統組成框圖

2.2 蓄電池

蓄電池是供電系統中非常重要的組成部分，在獨立運行的供電系統中同時起著能量存儲和調節電能的作用［6］.它將風力發電機、太陽能電池輸出的電能轉化為化學能儲存起來，供電能不足時使用.蓄電池容量的大小與系統的負載以及蓄電池的自給時長等有關，在工程應用中可由下式計算出：

式中：C為蓄電池容量，A·h；T為自給時長，h；P為負載總功率，W；U 為蓄電池工作電壓，V；KF為溫度系數；η0為蓄電池的放電深度.

為了保證供電的可靠性，在進行容量設計時，要求蓄電池能夠在系統連續5d沒有任何外來能源的情況下，可以保障多功能航標的連續工作.同時，為了延長蓄電池的使用壽命，放電深度η0設為70%，KF＝0.9，則可算出蓄電池的容量：

根據計算的結果，選取2組200A·h的蓄電池可滿足工作需要.

2.3 太陽能發電單元

1）太陽能電池選型 太陽能電池功率的大小采用如下公式計算：

式中：Ps為太陽能電池板的功率，W；P為負載總功率，W；h為負載每天工作時間，h；t為每天平均光照小時數，h／d.

標準太陽輻射強度1 000W／m2情況下，折算每天有效的照射時間，取t＝6h，則太陽能電池的功率Ps＝96.8W.由于太陽能電池在發電與存儲過程中存在著損耗，因此選擇2塊70W的單晶硅太陽能電池板.

2）太陽能電池板安裝 考慮到航標會經常隨著布設水域的改變，其朝向也會發生改變，如果采用固定式的安裝，很難調整太陽能電池板的朝向.本系統充分考慮了航標的特殊性，設計了一種太陽能電池板可調式安裝底座.太陽能電池板支架下方的調節器，可以根據朝向的需要，調整緊固螺栓穿過的螺孔，即可實現太陽能電池板朝向的二次調整，見圖2.

圖2 太陽能電池板半固定安裝

2.4 風力發電單元

風力發電機按照風機旋轉軸的方向不同，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機［7］.由于，航標上搖晃性較強，不適合安裝水平軸的風力發電機，本系統采用H型垂直軸風力發電機，結構示意圖見圖3.

圖3 H型垂直軸風力發電機

風力發電機的輸入功率Wf可用如下計算式表示

式中：v為風速；ρ為空氣的密度；A為受風面積；CP為風機的功率系數；D為風輪直徑；H為葉片的高度.

由式（5）可知，風力發電機的功率與當地風速、風輪直徑以及葉片的高度有關.綜合考慮航標的用電需求、內河風速以及航標上的安裝空間3個因素，風力發電單元選用300W的H型垂直軸風力發電機.該風力發電機在不同風速條件下的輸出功率見表2.

表2 風力發電機在不同風速下的輸出功率

3 可靠性分析

針對上述設計，以武漢地區的氣象數據為例，計算供電系統的發電量，采用逐月能量平衡法對供電系統的可靠性進行分析.

3.1 用電需求

由式（1）可得出多功能航標系統負載總功率為24.2W，根據每個月工作天數的不同，可估算出多功能航標各月份的用電需求Wd，見表3.

3.2 發電量計算

供電系統的發電量用Wt表示

式中：Ws為太陽能所發的電量；Ww為風力發電機所發的電量.

1）太陽能發電量 Ws可用如下公式進行計算：

表3 多功能航標各個月用電需求

式中：η為太陽能電池的轉換效率；A為電池板的面積，m2；Gt為傾斜面上的總輻射量，kW·h／m2，為了使得全年的發電量最大，武漢地區的太陽能電池板陣列的傾斜角設計為24°［8］.根據選擇的太陽能電池板特性，η＝15%，A＝1.04m2.由式（7）可計算出太陽能發電單元各月份的發電量Ws，見表4.

表4 武漢地區各月份太陽總輻射量及發電量 kW·h

2）風力發電量 武漢地區江面上各月份的 平均風速見表5.

根據表（2）中風力發電機的功率特性，利用三次多項式插值法可計算出相應的風力發電機輸出功率Pw（W）.風能每天的有效利用小時數為9h，從而可得到各月份風力發電機的發電量，見表6.

表5 武漢江面各月份平均風速m／s

表6 風力發電機輸出功率及發電量 kW·h

3.3 供求分析

利用Matlab中的polyfit函數，對上述計算結果進行數據擬合，多功能航標各月份用電量與發電量之間的曲線圖見圖4.

由圖4可以看出，獨立的太陽能發電單元、風能發電單元都不能保障多功能航標的連續、穩定工作.但是在風光互補模式下，總發電量在滿足多功能系統實時工作用電的同時，富裕的電量可以充滿蓄電池組，進一步保障多功能航標的用電安全.

圖4 多功能航標電量供求關系圖

4 結束語

風光互補的內河多功能航標供電系統，各個模塊功率和容量的大小是由標載設備的用電需求決定的.在傳統的太陽能光伏發電系統中加入風力發電模塊，雖然會使購置設備的一次性初投資增加，但是可以有效的克服風能和太陽能能量密度低的缺陷.利用二者之間的有效互補特性，建立風光互補的供電系統，可以很好的保障多功能航標的用電安全，不僅可以解決多功能航標長期以來面臨的供電不足的問題，還有利于多功能航標的進一步發展.需要指出的是，隨著水流發電技術的逐漸成熟，引入水流發電模塊，組成風－光－流互補的供電系統，將是未來航標、島嶼以及各種水面工作平臺上一種較為理想的供電模式.

［1］黃忠國，柴 田，張杏谷.航道浮標配布合理性定量評價的研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2012，36（5）：1036－1039.

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