波浪能與太陽能集成航標系統的應用研究

■江 浩

(1.福建省交通科學技術研究所，福州 350004；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004)

1 引言

目前，世界航標組織正大力倡導開發新型能源開發，以降低航標的維護周期和提高其可靠性。可再生電能源是指利用可再生自然能源發出的電能，具有清潔無污染、儲量豐富、可持續利用等優點，且具有巨大的開發潛力。我省在航標的建設中所使用的可再生能源主要是太陽能和風能，而海洋、江河中蘊藏的巨大的波浪能卻沒有得到充分利用。在非可再生能源日益枯竭的今天，大力發展可再生能源，特別是開發潛力巨大且具有廣闊應用前景的波浪能顯得尤為重要。同時，為了順應國家節能減排、自主創新、開發新能源的政策趨勢，本文提出一種綜合利用波浪能與太陽能兩種新能源的航標裝置，推廣應用在海洋、江河航標中，具有非常積極的現實意義和良好的社會效益。

2 波浪與太陽能發電航標燈系統改造

基于振蕩水柱式波浪能發電技術原理，本文研制的航標燈波浪能發電系統如圖1所示。

圖1 航標燈發電原理方框圖

將波浪能發電裝置安裝于航標上，經改造后波浪能發電燈浮標主要由浮標、波浪能發電裝置、蓄電池組和航標燈器等四部分組成(見圖2)。波浪能發電裝置垂直安裝在帶中心管的浮標上，在波浪作用下，浮標隨波浪升沉，而中心管內水柱幾乎保持不動，因而水柱象活塞一樣排出和吸入空氣，產生往復氣流進而推動空氣透平帶動發電機旋轉發電，產生的交流電經整流后輸入蓄電池，向航標燈供電。

圖2 波浪能發電浮標總圖

根據圖2波浪能發電浮標總圖，對現有航標進行了系統改造。圖3為現場航標改造的照片。

3 新能源航標的投放

為了對波浪能發電與太陽能發電效果進行對比，該航標上同時安裝有波浪能發電裝置和太陽能板。航標投放前應再次檢查各處接線是否正確，接線點是否牢固，并用萬用表檢測蓄電池的端電壓；航標投放后，當浮標升沉時，靠近浮標可以用耳察聽裝置發出的氣流聲和透平的旋轉聲響來判斷裝置是否已正常投入工作。投放時，航標應盡可能直立如水，不能橫臥入水，以防海水浸入發電機。

本次航標的投放由福州航標處實施，選定閩江口D6燈浮位置 (地理坐標為 26°05′20.94″N、 119°43′45.41″E)，于2017年9月4日投放至指定地點，現場投放照片如圖4所示。

圖3 改造后的波浪與太陽能發電航標燈系統

圖4 現場投放照片

4 新能源航標的測試

航標的測試采用基于AIS的航標無線監控系統，詳見圖5。AIS基站實時采集其覆蓋范圍內所有AIS航標的位置信息和運行狀況信息，并將信息發送給AIS區域中心，AIS區域中心通過信息通信采集AIS航標信息將其存儲在數據庫中，并向其它系統提供數據庫資源。

圖5 基于AIS的航標無線監控系統框圖

航標AIS的信息內容主要包括：(1)航標位置信息如航標類型、航標名稱和位置等信息；(2)航標運行狀況信息如電源電壓、燈器電流、燈開關狀態等運行信息。

本次利用福州航標處的AIS航標無線監控系統分別對該航標波浪能和太陽能板蓄電池發電電壓進行了實時監測，數據傳輸頻率為平均1次/20min，波浪能發電監測時間為2017年9月4日至2018年4月30日，太陽能板發電監測時間為2018年5月1日至2018年11月30日。對實測波浪能發電的航標遙測日報數據和太陽能電池板發電的航標遙測日報數據進行對比分析，波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，太陽能提供的蓄電池電壓為11.0V～13.5V，兩者提供的發電電壓相當。此外，在監測期間，波浪能發電航標系統位置未發現明顯偏離，航標燈工作狀態正常，未出現故障。試驗表明，該新能源航標在試運行期間，波浪能和太陽能集成應用于航標上，發電穩定，工作狀態正常。

考慮到波浪能作為新能源之一，其分布廣總量大，可就地取能。波能發電裝置的性能受環境和氣候的影響較低，在夜間和惡劣環境下仍可正常工作、性能穩定，填補了太陽能夜間及惡劣環境下不能發電的缺點。此外，波浪能相比太陽能更充足，如將波浪能與太陽能同時安裝在航標上，可以相互補充，維持航標日夜正常工作，保證航運安全。

5 結論

基于振蕩水柱式波浪能發電技術，將其波浪能與太陽能集成應用于航標上，經航標改造、水動力特性研究、現場投放和測試，結果表明該新能源航標中波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，太陽能提供的蓄電池電壓為11.0V～13.5V，兩者提供的發電電壓相當，此外，該航標系統位置未發現明顯偏離，航標燈工作狀態正常，未出現故障，表明該新能源航標系統能滿足日常工作要求。