某大型燈塔航標效能和電源配置的計算和選擇

謝俊奎

摘 要：本文以在建的某燈塔為例，從大型燈塔的效能、設備技術規格以及電源配置方面，進一步探討計算和選擇方法，以便在滿足燈塔航標效能的同時，達到節省資源、降低造價的目的，為處理同類問題提供參考。

關鍵詞：燈塔;航標效能;電源配置方案

中圖分類號：U644.4? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）04-0041-02

某燈塔為一級B類燈塔，鋼筋混凝土筒體結構，建筑占地面積約為1000平方米，燈塔高度70米左右，塔身頂部設有航標設備及觀景平臺。設備主要是航標主燈、航標副燈、雷達應答器、北斗導航終端、太陽能電池、蓄電池、充電控制器等設備。燈塔位于兩個大型港口結合部，燈塔效能既要為這兩個港口進港船舶服務又要覆蓋另兩個燈塔效能的空白部分海域，在航標效能、設備技術規格以及電源配置方面有許多選擇。本文在遵循先進可靠、合理可行、環保節能、與周邊環境相協調的原則下，經過優化配置方案，滿足燈塔所需功能要求。

1 燈塔航標效能和設備技術規格的配置要求

1.1燈塔航標效能設計要求

燈質的確定。燈質表示的是標志特征，其實現方法一般白天以顏色和形狀或頂標來表示，夜間以標光色、節奏和周期來表示。某燈塔西方向有相鄰的兩個燈塔A和燈塔B，分別閃白3秒和閃白10秒，該燈塔覆蓋范圍正好是燈塔A和燈塔B的結合部，為便于船舶識別，經研究確定某燈塔燈質擬定為閃白6秒。

工作距離。某燈塔位置與主導航港區距離36.2公里，為更好地覆蓋主導航港區進港航道，燈光射程不能小于22海里，以彌補燈塔A和燈塔B覆蓋面的不足。根據燈塔的分類標準，某燈塔定位為一級B類燈塔。

燈光高度。為了覆蓋主導航港區進港航道，燈塔工作距離應不小于22海里，若觀測者（300總噸貨船）眼高5米，當地平均潮位按2.6m計算，滿足燈塔地理視距的燈光高度為：

h = （d/2.08-）2+2.6= （22∕2.08-）2+2.6 = 72.2m

式中：h—燈光高度，m;d—燈光視距，海里;e—觀測者眼高，m。

燈塔高度。某燈塔位置的地面標高4.0m，塔身頂部燈籠底座和燈柱高度按3.0m考慮，則燈塔塔身建筑對地高度為： H=72.2m-（4.0m+3.0m）=65.2m

計算滿足地理視距的燈塔塔身對地高度至少65.2米，可根據燈塔的造型和外觀效果適當調整。

1.2燈塔航標設備技術規格配置方案

根據燈塔的使用功能要求，某燈塔技術設備包括大型航標燈器、副燈、雷達應答器、遠程遙測終端和太陽能電源設備組成，設備技術方案如圖1所示。

（1）航標主燈。 為了滿足某燈塔工作距離的要求，選用射程22海里及以上的大功率的旋轉式燈器，主要技術規格如下：

輸入電壓：DC 9～36V， 燈泡功耗：95W， 電機功耗：平均2.5W， 射程 ≥22nm

（2）航標副燈。 為了提高航標燈器工作的可靠性，選擇射程12海里的小型航標副燈，主要技術規格如下：

輸入電壓：DC 9～36V，功耗：最高36W，射程 ≥12nm

（3）雷達應答器。為了便于船舶識別某燈塔，在燈塔上加裝1臺雷達應答器。雷達應答器的主要技術規格如下：

發射功率：400mW（+26dBm）;頻率范圍：9.29.5MHz;接收靈敏度：優于-50dBm，電源功耗：6W。

（4）測控終端。A）每一小時定時報告一次（可調）、晚上燈器亮燈和早上滅燈時發報一次。B）當檢測到設備有故障或是有異常時，立即報警;可遠程查詢工作狀態。C）主/副燈本地自動轉換。

2 燈塔電源配置方案

2.1太陽能供電方案

考慮到目前市電不夠穩定和北海地域日照充足，燈塔技術設備采用太陽能和市電互補的電源系統方案。在晴天日照充足的情況下，以太陽能供電為主，體現綠色環保節能的設計理念。在連續陰雨天超過額定的天數時，用市電給予補充。太陽能和市電組合電源供電方案如圖2所示。

2.1.1電源負荷計算

（1）燈器每天耗電量：Q1=[L/（L+D）]×I×h =18.43 （Ah）

式中：Q1—燈器每天的耗電量，Ah;L—每個閃光周期中“明”的時間，L=1;D—每個閃光周期中“暗”的時間，D=5;I—光源額定電流，取I=95W/12V=7.9A;h—燈器每天工作時間，取h=14h。

（2）雷達應答器每天耗電量：雷達應答器功6W，則每天耗電量Q2=6W/12V×14h=7 （Ah）。

（3）北斗遙測裝置每天耗電量：測控終端的功率5W，電壓12V，則：Q3=5W/12v×24h=10 （Ah）。

（4）技術設備每天總耗電量：Q = Q1+Q2+Q3 = 18.43+7+10 = 35.43 （Ah），取Qa=36 （Ah）

（5）蓄電池容量計算 ：Q=（Qa× d）÷（α×β）×η

式中：QA—燈塔每天的耗電量，Ah;d—蓄電池連續工作的陰雨天數，因為有市電備用，取d=13天;α—蓄電池放電效率，取90%;β—蓄電池放電深度，取70%;η—蓄電池安全系數，取1.25。

將有關參數代入公式：Q=（36×13）÷（0.9×0.7）×1.25=928.5Ah。

取 Q =1000 （Ah）。采用12塊、每塊容量2V/500Ah的蓄電池，通過串并聯組成蓄電池組。

（6）太陽能功率計算

某燈塔每天、每月、每年用電量分別為：W天=P×t= P1×t1+ P2×t2 +P3×t3[0.095×L/（L+D）×14]+（0.006×14）+0.005×24）=0.2217+0.084+0.12=0.43（KWh）;

W月= W天×30=12.77（KWh）;W年=W月×12=153.3（KWh）。

北海平均每年日照天數參照有關資料，北海全年平均日照時數按2219小時計算。太陽能電池板的最小峰值功率為：PA= W年÷2219h=0.069 （KW）

為留有足夠余量，太陽能電池板峰值按1000W設計，取功率100 W的單塊太陽能電池組件， 需要并聯路數為： N=500/100=5 （塊）

共需5塊200W的太陽能電池組件并聯組成發電系統，其總容量為：PA=200W×5=1000 （W）

2.1.2設備配置

（1）太陽能電池板。技術標準：符合IEC61215標準，設計壽命> 25年。電池片類型：單晶硅;額定功率：200W ;組建串聯數目：5塊。

（2）自動穩壓整流器。輸入電壓：220V 60HZ、380V 50HZ （可根據客戶需求定制）;輸出電壓：0-200V? （可調），輸出電流：0-500A （可調）。穩壓精度≤±1%，穩流精度≤±1%。

穩定方式：穩流限壓、穩壓限流可切換。調節范圍：電流/電壓在0～100% 額定值內連續調節。

（3）蓄電池組。電池類型：免維護鉛酸蓄電池，單體蓄電池容量：2v/500 Ah。

2.1.3主要技術設備和電源設備表

某燈塔主要技術設備技術參數和電源設備如下表。

綜合以上的太陽能供電配置方案，僅是滿足燈塔基本功能使用的要求。至于作為一級B類大型燈塔，除了航標設備外，還有照明系統、防雷接地系統、消防報警系統以及生活設備等系統。某燈塔技術設備采用太陽能和市電互補（應急柴油發電機備用電源）的電源系統方案。

2.2應急柴油發電機備用電源方案

為了保障設備供電，在某燈塔設施內采用柴油發電機作為備用電源。

（1） 負荷計算。根據燈塔設備設施用電負荷估算如下：①航標設備（另有太陽能電源）用電量：4KW;②接待室：2KW;③電梯：15 KW;④照明：5 KW;⑤空調：20 KW;⑥業務機房（考慮柴油發電機備用電源）：15 KW;⑦消防用電：20 KW;⑧生活用電：20 KW;⑨其它：14 KW，合計：100 KW。以上合計，總用電負荷按100kW考慮，其中航標設備4 kW，電梯、空調、照明和生活用電等按96kW考慮，則負荷電流189.9A。

（2）備用電源。采用100kW的柴油發電機，滿足電梯、照明、業務機房和生活用電。柴油發電機房，儲油間的總儲存量不大于1m?。

2.3采用市電電源及配電系統

（1）電源。根據《燈塔主體及附屬設施設置要求》（JT/T321-1997），某燈塔工程采用低壓380/220V電源供電，消防負荷及應急照明為二級負荷，其余為三級負荷。從市政變電所引入10kV的高壓供電線路至燈塔，經變壓器降壓后給燈塔設施供電。

（2）計量。某燈塔工程采用高壓側計量;低壓側根據需要作參考計量。

（3）配電系統。由變電所（站）低壓側至燈塔內的電源采用放射式供電，建筑物內的照明和動力采用放射式和樹干式相結合的方式供電。

綜上所述，為某燈塔航標效能設計、設備技術規格和電源配置方案，能滿足燈塔功能需求，也能滿足進出港船舶識別北海港特別是鐵山港東西港區航道、定位和轉向服務。

參考文獻：

[1]《燈塔主體及附屬設施設置要求》JT/T321-1997;

[2]《航標燈光信號顏色》GB 12708-91;

[3]《航標燈光強測量和燈光射程計算》JT/T730-2008;

[4]《中國海區水上助航標志》GB 4696-2016。