新能源技術(shù)在航標(biāo)燈上的使用

冷泉 童揚武

摘 要：發(fā)展新能源，提倡低碳化經(jīng)濟已經(jīng)成為現(xiàn)在社會發(fā)展的一種基本理念，一方面能夠保存現(xiàn)階段所存儲的石油煤炭等資源，另一方面也是環(huán)保、低碳生活建設(shè)的基本途徑，其中最主要的新能源形式包括太陽能、風(fēng)能、波浪能和潮流能等等，本文主要針對太陽能技術(shù)、風(fēng)能和波浪能技術(shù)在航標(biāo)燈上的應(yīng)用進行分析。

關(guān)鍵詞：新能源 太陽能 風(fēng)能 波浪能 航標(biāo)燈

1.引言

航標(biāo)燈是保障船舶航海的重要安全設(shè)施，它能在夜晚或者霧天等能見度較低時，提供給船舶安全信號，從而保障船舶安全航行。它也適用于湖泊浮標(biāo)、旅游水域浮標(biāo)、進?？跓魳逗徒痈?biāo)等。航標(biāo)燈的燈質(zhì)來表述其代表的具體意義，燈質(zhì)包括燈光的顏色、頻閃等等。比如發(fā)光顏色包括紅色、白色或者綠色。

最初，在20世紀(jì)50年代時我國使用煤油燈作為航標(biāo)燈通航指向標(biāo)，之后60年代慢慢發(fā)展成乙炔氣燈和原始的電燈，之后又由普通的電燈發(fā)展成機械的電子發(fā)光燈，直到80年代之后，由于半導(dǎo)體的發(fā)展，在航標(biāo)燈上開始使用太陽能技術(shù)，從那之后，使用搭載太陽能板的航標(biāo)燈大有取代傳統(tǒng)航標(biāo)燈的趨勢，近年隨著新能源技術(shù)和電子科技技術(shù)的進步，太陽能LED航標(biāo)燈趨于完善，已經(jīng)成為逐漸成為主流技術(shù)，而風(fēng)電互補LED航標(biāo)燈和波光互補的LED航標(biāo)燈尚處在研發(fā)和實驗階段。

2.太陽能LED航標(biāo)燈

（1）概述：太陽能L E D航標(biāo)燈采用太陽能板供電，其中太陽能LED航標(biāo)燈主要包括太陽能板、蓄電池、航標(biāo)燈和遙測控制器（包含無線通信、電氣檢測、GPS定位）組成，利用太陽能的光伏電池吸收太陽光產(chǎn)生熱量（光伏電池是能利用光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置），也就是常見的太陽能板，其表面附著一層半導(dǎo)體材料的薄片，將半導(dǎo)體放置于陽光下時，半導(dǎo)體薄片的另外一側(cè)和金屬之間會產(chǎn)生電壓，將大量的這種半導(dǎo)體零器件用串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接到一起，從而產(chǎn)生更強的電壓和電流，然后利用蓄電池等儲能裝置將這些產(chǎn)生的電能收集。將太陽能技術(shù)應(yīng)用到航標(biāo)燈上即使得航標(biāo)燈管理人員的安裝和維護方便，又保證了航標(biāo)燈使用的可靠性，從而保證通航的正常運行。

（2）太陽能LED航標(biāo)燈具體參數(shù)：為了能達到全天候的使用可靠度，在LED航標(biāo)燈的設(shè)計上有非常嚴(yán)格的要求，航標(biāo)燈在夜間的視覺必須達到4海里以上，光源的光色必須符合國標(biāo)（GB12708—1991）《航標(biāo)燈光信號燈顏色》中紅綠色燈光色度的標(biāo)準(zhǔn)，另外，在保證使用壽命和功耗上面也有一些標(biāo)準(zhǔn)，常見的太陽能LED航標(biāo)燈具體參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

（3）太陽能LED航標(biāo)燈的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)構(gòu)成：結(jié)構(gòu)設(shè)計以實用為原則，光源在水平方向上照射的角度控制在8°（±4°）左右，如圖1為整體的外觀結(jié)構(gòu)圖。

燈器位于頂部，內(nèi)部由LED光源組成，通過燈罩內(nèi)置在中央，蓄電池控制器和遙測器在燈底座內(nèi)部，控制器通過連接線與蓄電池以及LED光源連接?？刂破鞑捎脝纹瑱C數(shù)字系統(tǒng)，包含驅(qū)動電路、中央控制器、穩(wěn)壓電源、日光檢測電路、遙測控制電路及抗干擾電路。日光檢測電路對穩(wěn)壓電源和遙測控制電路的信號比對，將比對結(jié)果輸入到中央控制器，由中央控制器對輸入信號進行統(tǒng)一處理，最后控制驅(qū)動電路控制LED光源。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：其中，燈器的功能是照明警示，主控單元實現(xiàn)GPS定位、無線通信和電氣檢測功能，供電單元提供整個系統(tǒng)的電力保障。

3.風(fēng)光互補的LED航標(biāo)燈

為克服由于天氣不良而帶來的航標(biāo)燈電池供電不足無法正常使用的問題，具有風(fēng)能和太陽能驅(qū)動的風(fēng)光互補LED航標(biāo)燈可以彌補這一缺陷，將風(fēng)光發(fā)電集成在一體式的航標(biāo)上，為LED供電，可以全天候作業(yè)，供電效率更高。

風(fēng)光互補LED航標(biāo)燈和太陽能LED航標(biāo)燈不同的地方在于其包括航標(biāo)燈支架，風(fēng)電互補航標(biāo)燈支架頂端設(shè)置有航標(biāo)燈光源、太陽能電池組件，航標(biāo)支架上有垂直軸風(fēng)力發(fā)電機、PWM無級卸載風(fēng)光互補控制器、蓄電池。PWM無級卸載風(fēng)光互補控制器中有風(fēng)力發(fā)電機低壓充電模塊。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.波光互補的LED航標(biāo)燈

考慮到海洋中的波浪是一直存在的，而且在陰天、夜晚沒有太陽能的時候，波浪力更為強烈，這就與太陽能相輔相成，因此如何綜合兩種能源，為航標(biāo)燈器提供充足的能源系統(tǒng)。

波光互補的L E D航標(biāo)燈在結(jié)構(gòu)上分層，如圖4、圖5所示：第一層即頂層，為太陽能板直接接收太陽能進行發(fā)電。第二層為擺陀式波力發(fā)電機，類似于自發(fā)電式手表結(jié)構(gòu)，依靠海洋波浪能，內(nèi)部不對稱的擺陀，可以隨著浮標(biāo)的擺動而產(chǎn)生機械能，切割磁感線產(chǎn)生電能。第三層為燈器，外置透鏡，可以達到相應(yīng)射程。第四層為集成電路，控制器，日光閥，遙測遙控元件等。第五層為蓄電池。層與層之間有散熱結(jié)構(gòu)。

這樣的集成一體化燈器，取代了傳統(tǒng)燈浮標(biāo)的大型蓄電池，取代了電池箱，取代了大塊太陽能硅板，取代了浮標(biāo)燈器安裝接線等一系列安裝工序，如果這種波光一體模塊化燈器出現(xiàn)壞損，遠程即可知道，每層對應(yīng)指示，直接更換對應(yīng)結(jié)構(gòu)層，或是拆卸返回后整體維修，方便快捷。發(fā)電機組全密封在燈器中各個層中，不會因為海水的腐蝕和風(fēng)吹雨打損壞，又有效避免了的往來船舶碰撞造成的浮標(biāo)太陽能板損壞?？梢赃h程監(jiān)控，遠程調(diào)節(jié)燈器亮度，實現(xiàn)對霧天等全天候的應(yīng)對，極大的節(jié)省了航標(biāo)維護的人力，更能節(jié)省成本。

其中：1.傳統(tǒng)燈器、2.太陽能硅板、3.浮標(biāo)燈架、4.電線、5.鉛蓄電箱池、6.燈浮標(biāo)主體；7.太陽能發(fā)電結(jié)構(gòu)層、8.波力發(fā)電結(jié)構(gòu)層、9. 燈器透鏡層、10集成電路層、11蓄電池層、12驅(qū)鳥針、13.散熱結(jié)構(gòu)、14.擺砣、15.永磁定子、16.轉(zhuǎn)子、17.齒輪箱、18.LED燈。

5.新能源航標(biāo)燈的應(yīng)用價值

大力發(fā)展新能源走低碳化的經(jīng)濟發(fā)展道路已經(jīng)成了中國乃至世界各國的重點發(fā)展方向，更是航海保障方面所不容忽視的，發(fā)展新能源的重大意義和價值具體體現(xiàn)在：

（1）穩(wěn)定性強、可靠程度高：相對傳統(tǒng)的電力驅(qū)動航標(biāo)燈技術(shù)更先進，一體化程度集成度更高，去除了傳統(tǒng)冗余的結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)太復(fù)雜往往容易造成設(shè)備老化、腐蝕），同時使用的LED燈源壽命長，降低了使用成本。

（2）維護方便：更加輕量化，具有體積小重量輕的特征，安裝更換更加方便，由于在海上作業(yè)的難度較大，從而大大的節(jié)省航標(biāo)維護人員的拆卸維護工作，也一定程度上保證了一線作業(yè)人員的人身安全。

（3）具有較大的經(jīng)濟價值：傳統(tǒng)的航標(biāo)燈的日常維護主要以更換燈泡、蓄電池更換為主，加上傳統(tǒng)的燈泡可靠程度不高、故障率高等原因，一年下來的更換和維護費用相對較高，而新能源航標(biāo)燈不用更換燈源，并且LED燈源使用壽命長，單個航標(biāo)燈一年的維護費用能節(jié)省大約百分之四十左右，僅全國內(nèi)河就已經(jīng)達到兩萬多余座航標(biāo)燈，能節(jié)約數(shù)以萬計千瓦時的電能和數(shù)以萬噸的柴油，每年可以節(jié)省數(shù)億的能源成本。

（4）社會價值：傳統(tǒng)的航標(biāo)燈需要用到柴油機發(fā)電補給，1千克的柴油燃燒可產(chǎn)生3.1千克的二氧化碳和部分氮氧化合物，對大氣污染嚴(yán)重。使用新能源航標(biāo)燈之后，可變?yōu)榱阄廴疚铮⑶矣行Я死昧颂柲苜Y源，達到節(jié)能減排的效果。

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