波浪能與太陽能集成航標系統(tǒng)的應(yīng)用研究

■江 浩

(1.福建省交通科學技術(shù)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(fā)新型能源開發(fā)，以降低航標的維護周期和提高其可靠性?？稍偕娔茉词侵咐每稍偕匀荒茉窗l(fā)出的電能，具有清潔無污染、儲量豐富、可持續(xù)利用等優(yōu)點，且具有巨大的開發(fā)潛力。我省在航標的建設(shè)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(fā)展可再生能源，特別是開發(fā)潛力巨大且具有廣闊應(yīng)用前景的波浪能顯得尤為重要。同時，為了順應(yīng)國家節(jié)能減排、自主創(chuàng)新、開發(fā)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(yīng)用在海洋、江河航標中，具有非常積極的現(xiàn)實意義和良好的社會效益。

2 波浪與太陽能發(fā)電航標燈系統(tǒng)改造

基于振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)原理，本文研制的航標燈波浪能發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 航標燈發(fā)電原理方框圖

將波浪能發(fā)電裝置安裝于航標上，經(jīng)改造后波浪能發(fā)電燈浮標主要由浮標、波浪能發(fā)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(fā)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(nèi)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(chǎn)生往復氣流進而推動空氣透平帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流后輸入蓄電池，向航標燈供電。

圖2 波浪能發(fā)電浮標總圖

根據(jù)圖2波浪能發(fā)電浮標總圖，對現(xiàn)有航標進行了系統(tǒng)改造。圖3為現(xiàn)場航標改造的照片。

3 新能源航標的投放

為了對波浪能發(fā)電與太陽能發(fā)電效果進行對比，該航標上同時安裝有波浪能發(fā)電裝置和太陽能板。航標投放前應(yīng)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(fā)出的氣流聲和透平的旋轉(zhuǎn)聲響來判斷裝置是否已正常投入工作。投放時，航標應(yīng)盡可能直立如水，不能橫臥入水，以防海水浸入發(fā)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(xiàn)場投放照片如圖4所示。

圖3 改造后的波浪與太陽能發(fā)電航標燈系統(tǒng)

圖4 現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)，詳見圖5。AIS基站實時采集其覆蓋范圍內(nèi)所有AIS航標的位置信息和運行狀況信息，并將信息發(fā)送給AIS區(qū)域中心，AIS區(qū)域中心通過信息通信采集AIS航標信息將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，并向其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫資源。

圖5 基于AIS的航標無線監(jiān)控系統(tǒng)框圖

航標AIS的信息內(nèi)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(guān)狀態(tài)等運行信息。

本次利用福州航標處的AIS航標無線監(jiān)控系統(tǒng)分別對該航標波浪能和太陽能板蓄電池發(fā)電電壓進行了實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸頻率為平均1次/20min，波浪能發(fā)電監(jiān)測時間為2017年9月4日至2018年4月30日，太陽能板發(fā)電監(jiān)測時間為2018年5月1日至2018年11月30日。對實測波浪能發(fā)電的航標遙測日報數(shù)據(jù)和太陽能電池板發(fā)電的航標遙測日報數(shù)據(jù)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(fā)電電壓相當。此外，在監(jiān)測期間，波浪能發(fā)電航標系統(tǒng)位置未發(fā)現(xiàn)明顯偏離，航標燈工作狀態(tài)正常，未出現(xiàn)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(yīng)用于航標上，發(fā)電穩(wěn)定，工作狀態(tài)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(fā)電裝置的性能受環(huán)境和氣候的影響較低，在夜間和惡劣環(huán)境下仍可正常工作、性能穩(wěn)定，填補了太陽能夜間及惡劣環(huán)境下不能發(fā)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(jié)論

基于振蕩水柱式波浪能發(fā)電技術(shù)，將其波浪能與太陽能集成應(yīng)用于航標上，經(jīng)航標改造、水動力特性研究、現(xiàn)場投放和測試，結(jié)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(fā)電電壓相當，此外，該航標系統(tǒng)位置未發(fā)現(xiàn)明顯偏離，航標燈工作狀態(tài)正常，未出現(xiàn)故障，表明該新能源航標系統(tǒng)能滿足日常工作要求。