波浪能與太陽(yáng)能集成航標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

■江 浩

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004)

1 引言

目前，世界航標(biāo)組織正大力倡導(dǎo)開(kāi)發(fā)新型能源開(kāi)發(fā)，以降低航標(biāo)的維護(hù)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(wú)污染、儲(chǔ)量豐富、可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)，且具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。我省在航標(biāo)的建設(shè)中所使用的可再生能源主要是太陽(yáng)能和風(fēng)能，而海洋、江河中蘊(yùn)藏的巨大的波浪能卻沒(méi)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(kāi)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(shí)，為了順應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、自主創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)新能源的政策趨勢(shì)，本文提出一種綜合利用波浪能與太陽(yáng)能兩種新能源的航標(biāo)裝置，推廣應(yīng)用在海洋、江河航標(biāo)中，具有非常積極的現(xiàn)實(shí)意義和良好的社會(huì)效益。

2 波浪與太陽(yáng)能發(fā)電航標(biāo)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(biāo)燈波浪能發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 航標(biāo)燈發(fā)電原理方框圖

將波浪能發(fā)電裝置安裝于航標(biāo)上，經(jīng)改造后波浪能發(fā)電燈浮標(biāo)主要由浮標(biāo)、波浪能發(fā)電裝置、蓄電池組和航標(biāo)燈器等四部分組成(見(jiàn)圖2)。波浪能發(fā)電裝置垂直安裝在帶中心管的浮標(biāo)上，在波浪作用下，浮標(biāo)隨波浪升沉，而中心管內(nèi)水柱幾乎保持不動(dòng)，因而水柱象活塞一樣排出和吸入空氣，產(chǎn)生往復(fù)氣流進(jìn)而推動(dòng)空氣透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(biāo)燈供電。

圖2 波浪能發(fā)電浮標(biāo)總圖

根據(jù)圖2波浪能發(fā)電浮標(biāo)總圖，對(duì)現(xiàn)有航標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)改造。圖3為現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)改造的照片。

3 新能源航標(biāo)的投放

為了對(duì)波浪能發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電效果進(jìn)行對(duì)比，該航標(biāo)上同時(shí)安裝有波浪能發(fā)電裝置和太陽(yáng)能板。航標(biāo)投放前應(yīng)再次檢查各處接線是否正確，接線點(diǎn)是否牢固，并用萬(wàn)用表檢測(cè)蓄電池的端電壓；航標(biāo)投放后，當(dāng)浮標(biāo)升沉?xí)r，靠近浮標(biāo)可以用耳察聽(tīng)裝置發(fā)出的氣流聲和透平的旋轉(zhuǎn)聲響來(lái)判斷裝置是否已正常投入工作。投放時(shí)，航標(biāo)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(jī)。

本次航標(biāo)的投放由福州航標(biāo)處實(shí)施，選定閩江口D6燈浮位置 (地理坐標(biāo)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(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)投放照片如圖4所示。

圖3 改造后的波浪與太陽(yáng)能發(fā)電航標(biāo)燈系統(tǒng)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)投放照片

4 新能源航標(biāo)的測(cè)試

航標(biāo)的測(cè)試采用基于AIS的航標(biāo)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，詳見(jiàn)圖5。AIS基站實(shí)時(shí)采集其覆蓋范圍內(nèi)所有AIS航標(biāo)的位置信息和運(yùn)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(guò)信息通信采集AIS航標(biāo)信息將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并向其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫(kù)資源。

圖5 基于AIS的航標(biāo)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)框圖

航標(biāo)AIS的信息內(nèi)容主要包括：(1)航標(biāo)位置信息如航標(biāo)類型、航標(biāo)名稱和位置等信息；(2)航標(biāo)運(yùn)行狀況信息如電源電壓、燈器電流、燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)等運(yùn)行信息。

本次利用福州航標(biāo)處的AIS航標(biāo)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)分別對(duì)該航標(biāo)波浪能和太陽(yáng)能板蓄電池發(fā)電電壓進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸頻率為平均1次/20min，波浪能發(fā)電監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017年9月4日至2018年4月30日，太陽(yáng)能板發(fā)電監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年5月1日至2018年11月30日。對(duì)實(shí)測(cè)波浪能發(fā)電的航標(biāo)遙測(cè)日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)和太陽(yáng)能電池板發(fā)電的航標(biāo)遙測(cè)日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，太陽(yáng)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(dāng)。此外，在監(jiān)測(cè)期間，波浪能發(fā)電航標(biāo)系統(tǒng)位置未發(fā)現(xiàn)明顯偏離，航標(biāo)燈工作狀態(tài)正常，未出現(xiàn)故障。試驗(yàn)表明，該新能源航標(biāo)在試運(yùn)行期間，波浪能和太陽(yáng)能集成應(yīng)用于航標(biāo)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(bǔ)了太陽(yáng)能夜間及惡劣環(huán)境下不能發(fā)電的缺點(diǎn)。此外，波浪能相比太陽(yáng)能更充足，如將波浪能與太陽(yáng)能同時(shí)安裝在航標(biāo)上，可以相互補(bǔ)充，維持航標(biāo)日夜正常工作，保證航運(yùn)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(yáng)能集成應(yīng)用于航標(biāo)上，經(jīng)航標(biāo)改造、水動(dòng)力特性研究、現(xiàn)場(chǎng)投放和測(cè)試，結(jié)果表明該新能源航標(biāo)中波浪能提供的蓄電池電壓為11.9V～13.0V，太陽(yáng)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(dāng)，此外，該航標(biāo)系統(tǒng)位置未發(fā)現(xiàn)明顯偏離，航標(biāo)燈工作狀態(tài)正常，未出現(xiàn)故障，表明該新能源航標(biāo)系統(tǒng)能滿足日常工作要求。