内河多功能航标供电系统研究＊

范爱龙 毛 喆 桑凌志

（武汉理工大学智能交通系统研究中心1） 武汉 430063） （水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心2） 武汉 430063） （交通运输部水上交通安全与防污染研发基地3） 武汉 430063）

0 引 言

航标是以促进船舶和水上交通安全为目的而设计的、在船舶之外运行的一种装置或系统［1］.随着传感技术、信息传输技术的不断引入，航标的功能正变得越来越丰富.新型的多功能航标除了具有传统的助航功能外，还集成了多种传感器，用于实时的采集航标周围的气象水文以及航标状态等相关信息［2］.当前的多功能航标，大多采用了太阳能电池与蓄电池组合供电的方式.但由于我国内河流域湿度大，雾气重，特别是冬季，连续的雾霾天气，容易导致多功能航标系统因供电不足而无法正常工作，供电系统逐渐成为内河多功能航标发展的瓶颈.

内河航标供电，可选择的发电方式有太阳能发电、风力发电、水流发电等清洁能源发电［3］.从各种发电技术的可靠性角度考虑，本文采用风能太阳能互补的供电模式.当前已经有许多风光互补系统应用示范，如风光互补路灯、风光互补独立供电电源、风光互补通信站、风光互补水泵、风光互补建筑和风光互补日用产品等［4］.由于航标工作环境的特殊性，使得航标供电系统的设计不同于岸上，本文设计了一种适合于水上工作环境的风光互补供电系统.

1 多功能航标功耗

多功能航标用电设备主要分为2大类：航标灯和各类标载传感及通信设备.由于航标灯的供电安全关系到船舶的行驶安全，其日常的电力供给与维护由航道管理部门负责.在工程实际应用中，应将标载设备的供电在设计时独立于航标灯的供电.表1列出了多功能航标主要的用电设备工作时的电流值.

表1 多功能航标用电设备工作电流值 mA

由表1可知，多功能航标系统工作时的峰值电流I＝2 019mA.已知系统的工作电压U＝12 V，由此可算出多功能航标系统负载总功率为：

多功能航标系统用电需求大，为了保障航标的供电稳定，建立起风能、太阳能互补的多功能航标供电系统.各个模块的设计需要能够匹配多功能航标系统的功耗，以保障多功能航标的正常工作.

2 供电系统设计

2.1 供电系统组成

风光互补供电系统由小型风力发电机、太阳能电池、蓄电池组、逆变器和控制器等部分组成［5］.多功能航标用电设备使用直流电，因此本系统中不使用逆变器.图1为风光互补发电的多功能航标供电系统组成框图.

图1 多功能航标供电系统组成框图

2.2 蓄电池

蓄电池是供电系统中非常重要的组成部分，在独立运行的供电系统中同时起着能量存储和调节电能的作用［6］.它将风力发电机、太阳能电池输出的电能转化为化学能储存起来，供电能不足时使用.蓄电池容量的大小与系统的负载以及蓄电池的自给时长等有关，在工程应用中可由下式计算出：

式中：C为蓄电池容量，A·h；T为自给时长，h；P为负载总功率，W；U 为蓄电池工作电压，V；KF为温度系数；η0为蓄电池的放电深度.

为了保证供电的可靠性，在进行容量设计时，要求蓄电池能够在系统连续5d没有任何外来能源的情况下，可以保障多功能航标的连续工作.同时，为了延长蓄电池的使用寿命，放电深度η0设为70%，KF＝0.9，则可算出蓄电池的容量：

根据计算的结果，选取2组200A·h的蓄电池可满足工作需要.

2.3 太阳能发电单元

1）太阳能电池选型 太阳能电池功率的大小采用如下公式计算：

式中：Ps为太阳能电池板的功率，W；P为负载总功率，W；h为负载每天工作时间，h；t为每天平均光照小时数，h／d.

标准太阳辐射强度1 000W／m2情况下，折算每天有效的照射时间，取t＝6h，则太阳能电池的功率Ps＝96.8W.由于太阳能电池在发电与存储过程中存在着损耗，因此选择2块70W的单晶硅太阳能电池板.

2）太阳能电池板安装 考虑到航标会经常随着布设水域的改变，其朝向也会发生改变，如果采用固定式的安装，很难调整太阳能电池板的朝向.本系统充分考虑了航标的特殊性，设计了一种太阳能电池板可调式安装底座.太阳能电池板支架下方的调节器，可以根据朝向的需要，调整紧固螺栓穿过的螺孔，即可实现太阳能电池板朝向的二次调整，见图2.

图2 太阳能电池板半固定安装

2.4 风力发电单元

风力发电机按照风机旋转轴的方向不同，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机［7］.由于，航标上摇晃性较强，不适合安装水平轴的风力发电机，本系统采用H型垂直轴风力发电机，结构示意图见图3.

图3 H型垂直轴风力发电机

风力发电机的输入功率Wf可用如下计算式表示

式中：v为风速；ρ为空气的密度；A为受风面积；CP为风机的功率系数；D为风轮直径；H为叶片的高度.

由式（5）可知，风力发电机的功率与当地风速、风轮直径以及叶片的高度有关.综合考虑航标的用电需求、内河风速以及航标上的安装空间3个因素，风力发电单元选用300W的H型垂直轴风力发电机.该风力发电机在不同风速条件下的输出功率见表2.

表2 风力发电机在不同风速下的输出功率

3 可靠性分析

针对上述设计，以武汉地区的气象数据为例，计算供电系统的发电量，采用逐月能量平衡法对供电系统的可靠性进行分析.

3.1 用电需求

由式（1）可得出多功能航标系统负载总功率为24.2W，根据每个月工作天数的不同，可估算出多功能航标各月份的用电需求Wd，见表3.

3.2 发电量计算

供电系统的发电量用Wt表示

式中：Ws为太阳能所发的电量；Ww为风力发电机所发的电量.

1）太阳能发电量 Ws可用如下公式进行计算：

表3 多功能航标各个月用电需求

式中：η为太阳能电池的转换效率；A为电池板的面积，m2；Gt为倾斜面上的总辐射量，kW·h／m2，为了使得全年的发电量最大，武汉地区的太阳能电池板阵列的倾斜角设计为24°［8］.根据选择的太阳能电池板特性，η＝15%，A＝1.04m2.由式（7）可计算出太阳能发电单元各月份的发电量Ws，见表4.

表4 武汉地区各月份太阳总辐射量及发电量 kW·h

2）风力发电量 武汉地区江面上各月份的 平均风速见表5.

根据表（2）中风力发电机的功率特性，利用三次多项式插值法可计算出相应的风力发电机输出功率Pw（W）.风能每天的有效利用小时数为9h，从而可得到各月份风力发电机的发电量，见表6.

表5 武汉江面各月份平均风速m／s

表6 风力发电机输出功率及发电量 kW·h

3.3 供求分析

利用Matlab中的polyfit函数，对上述计算结果进行数据拟合，多功能航标各月份用电量与发电量之间的曲线图见图4.

由图4可以看出，独立的太阳能发电单元、风能发电单元都不能保障多功能航标的连续、稳定工作.但是在风光互补模式下，总发电量在满足多功能系统实时工作用电的同时，富裕的电量可以充满蓄电池组，进一步保障多功能航标的用电安全.

图4 多功能航标电量供求关系图

4 结束语

风光互补的内河多功能航标供电系统，各个模块功率和容量的大小是由标载设备的用电需求决定的.在传统的太阳能光伏发电系统中加入风力发电模块，虽然会使购置设备的一次性初投资增加，但是可以有效的克服风能和太阳能能量密度低的缺陷.利用二者之间的有效互补特性，建立风光互补的供电系统，可以很好的保障多功能航标的用电安全，不仅可以解决多功能航标长期以来面临的供电不足的问题，还有利于多功能航标的进一步发展.需要指出的是，随着水流发电技术的逐渐成熟，引入水流发电模块，组成风－光－流互补的供电系统，将是未来航标、岛屿以及各种水面工作平台上一种较为理想的供电模式.

［1］黄忠国，柴 田，张杏谷.航道浮标配布合理性定量评价的研究［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2012，36（5）：1036－1039.

［2］方 晶，吴 青，初秀民，等.基于多功能航标的长江水文信息采集系统研究［J］.交通信息与安全，2010，28（6）：53－56.

［3］严新平.新能源在船舶上的应用进展及展望［J］.船海工程，2010，39（6）：111－115.

［4］王志新，刘立群，张华强.风光互补技术及应用新进展［J］.电网与清洁能源，2008，24（5）：40－45.

［5］齐志远，王生铁，田桂珍.风光互补发电系统的协调控制［J］.太阳能学报，2010，31（5）：654－659.

［6］卢为平.风力发电基础［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［7］黄锦成.小型垂直轴风力发电系统的研制［D］.广州：华南理工大学，2011.

［8］杨金焕，毛家俊，陈中华.不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算［J］.上海交通大学学报，2002，36（7）：1032－1036.