新能源技术在航标灯上的使用

冷泉 童扬武

摘 要：发展新能源，提倡低碳化经济已经成为现在社会发展的一种基本理念，一方面能够保存现阶段所存储的石油煤炭等资源，另一方面也是环保、低碳生活建设的基本途径，其中最主要的新能源形式包括太阳能、风能、波浪能和潮流能等等，本文主要针对太阳能技术、风能和波浪能技术在航标灯上的应用进行分析。

关键词：新能源 太阳能 风能 波浪能 航标灯

1.引言

航标灯是保障船舶航海的重要安全设施，它能在夜晚或者雾天等能见度较低时，提供给船舶安全信号，从而保障船舶安全航行。它也适用于湖泊浮标、旅游水域浮标、进海口灯桩和江河浮标等。航标灯的灯质来表述其代表的具体意义，灯质包括灯光的颜色、频闪等等。比如发光颜色包括红色、白色或者绿色。

最初，在20世紀50年代时我国使用煤油灯作为航标灯通航指向标，之后60年代慢慢发展成乙炔气灯和原始的电灯，之后又由普通的电灯发展成机械的电子发光灯，直到80年代之后，由于半导体的发展，在航标灯上开始使用太阳能技术，从那之后，使用搭载太阳能板的航标灯大有取代传统航标灯的趋势，近年随着新能源技术和电子科技技术的进步，太阳能LED航标灯趋于完善，已经成为逐渐成为主流技术，而风电互补LED航标灯和波光互补的LED航标灯尚处在研发和实验阶段。

2.太阳能LED航标灯

（1）概述：太阳能L E D航标灯采用太阳能板供电，其中太阳能LED航标灯主要包括太阳能板、蓄电池、航标灯和遥测控制器（包含无线通信、电气检测、GPS定位）组成，利用太阳能的光伏电池吸收太阳光产生热量（光伏电池是能利用光伏效应将光能转化为电能的装置），也就是常见的太阳能板，其表面附着一层半导体材料的薄片，将半导体放置于阳光下时，半导体薄片的另外一侧和金属之间会产生电压，将大量的这种半导体零器件用串联和并联的方式连接到一起，从而产生更强的电压和电流，然后利用蓄电池等储能装置将这些产生的电能收集。将太阳能技术应用到航标灯上即使得航标灯管理人员的安装和维护方便，又保证了航标灯使用的可靠性，从而保证通航的正常运行。

（2）太阳能LED航标灯具体参数：为了能达到全天候的使用可靠度，在LED航标灯的设计上有非常严格的要求，航标灯在夜间的视觉必须达到4海里以上，光源的光色必须符合国标（GB12708—1991）《航标灯光信号灯颜色》中红绿色灯光色度的标准，另外，在保证使用寿命和功耗上面也有一些标准，常见的太阳能LED航标灯具体参数标准如表1所示。

（3）太阳能LED航标灯的结构及系统构成：结构设计以实用为原则，光源在水平方向上照射的角度控制在8°（±4°）左右，如图1为整体的外观结构图。

灯器位于顶部，内部由LED光源组成，通过灯罩内置在中央，蓄电池控制器和遥测器在灯底座内部，控制器通过连接线与蓄电池以及LED光源连接。控制器采用单片机数字系统，包含驱动电路、中央控制器、稳压电源、日光检测电路、遥测控制电路及抗干扰电路。日光检测电路对稳压电源和遥测控制电路的信号比对，将比对结果输入到中央控制器，由中央控制器对输入信号进行统一处理，最后控制驱动电路控制LED光源。其原理结构图如图2所示：其中，灯器的功能是照明警示，主控单元实现GPS定位、无线通信和电气检测功能，供电单元提供整个系统的电力保障。

3.风光互补的LED航标灯

为克服由于天气不良而带来的航标灯电池供电不足无法正常使用的问题，具有风能和太阳能驱动的风光互补LED航标灯可以弥补这一缺陷，将风光发电集成在一体式的航标上，为LED供电，可以全天候作业，供电效率更高。

风光互补LED航标灯和太阳能LED航标灯不同的地方在于其包括航标灯支架，风电互补航标灯支架顶端设置有航标灯光源、太阳能电池组件，航标支架上有垂直轴风力发电机、PWM无级卸载风光互补控制器、蓄电池。PWM无级卸载风光互补控制器中有风力发电机低压充电模块。结构如图3所示。

4.波光互补的LED航标灯

考虑到海洋中的波浪是一直存在的，而且在阴天、夜晚没有太阳能的时候，波浪力更为强烈，这就与太阳能相辅相成，因此如何综合两种能源，为航标灯器提供充足的能源系统。

波光互补的L E D航标灯在结构上分层，如图4、图5所示：第一层即顶层，为太阳能板直接接收太阳能进行发电。第二层为摆陀式波力发电机，类似于自发电式手表结构，依靠海洋波浪能，内部不对称的摆陀，可以随着浮标的摆动而产生机械能，切割磁感线产生电能。第三层为灯器，外置透镜，可以达到相应射程。第四层为集成电路，控制器，日光阀，遥测遥控元件等。第五层为蓄电池。层与层之间有散热结构。

这样的集成一体化灯器，取代了传统灯浮标的大型蓄电池，取代了电池箱，取代了大块太阳能硅板，取代了浮标灯器安装接线等一系列安装工序，如果这种波光一体模块化灯器出现坏损，远程即可知道，每层对应指示，直接更换对应结构层，或是拆卸返回后整体维修，方便快捷。发电机组全密封在灯器中各个层中，不会因为海水的腐蚀和风吹雨打损坏，又有效避免了的往来船舶碰撞造成的浮标太阳能板损坏。可以远程监控，远程调节灯器亮度，实现对雾天等全天候的应对，极大的节省了航标维护的人力，更能节省成本。

其中：1.传统灯器、2.太阳能硅板、3.浮标灯架、4.电线、5.铅蓄电箱池、6.灯浮标主体；7.太阳能发电结构层、8.波力发电结构层、9. 灯器透镜层、10集成电路层、11蓄电池层、12驱鸟针、13.散热结构、14.摆砣、15.永磁定子、16.转子、17.齿轮箱、18.LED灯。

5.新能源航标灯的应用价值

大力发展新能源走低碳化的经济发展道路已经成了中国乃至世界各国的重点发展方向，更是航海保障方面所不容忽视的，发展新能源的重大意义和价值具体体现在：

（1）稳定性强、可靠程度高：相对传统的电力驱动航标灯技术更先进，一体化程度集成度更高，去除了传统冗余的结构（结构太复杂往往容易造成设备老化、腐蚀），同时使用的LED灯源寿命长，降低了使用成本。

（2）维护方便：更加轻量化，具有体积小重量轻的特征，安装更换更加方便，由于在海上作业的难度较大，从而大大的节省航标维护人员的拆卸维护工作，也一定程度上保证了一线作业人员的人身安全。

（3）具有较大的经济价值：传统的航标灯的日常维护主要以更换灯泡、蓄电池更换为主，加上传统的灯泡可靠程度不高、故障率高等原因，一年下来的更换和维护费用相对较高，而新能源航标灯不用更换灯源，并且LED灯源使用寿命长，单个航标灯一年的维护费用能节省大约百分之四十左右，仅全国内河就已经达到两万多余座航标灯，能节约数以万计千瓦时的电能和数以万吨的柴油，每年可以节省数亿的能源成本。

（4）社会价值：传统的航标灯需要用到柴油机发电补给，1千克的柴油燃烧可产生3.1千克的二氧化碳和部分氮氧化合物，对大气污染严重。使用新能源航标灯之后，可变为零污染物，并且有效了利用了太阳能资源，达到节能减排的效果。

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