波浪能与太阳能集成航标系统的应用研究

■江 浩

(1.福建省交通科学技术研究所，福州 350004；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州 350004)

1 引言

目前，世界航标组织正大力倡导开发新型能源开发，以降低航标的维护周期和提高其可靠性。可再生电能源是指利用可再生自然能源发出的电能，具有清洁无污染、储量丰富、可持续利用等优点，且具有巨大的开发潜力。我省在航标的建设中所使用的可再生能源主要是太阳能和风能，而海洋、江河中蕴藏的巨大的波浪能却没有得到充分利用。在非可再生能源日益枯竭的今天，大力发展可再生能源，特别是开发潜力巨大且具有广阔应用前景的波浪能显得尤为重要。同时，为了顺应国家节能减排、自主创新、开发新能源的政策趋势，本文提出一种综合利用波浪能与太阳能两种新能源的航标装置，推广应用在海洋、江河航标中，具有非常积极的现实意义和良好的社会效益。

2 波浪与太阳能发电航标灯系统改造

基于振荡水柱式波浪能发电技术原理，本文研制的航标灯波浪能发电系统如图1所示。

图1 航标灯发电原理方框图

将波浪能发电装置安装于航标上，经改造后波浪能发电灯浮标主要由浮标、波浪能发电装置、蓄电池组和航标灯器等四部分组成(见图2)。波浪能发电装置垂直安装在带中心管的浮标上，在波浪作用下，浮标随波浪升沉，而中心管内水柱几乎保持不动，因而水柱象活塞一样排出和吸入空气，产生往复气流进而推动空气透平带动发电机旋转发电，产生的交流电经整流后输入蓄电池，向航标灯供电。

图2 波浪能发电浮标总图

根据图2波浪能发电浮标总图，对现有航标进行了系统改造。图3为现场航标改造的照片。

3 新能源航标的投放

为了对波浪能发电与太阳能发电效果进行对比，该航标上同时安装有波浪能发电装置和太阳能板。航标投放前应再次检查各处接线是否正确，接线点是否牢固，并用万用表检测蓄电池的端电压；航标投放后，当浮标升沉时，靠近浮标可以用耳察听装置发出的气流声和透平的旋转声响来判断装置是否已正常投入工作。投放时，航标应尽可能直立如水，不能横卧入水，以防海水浸入发电机。

本次航标的投放由福州航标处实施，选定闽江口D6灯浮位置 (地理坐标为 26°05′20.94″N、 119°43′45.41″E)，于2017年9月4日投放至指定地点，现场投放照片如图4所示。

图3 改造后的波浪与太阳能发电航标灯系统

图4 现场投放照片

4 新能源航标的测试

航标的测试采用基于AIS的航标无线监控系统，详见图5。AIS基站实时采集其覆盖范围内所有AIS航标的位置信息和运行状况信息，并将信息发送给AIS区域中心，AIS区域中心通过信息通信采集AIS航标信息将其存储在数据库中，并向其它系统提供数据库资源。

图5 基于AIS的航标无线监控系统框图

航标AIS的信息内容主要包括：(1)航标位置信息如航标类型、航标名称和位置等信息；(2)航标运行状况信息如电源电压、灯器电流、灯开关状态等运行信息。

本次利用福州航标处的AIS航标无线监控系统分别对该航标波浪能和太阳能板蓄电池发电电压进行了实时监测，数据传输频率为平均1次/20min，波浪能发电监测时间为2017年9月4日至2018年4月30日，太阳能板发电监测时间为2018年5月1日至2018年11月30日。对实测波浪能发电的航标遥测日报数据和太阳能电池板发电的航标遥测日报数据进行对比分析，波浪能提供的蓄电池电压为11.9V～13.0V，太阳能提供的蓄电池电压为11.0V～13.5V，两者提供的发电电压相当。此外，在监测期间，波浪能发电航标系统位置未发现明显偏离，航标灯工作状态正常，未出现故障。试验表明，该新能源航标在试运行期间，波浪能和太阳能集成应用于航标上，发电稳定，工作状态正常。

考虑到波浪能作为新能源之一，其分布广总量大，可就地取能。波能发电装置的性能受环境和气候的影响较低，在夜间和恶劣环境下仍可正常工作、性能稳定，填补了太阳能夜间及恶劣环境下不能发电的缺点。此外，波浪能相比太阳能更充足，如将波浪能与太阳能同时安装在航标上，可以相互补充，维持航标日夜正常工作，保证航运安全。

5 结论

基于振荡水柱式波浪能发电技术，将其波浪能与太阳能集成应用于航标上，经航标改造、水动力特性研究、现场投放和测试，结果表明该新能源航标中波浪能提供的蓄电池电压为11.9V～13.0V，太阳能提供的蓄电池电压为11.0V～13.5V，两者提供的发电电压相当，此外，该航标系统位置未发现明显偏离，航标灯工作状态正常，未出现故障，表明该新能源航标系统能满足日常工作要求。