某大型灯塔航标效能和电源配置的计算和选择

谢俊奎

摘 要：本文以在建的某灯塔为例，从大型灯塔的效能、设备技术规格以及电源配置方面，进一步探讨计算和选择方法，以便在满足灯塔航标效能的同时，达到节省资源、降低造价的目的，为处理同类问题提供参考。

关键词：灯塔;航标效能;电源配置方案

中图分类号：U644.4            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）04-0041-02

某灯塔为一级B类灯塔，钢筋混凝土筒体结构，建筑占地面积约为1000平方米，灯塔高度70米左右，塔身顶部设有航标设备及观景平台。设备主要是航标主灯、航标副灯、雷达应答器、北斗导航终端、太阳能电池、蓄电池、充电控制器等设备。灯塔位于两个大型港口结合部，灯塔效能既要为这两个港口进港船舶服务又要覆盖另两个灯塔效能的空白部分海域，在航标效能、设备技术规格以及电源配置方面有许多选择。本文在遵循先进可靠、合理可行、环保节能、与周边环境相协调的原则下，经过优化配置方案，满足灯塔所需功能要求。

1 灯塔航标效能和设备技术规格的配置要求

1.1灯塔航标效能设计要求

灯质的确定。灯质表示的是标志特征，其实现方法一般白天以颜色和形状或顶标来表示，夜间以标光色、节奏和周期来表示。某灯塔西方向有相邻的两个灯塔A和灯塔B，分别闪白3秒和闪白10秒，该灯塔覆盖范围正好是灯塔A和灯塔B的结合部，为便于船舶识别，经研究确定某灯塔灯质拟定为闪白6秒。

工作距离。某灯塔位置与主导航港区距离36.2公里，为更好地覆盖主导航港区进港航道，灯光射程不能小于22海里，以弥补灯塔A和灯塔B覆盖面的不足。根据灯塔的分类标准，某灯塔定位为一级B类灯塔。

灯光高度。为了覆盖主导航港区进港航道，灯塔工作距离应不小于22海里，若观测者（300总吨货船）眼高5米，当地平均潮位按2.6m计算，满足灯塔地理视距的灯光高度为：

h = （d/2.08-）2+2.6= （22∕2.08-）2+2.6 = 72.2m

式中：h—灯光高度，m;d—灯光视距，海里;e—观测者眼高，m。

灯塔高度。某灯塔位置的地面标高4.0m，塔身顶部灯笼底座和灯柱高度按3.0m考虑，则灯塔塔身建筑对地高度为： H=72.2m-（4.0m+3.0m）=65.2m

计算满足地理视距的灯塔塔身对地高度至少65.2米，可根据灯塔的造型和外观效果适当调整。

1.2灯塔航标设备技术规格配置方案

根据灯塔的使用功能要求，某灯塔技术设备包括大型航标灯器、副灯、雷达应答器、远程遥测终端和太阳能电源设备组成，设备技术方案如图1所示。

（1）航标主灯。 为了满足某灯塔工作距离的要求，选用射程22海里及以上的大功率的旋转式灯器，主要技术规格如下：

输入电压：DC 9～36V， 灯泡功耗：95W， 电机功耗：平均2.5W， 射程 ≥22nm

（2）航标副灯。 为了提高航标灯器工作的可靠性，选择射程12海里的小型航标副灯，主要技术规格如下：

输入电压：DC 9～36V，功耗：最高36W，射程 ≥12nm

（3）雷达应答器。为了便于船舶识别某灯塔，在灯塔上加装1台雷达应答器。雷达应答器的主要技术规格如下：

发射功率：400mW（+26dBm）;频率范围：9.29.5MHz;接收灵敏度：优于-50dBm，电源功耗：6W。

（4）测控终端。A）每一小时定时报告一次（可调）、晚上灯器亮灯和早上灭灯时发报一次。B）当检测到设备有故障或是有异常时，立即报警;可远程查询工作状态。C）主/副灯本地自动转换。

2 灯塔电源配置方案

2.1太阳能供电方案

考虑到目前市电不够稳定和北海地域日照充足，灯塔技术设备采用太阳能和市电互补的电源系统方案。在晴天日照充足的情况下，以太阳能供电为主，体现绿色环保节能的设计理念。在连续阴雨天超过额定的天数时，用市电给予补充。太阳能和市电组合电源供电方案如图2所示。

2.1.1电源负荷计算

（1）灯器每天耗电量：Q1=[L/（L+D）]×I×h =18.43 （Ah）

式中：Q1—灯器每天的耗电量，Ah;L—每个闪光周期中“明”的时间，L=1;D—每个闪光周期中“暗”的时间，D=5;I—光源额定电流，取I=95W/12V=7.9A;h—灯器每天工作时间，取h=14h。

（2）雷达应答器每天耗电量：雷达应答器功6W，则每天耗电量Q2=6W/12V×14h=7 （Ah）。

（3）北斗遥测装置每天耗电量：测控终端的功率5W，电压12V，则：Q3=5W/12v×24h=10 （Ah）。

（4）技术设备每天总耗电量：Q = Q1+Q2+Q3 = 18.43+7+10 = 35.43 （Ah），取Qa=36 （Ah）

（5）蓄電池容量计算 ：Q=（Qa× d）÷（α×β）×η

式中：QA—灯塔每天的耗电量，Ah;d—蓄电池连续工作的阴雨天数，因为有市电备用，取d=13天;α—蓄电池放电效率，取90%;β—蓄电池放电深度，取70%;η—蓄电池安全系数，取1.25。

将有关参数代入公式：Q=（36×13）÷（0.9×0.7）×1.25=928.5Ah。

取 Q =1000 （Ah）。采用12块、每块容量2V/500Ah的蓄电池，通过串并联组成蓄电池组。

（6）太阳能功率计算

某灯塔每天、每月、每年用电量分别为：W天=P×t= P1×t1+ P2×t2 +P3×t3[0.095×L/（L+D）×14]+（0.006×14）+0.005×24）=0.2217+0.084+0.12=0.43（KWh）;

W月= W天×30=12.77（KWh）;W年=W月×12=153.3（KWh）。

北海平均每年日照天数参照有关资料，北海全年平均日照时数按2219小时计算。太阳能电池板的最小峰值功率为：PA= W年÷2219h=0.069 （KW）

为留有足够余量，太阳能电池板峰值按1000W设计，取功率100 W的单块太阳能电池组件， 需要并联路数为： N=500/100=5 （块）

共需5块200W的太阳能电池组件并联组成发电系统，其总容量为：PA=200W×5=1000 （W）

2.1.2设备配置

（1）太阳能电池板。技术标准：符合IEC61215标准，设计寿命> 25年。电池片类型：单晶硅;额定功率：200W ;组建串联数目：5块。

（2）自动稳压整流器。输入电压：220V 60HZ、380V 50HZ （可根据客户需求定制）;输出电压：0-200V  （可调），输出电流：0-500A （可调）。稳压精度≤±1%，稳流精度≤±1%。

稳定方式：稳流限压、稳压限流可切换。调节范围：电流/电压在0～100% 额定值内连续调节。

（3）蓄电池组。电池类型：免维护铅酸蓄电池，单体蓄电池容量：2v/500 Ah。

2.1.3主要技术设备和电源设备表

某灯塔主要技术设备技术参数和电源设备如下表。

综合以上的太阳能供电配置方案，仅是满足灯塔基本功能使用的要求。至于作为一级B类大型灯塔，除了航标设备外，还有照明系统、防雷接地系统、消防报警系统以及生活设备等系统。某灯塔技术设备采用太阳能和市电互补（应急柴油发电机备用电源）的电源系统方案。

2.2应急柴油发电机备用电源方案

为了保障设备供电，在某灯塔设施内采用柴油发电机作为备用电源。

（1） 负荷计算。根据灯塔设备设施用电负荷估算如下：①航标设备（另有太阳能电源）用电量：4KW;②接待室：2KW;③电梯：15 KW;④照明：5 KW;⑤空调：20 KW;⑥业务机房（考虑柴油发电机备用电源）：15 KW;⑦消防用电：20 KW;⑧生活用电：20 KW;⑨其它：14 KW，合计：100 KW。以上合计，总用电负荷按100kW考虑，其中航标设备4 kW，电梯、空调、照明和生活用电等按96kW考虑，则负荷电流189.9A。

（2）备用电源。采用100kW的柴油发电机，满足电梯、照明、业务机房和生活用电。柴油发电机房，储油间的总储存量不大于1m?。

2.3采用市电电源及配电系统

（1）电源。根据《灯塔主体及附属设施设置要求》（JT/T321-1997），某灯塔工程采用低压380/220V电源供电，消防负荷及应急照明为二级负荷，其余为三级负荷。从市政变电所引入10kV的高压供电线路至灯塔，经变压器降压后给灯塔设施供电。

（2）计量。某灯塔工程采用高压侧计量;低压侧根据需要作参考计量。

（3）配电系统。由变电所（站）低压侧至灯塔内的电源采用放射式供电，建筑物内的照明和动力采用放射式和树干式相结合的方式供电。

综上所述，为某灯塔航标效能设计、设备技术规格和电源配置方案，能滿足灯塔功能需求，也能满足进出港船舶识别北海港特别是铁山港东西港区航道、定位和转向服务。

参考文献：

[1]《灯塔主体及附属设施设置要求》JT/T321-1997;

[2]《航标灯光信号颜色》GB 12708-91;

[3]《航标灯光强测量和灯光射程计算》JT/T730-2008;

[4]《中国海区水上助航标志》GB 4696-2016。