范愛(ài)龍 毛 喆 桑凌志

（武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心1） 武漢 430063） （水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心2） 武漢 430063） （交通運(yùn)輸部水上交通安全與防污染研發(fā)基地3） 武漢 430063）

0 引 言

航標(biāo)是以促進(jìn)船舶和水上交通安全為目的而設(shè)計(jì)的、在船舶之外運(yùn)行的一種裝置或系統(tǒng)［1］.隨著傳感技術(shù)、信息傳輸技術(shù)的不斷引入，航標(biāo)的功能正變得越來(lái)越豐富.新型的多功能航標(biāo)除了具有傳統(tǒng)的助航功能外，還集成了多種傳感器，用于實(shí)時(shí)的采集航標(biāo)周?chē)臍庀笏囊约昂綐?biāo)狀態(tài)等相關(guān)信息［2］.當(dāng)前的多功能航標(biāo)，大多采用了太陽(yáng)能電池與蓄電池組合供電的方式.但由于我國(guó)內(nèi)河流域濕度大，霧氣重，特別是冬季，連續(xù)的霧霾天氣，容易導(dǎo)致多功能航標(biāo)系統(tǒng)因供電不足而無(wú)法正常工作，供電系統(tǒng)逐漸成為內(nèi)河多功能航標(biāo)發(fā)展的瓶頸.

內(nèi)河航標(biāo)供電，可選擇的發(fā)電方式有太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水流發(fā)電等清潔能源發(fā)電［3］.從各種發(fā)電技術(shù)的可靠性角度考慮，本文采用風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)的供電模式.當(dāng)前已經(jīng)有許多風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用示范，如風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電電源、風(fēng)光互補(bǔ)通信站、風(fēng)光互補(bǔ)水泵、風(fēng)光互補(bǔ)建筑和風(fēng)光互補(bǔ)日用產(chǎn)品等［4］.由于航標(biāo)工作環(huán)境的特殊性，使得航標(biāo)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同于岸上，本文設(shè)計(jì)了一種適合于水上工作環(huán)境的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng).

1 多功能航標(biāo)功耗

多功能航標(biāo)用電設(shè)備主要分為2大類(lèi)：航標(biāo)燈和各類(lèi)標(biāo)載傳感及通信設(shè)備.由于航標(biāo)燈的供電安全關(guān)系到船舶的行駛安全，其日常的電力供給與維護(hù)由航道管理部門(mén)負(fù)責(zé).在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將標(biāo)載設(shè)備的供電在設(shè)計(jì)時(shí)獨(dú)立于航標(biāo)燈的供電.表1列出了多功能航標(biāo)主要的用電設(shè)備工作時(shí)的電流值.

表1 多功能航標(biāo)用電設(shè)備工作電流值 mA

由表1可知，多功能航標(biāo)系統(tǒng)工作時(shí)的峰值電流I＝2 019mA.已知系統(tǒng)的工作電壓U＝12 V，由此可算出多功能航標(biāo)系統(tǒng)負(fù)載總功率為：

多功能航標(biāo)系統(tǒng)用電需求大，為了保障航標(biāo)的供電穩(wěn)定，建立起風(fēng)能、太陽(yáng)能互補(bǔ)的多功能航標(biāo)供電系統(tǒng).各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)需要能夠匹配多功能航標(biāo)系統(tǒng)的功耗，以保障多功能航標(biāo)的正常工作.

2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 供電系統(tǒng)組成

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、蓄電池組、逆變器和控制器等部分組成［5］.多功能航標(biāo)用電設(shè)備使用直流電，因此本系統(tǒng)中不使用逆變器.圖1為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的多功能航標(biāo)供電系統(tǒng)組成框圖.

圖1 多功能航標(biāo)供電系統(tǒng)組成框圖

2.2 蓄電池

蓄電池是供電系統(tǒng)中非常重要的組成部分，在獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)中同時(shí)起著能量存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)電能的作用［6］.它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，供電能不足時(shí)使用.蓄電池容量的大小與系統(tǒng)的負(fù)載以及蓄電池的自給時(shí)長(zhǎng)等有關(guān)，在工程應(yīng)用中可由下式計(jì)算出：

式中：C為蓄電池容量，A·h；T為自給時(shí)長(zhǎng)，h；P為負(fù)載總功率，W；U 為蓄電池工作電壓，V；KF為溫度系數(shù)；η0為蓄電池的放電深度.

為了保證供電的可靠性，在進(jìn)行容量設(shè)計(jì)時(shí)，要求蓄電池能夠在系統(tǒng)連續(xù)5d沒(méi)有任何外來(lái)能源的情況下，可以保障多功能航標(biāo)的連續(xù)工作.同時(shí)，為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，放電深度η0設(shè)為70%，KF＝0.9，則可算出蓄電池的容量：

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，選取2組200A·h的蓄電池可滿足工作需要.

2.3 太陽(yáng)能發(fā)電單元

1）太陽(yáng)能電池選型 太陽(yáng)能電池功率的大小采用如下公式計(jì)算：

式中：Ps為太陽(yáng)能電池板的功率，W；P為負(fù)載總功率，W；h為負(fù)載每天工作時(shí)間，h；t為每天平均光照小時(shí)數(shù)，h／d.

標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度1 000W／m2情況下，折算每天有效的照射時(shí)間，取t＝6h，則太陽(yáng)能電池的功率Ps＝96.8W.由于太陽(yáng)能電池在發(fā)電與存儲(chǔ)過(guò)程中存在著損耗，因此選擇2塊70W的單晶硅太陽(yáng)能電池板.

2）太陽(yáng)能電池板安裝 考慮到航標(biāo)會(huì)經(jīng)常隨著布設(shè)水域的改變，其朝向也會(huì)發(fā)生改變，如果采用固定式的安裝，很難調(diào)整太陽(yáng)能電池板的朝向.本系統(tǒng)充分考慮了航標(biāo)的特殊性，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能電池板可調(diào)式安裝底座.太陽(yáng)能電池板支架下方的調(diào)節(jié)器，可以根據(jù)朝向的需要，調(diào)整緊固螺栓穿過(guò)的螺孔，即可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板朝向的二次調(diào)整，見(jiàn)圖2.

圖2 太陽(yáng)能電池板半固定安裝

2.4 風(fēng)力發(fā)電單元

風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的方向不同，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)［7］.由于，航標(biāo)上搖晃性較強(qiáng)，不適合安裝水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，本系統(tǒng)采用H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入功率Wf可用如下計(jì)算式表示

式中：v為風(fēng)速；ρ為空氣的密度；A為受風(fēng)面積；CP為風(fēng)機(jī)的功率系數(shù)；D為風(fēng)輪直徑；H為葉片的高度.

由式（5）可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、風(fēng)輪直徑以及葉片的高度有關(guān).綜合考慮航標(biāo)的用電需求、內(nèi)河風(fēng)速以及航標(biāo)上的安裝空間3個(gè)因素，風(fēng)力發(fā)電單元選用300W的H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī).該風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速條件下的輸出功率見(jiàn)表2.

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的輸出功率

3 可靠性分析

針對(duì)上述設(shè)計(jì)，以武漢地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為例，計(jì)算供電系統(tǒng)的發(fā)電量，采用逐月能量平衡法對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析.

3.1 用電需求

由式（1）可得出多功能航標(biāo)系統(tǒng)負(fù)載總功率為24.2W，根據(jù)每個(gè)月工作天數(shù)的不同，可估算出多功能航標(biāo)各月份的用電需求Wd，見(jiàn)表3.

3.2 發(fā)電量計(jì)算

供電系統(tǒng)的發(fā)電量用Wt表示

式中：Ws為太陽(yáng)能所發(fā)的電量；Ww為風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量.

1）太陽(yáng)能發(fā)電量 Ws可用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

表3 多功能航標(biāo)各個(gè)月用電需求

式中：η為太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率；A為電池板的面積，m2；Gt為傾斜面上的總輻射量，kW·h／m2，為了使得全年的發(fā)電量最大，武漢地區(qū)的太陽(yáng)能電池板陣列的傾斜角設(shè)計(jì)為24°［8］.根據(jù)選擇的太陽(yáng)能電池板特性，η＝15%，A＝1.04m2.由式（7）可計(jì)算出太陽(yáng)能發(fā)電單元各月份的發(fā)電量Ws，見(jiàn)表4.

表4 武漢地區(qū)各月份太陽(yáng)總輻射量及發(fā)電量 kW·h

2）風(fēng)力發(fā)電量 武漢地區(qū)江面上各月份的 平均風(fēng)速見(jiàn)表5.

根據(jù)表（2）中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率特性，利用三次多項(xiàng)式插值法可計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率Pw（W）.風(fēng)能每天的有效利用小時(shí)數(shù)為9h，從而可得到各月份風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，見(jiàn)表6.

表5 武漢江面各月份平均風(fēng)速m／s

表6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率及發(fā)電量 kW·h

3.3 供求分析

利用Matlab中的polyfit函數(shù)，對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，多功能航標(biāo)各月份用電量與發(fā)電量之間的曲線圖見(jiàn)圖4.

由圖4可以看出，獨(dú)立的太陽(yáng)能發(fā)電單元、風(fēng)能發(fā)電單元都不能保障多功能航標(biāo)的連續(xù)、穩(wěn)定工作.但是在風(fēng)光互補(bǔ)模式下，總發(fā)電量在滿足多功能系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作用電的同時(shí)，富裕的電量可以充滿蓄電池組，進(jìn)一步保障多功能航標(biāo)的用電安全.

圖4 多功能航標(biāo)電量供求關(guān)系圖

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)光互補(bǔ)的內(nèi)河多功能航標(biāo)供電系統(tǒng)，各個(gè)模塊功率和容量的大小是由標(biāo)載設(shè)備的用電需求決定的.在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中加入風(fēng)力發(fā)電模塊，雖然會(huì)使購(gòu)置設(shè)備的一次性初投資增加，但是可以有效的克服風(fēng)能和太陽(yáng)能能量密度低的缺陷.利用二者之間的有效互補(bǔ)特性，建立風(fēng)光互補(bǔ)的供電系統(tǒng)，可以很好的保障多功能航標(biāo)的用電安全，不僅可以解決多功能航標(biāo)長(zhǎng)期以來(lái)面臨的供電不足的問(wèn)題，還有利于多功能航標(biāo)的進(jìn)一步發(fā)展.需要指出的是，隨著水流發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，引入水流發(fā)電模塊，組成風(fēng)－光－流互補(bǔ)的供電系統(tǒng)，將是未來(lái)航標(biāo)、島嶼以及各種水面工作平臺(tái)上一種較為理想的供電模式.

［1］黃忠國(guó)，柴 田，張杏谷.航道浮標(biāo)配布合理性定量評(píng)價(jià)的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2012，36（5）：1036－1039.

［2］方 晶，吳 青，初秀民，等.基于多功能航標(biāo)的長(zhǎng)江水文信息采集系統(tǒng)研究［J］.交通信息與安全，2010，28（6）：53－56.

［3］嚴(yán)新平.新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)展及展望［J］.船海工程，2010，39（6）：111－115.

［4］王志新，劉立群，張華強(qiáng).風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用新進(jìn)展［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（5）：40－45.

［5］齊志遠(yuǎn)，王生鐵，田桂珍.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31（5）：654－659.

［6］盧為平.風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［7］黃錦成.小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研制［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

［8］楊金煥，毛家俊，陳中華.不同方位傾斜面上太陽(yáng)輻射量及最佳傾角的計(jì)算［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（7）：1032－1036.