淺談國內航標新能源技術的應用

劉天才

摘 要：航標是我國航海安全保障體系的重要組成部分，航標能源的發展一直貫穿著航標技術的發展史。本文介紹了航標新能源的種類、特性和國內航標新能源應用狀況、發展前景及重點研究方向，對國內航標新能源應用具有一定的指導意義。

關鍵詞：航標 新能源 應用

1.航標能源應用原則

航標是我國航海安全保障體系的重要組成部分。它為我國航運事業的快速發展，為航行安全和海洋清潔提供了有力的支持和保障。國內航標能源應用的原則是合理利用現有資源、節約能源、安全高效環保。航標能源應用的首要問題是要提供安全可靠的助航服務，保障航行安全；其次是在有可靠安全保障的基礎上，合理利用已得到認可的新能源；同時開發研究其它的新能源。在此大原則下，在保障航標效能的前提下，三管齊下，使航標能源的應用和技術研究能跟上新科技發展，獲得可持續發展。

2.航標新能源應用特性和國內應用狀況

據統計，到2016年我國沿海設置的各類航標已超過一萬座，包括目視音響航標、RBN-DGPS臺、AIS岸臺、AIS航標和雷達應答器等助航標志和設施。在所有航標能源中，市電無疑是最有保障的穩定的電力來源，但由于航標特殊的地理位置，能直接使用市電的只占一小部分，因此要充分研究和考慮其他能源、特別是可再生清潔能源的應用，如太陽能、風能、海洋能等。

2.1太陽能

太陽能是地球上可以直接接受并利用的太陽輻射能。太陽能的利用主要有三個方向：太陽能轉化為熱能、太陽能轉化為電能、太陽能轉化為化學能。航標行業重點關注光電轉換中的太陽能光伏發電。

太能陽光伏發電系統是一項非常成熟的技術，在航標上應用廣泛，其普及率由高到低的航標是：燈船、燈浮標、燈塔和燈樁，平均應用普及率達百分之九十多。太陽能光伏供電系統以其清潔、經濟、環境要求低而得到廣泛的應用，在航標上的應用應充分肯定和推廣。

目前應用廣泛的是硅太陽能電池，主要包括：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。單晶硅電池效率高、光電轉換效率不易隨時間衰退。但單晶硅制造過程花費成本高，所以價格昂貴。多晶硅光電轉換效率下降，且效率會隨著時間衰減。非晶硅電池其結晶構造比多晶硅差、非晶硅電池最大優點成本低，缺點是效率低且隨時間衰減，廣泛用于小功率市場。目前航標上多用多晶硅電池， 鑒于航標的特殊要求，應根據航標地理位置、重要性和電池性價比合理選擇太陽能電池，同時關注非晶硅太陽能電池技術的發展。

2.2風能

風能是指流動的空氣所具有的能量。我國風能資源豐富的地區主要分布在東南沿海及附近島嶼以及北部地區。風能利用最重要的一部分是風力發電，即把風能轉化為電能。

航標很多處于風能充沛的地區，利用風能發電也早已得到應用，和并網發電的風電場相比，航標用風力發電只是一個獨立的小系統。目前應用風力發電的沿海航標已有二十多座，對于風力發電在航標上的應用也在不斷地改進當中。

風力發電機的種類很多，且近年來發展迅速，技術性能和性價比都有所提高。航標上應用的風機，主要關注的是風力發電系統的發電效率和發電機與航標的匹配性。適合的才是最好的，應根據當地氣象條件和航標種類設計和選擇。

2.3海洋能

海洋能通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源。主要分為：潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水溫差能和海水濃度差能。目前在航標上應用效果較成熟的是波浪能。

（1）波浪能

波浪能是海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪發電是利用固定或漂浮的裝置，將波浪的能量收集起來，并轉換成電能。目前已經研究開發比較成熟的波浪發電裝置基本上有三種類形：振蕩水拄型、機械型和水流型。這三種類型裝置各有優缺點，但有一個共同的問題是波浪能轉換成電能的中間環節多，效率低，電力輸出波動性大。

對于安裝在海上的航標，波浪能是唾手可得的一種無污染、可再生的能源。尤其是用于海上的浮標，波浪發電確實是能源利用很好的一種途徑。目前應用波浪發電的沿海航標超過30座，多為振蕩水柱形。但波浪能密度低、不穩定，為確保航標工作效能，一般不單獨使用波浪發電裝置給航標供電。目前的波浪發電裝置種類不多，一些技術環節可提升的空間很大。因此，在設計航標用波浪發電系統時，嚴格考察系統性能指標并充分考慮備用電源設計。

（2）海流能

海流能是海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩定的海水流動以及由于潮汐導致的有規律的海水流動。海流發電是依靠海流的沖擊力使水輪機旋轉，然后再帶動發電機發電。

（3）海水溫差發電是指利用海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱能發電

目前航標能源對海洋能的直接利用僅限于波浪能，而且由于波浪發電技術的限制，這種利用并不充分，相信隨著波浪發電技術的發展，未來發展前景值得期待。

2.4新型儲能電池

目前航標應用最多的是儲能電池是閥控式密封鉛酸蓄電池，太陽能一體化航標燈配置的是鋰電池。鈉硫電池和液流電池是大容量儲能電池，適用于大型儲能系統。超級電容器是近年來出現的一種新型儲能器件，根據電化學雙電層理論研制而成。它兼有常規電容器功率密度大，普通電池能量密度高的優點，并且具有充放電時間短，循環性能好，使用壽命長，對環境無污染等特點。但超級電容器用于航標，其在海上惡劣條件，比如高溫高濕天氣下的應用還有待考證。近來發展迅猛的鋰離子電池和閥控式密封鉛酸蓄電池相比，重量輕、容量大、使用壽命長，但價格昂貴。隨著鋰離子電池新材料的研發、電池制作技術的創新，鋰離子電池性能提高，成本降低，其在航標上的應用會越來越廣。

3.多種類型能源的綜合應用

上面介紹的能源無論是太陽能還是風能和海洋能，都是間歇的、不穩定的，都有其局限性。單一能源系統在設計時需考慮極其惡劣的氣候條件和考慮充分的冗余，因此單一的能源系統一般難以滿足航標能源需求。為保證可靠性，航標能源應用一般是至少兩種類型能源綜合應用，目前國內航標行業發展應用較快的是風光互補發電系統。

風光互補發電系統是集風能、太陽能發電技術及系統智能控制技術為一體的復合可再生能源發電系統。風光互補發電系統示意圖如圖2。

風光互補發電系統根據風力和太陽輻射變化情況，可以選擇三種運行模式：風力發電機組單獨向負載供電、光伏發電系統單獨向負載供電、風力發電機組和光伏發電系統聯合向負載供電。風光互補發電和單獨的風力發電或太陽能光伏發電比有明顯的優勢：可以獲得較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性；在供電量不變的情況下，可大大減少冗余設計，特別是儲能電池的數量。

4.航標新能源應用展望

航標特殊的地理位置和助航保障的神圣職責，使得能源保障的重要性愈發突出。國內航標管理部門對航標新能源的發展和應用一直非常關注，國內航標新能源的應用在國際上一直走在前列。但隨著能源技術的快速發展和對航標能源應用可靠性及成本的高要求，國內航標管理部門在航標能源實際應用中也面臨不少問題，這必將引發國內航標管理部門和航標廠商對航標應用新能源更深層次的探究。