孔令臣，劉祥玉，闞衛(wèi)明，陳永紅

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300456）

1 研究背景

我國北方環(huán)渤海港口多為冬季冰凍港口，冬季常出現(xiàn)大量密集流冰，冰況嚴(yán)重時(shí)，容易造成港口水上常規(guī)燈浮標(biāo)標(biāo)體損壞、標(biāo)志移位、燈光熄滅，航標(biāo)助航效能降低、失效，嚴(yán)重影響進(jìn)出港船舶的航行安全，降低了港口的通航能力[1]。2003年和2004年，天津航標(biāo)處成功研制出φ1.1 m和φ1.4 m兩種規(guī)格冰標(biāo)，并逐步在北方冰凍港口推廣使用，2010年天津航標(biāo)處又研制了新型冰標(biāo)，新型冰標(biāo)在燈器、遙測(cè)遙控、專用電池、外形結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了改進(jìn)，最大限度地?fù)碛辛藢?dǎo)（抗）冰能力，但是目前冰標(biāo)始終無法克服其無頂標(biāo)，顯形面積較?。s為2.5 m2）、供電時(shí)間短（僅為5個(gè)月）等缺陷，且不符合水上浮動(dòng)助航標(biāo)志相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的要求（要求不小于3.5 m2）。

隨著航運(yùn)及沿海港口經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，航標(biāo)設(shè)置數(shù)量逐年增加，截止2011年底，天津航標(biāo)處管轄海區(qū)共設(shè)置各類航標(biāo)3 292座，其中需要實(shí)施春冬季換標(biāo)的水上浮動(dòng)標(biāo)志的數(shù)量就達(dá)到了921座。目前，北方冰凍港口需每年實(shí)施春、冬季換標(biāo)作業(yè)，即在冬季來臨之前，將常規(guī)浮標(biāo)更換為具備抗導(dǎo)冰性能的冰標(biāo)，在冬季結(jié)束后，再將冰標(biāo)更換為常規(guī)浮標(biāo)。大量航標(biāo)在較短時(shí)間內(nèi)集中進(jìn)行更換作業(yè)給航標(biāo)作業(yè)船舶及人員帶來較大的壓力，每年標(biāo)體更換時(shí)，海上作業(yè)條件艱苦，耗費(fèi)大量人力、物力及財(cái)力，平均每座標(biāo)體的更換費(fèi)用約為1.52萬元/a（天津航標(biāo)處提供數(shù)據(jù)）。在冰凍期，為減少浮冰對(duì)航標(biāo)的影響，北方港口大部分常規(guī)燈浮標(biāo)被更換為冬季冰標(biāo)以后，航標(biāo)的目視效果，包括雷達(dá)反射效果都大大減弱，尤其是在風(fēng)、浪較大的海況下，冰標(biāo)的雷達(dá)反射回波幾乎完全被風(fēng)、浪所形成的雷達(dá)回波淹沒，航海者無法判斷航標(biāo)的準(zhǔn)確位置，航標(biāo)助航效能得不到充分的發(fā)揮。見圖1。

圖1 目前常規(guī)浮標(biāo)和冰標(biāo)Fig.1 At present regular buoy

本文論述的長效燈浮標(biāo)系統(tǒng)的研究是在原φ1.4 m冰標(biāo)基礎(chǔ)上采用潛入式大容量電池倉配合太陽能板補(bǔ)充供電，將浮標(biāo)的供電期延長到2 a以上，另外，標(biāo)體增加了焦面高度及顯形面積，增設(shè)功能性外掛，提高助航性能。長效燈浮標(biāo)延長了航標(biāo)更換及維護(hù)周期，降低維護(hù)成本。目前海域內(nèi)單點(diǎn)標(biāo)體有2個(gè)（冬季冰標(biāo)及夏季常規(guī)浮標(biāo)），長效燈浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)單航標(biāo)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 研究方案

2.1 供電系統(tǒng)研究

常規(guī)浮標(biāo)采用太陽能供電，電池外露，目前的冰標(biāo)，均采用蓄電池供電，供電期約為5個(gè)月，冬季氣溫較低，供電偶有中斷，穩(wěn)定性差，電池耗盡后航標(biāo)燈不再閃亮。因此，研究較為長效的供電系統(tǒng)迫在眉睫，本次供電系統(tǒng)的研究采用高性能鋰電池和太陽能電池組合的供電系統(tǒng)，以降低能源維護(hù)周期。

2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

1）不同燈質(zhì)電量計(jì)算[2]

燈器射程為：3 n mile；靜態(tài)功耗：0.003 Ah，3.7 V；動(dòng)態(tài)功耗 ：0.3 Ah，3.7 V；通信功耗：0.012 5 Ah，3.7 V；發(fā)光時(shí)長：14 h/d；

①經(jīng)計(jì)算燈質(zhì)為4 s單閃（每4 s閃亮0.5 s）2 a用電量為654.81 Ah。

②經(jīng)計(jì)算燈質(zhì)為6 s雙閃（每3 s閃亮0.5 s）2 a用電量為782.56 Ah。

按照最大值設(shè)計(jì)，2 a用電量設(shè)計(jì)值為800 Ah。

如果考慮全部采用鋰電池供電，應(yīng)至少采用800 Ah電池（單體圓柱6層），鋰電池重量可達(dá)17.4 kg，高度可達(dá)420 mm，體積較大；鋰電池都有一定的壽命，被淘汰之后，存在嚴(yán)重的污染隱患，不符合目前低碳、綠色的環(huán)保理念；結(jié)合后期長效浮標(biāo)的發(fā)展要求，如果將供電期延長為4～5 a，單純的鋰電池供電方式不能滿足要求。

綜上所述，本次供電系統(tǒng)采用鋰電池及太陽能電池板綜合供電的供電方式。

2 a更換周期內(nèi)，冰凍期約為10個(gè)月，期間不能安裝太陽能板，只能采用電池供電，因此電池供電的有效時(shí)長最少為10個(gè)月，考慮余量2個(gè)月，因此，設(shè)計(jì)鋰電池的供電容量為12個(gè)月。

2）鋰電池體積

單體電池組為圓柱形結(jié)構(gòu)，直徑為180 mm，高為70 mm。單體電壓為3.7 V，單體容量為137 Ah，單體重量為2.9 kg。

400 Ah電池規(guī)格：單體圓柱3層，重量為8.7 kg，高度為210 mm。

鋰電池放置倉安放在標(biāo)體底部，內(nèi)部設(shè)置電池倉通道鋼管，這樣在水位線以下部分的溫度在冬季一定高于水面溫度，避免由于低溫導(dǎo)致鋰電池的容量下降。另外，據(jù)長期實(shí)踐證明，在標(biāo)體水位線以下部分的受損幾率很小，所以安全系數(shù)也增加了[3]。

3）太陽能電池設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

扣除冰凍期，太陽能電池板供電設(shè)計(jì)時(shí)長為14個(gè)月，供電期內(nèi)，航標(biāo)燈最大總用電量為456.5 Ah。

電池板設(shè)計(jì)功率：3 W，5.5 V，幾何尺寸如圖2。

圖2 太陽能電池板尺寸示意圖（單位：mm）Fig.2 Sketch of the solar battery panel size （mm）

每小時(shí)發(fā)電量為0.54 Ah，按照每天3 h的有效發(fā)電時(shí)長計(jì)算，則發(fā)電量為：

0.54×3× 420=680.2 Ah>456.5 Ah

太陽能板供電量能滿足需求，長效燈浮標(biāo)系統(tǒng)太陽能電池板采用柔性太陽能電池板，如圖3，它是利用卷到卷的工藝把三結(jié)非晶硅合金沉積在不銹鋼襯底上，具有柔性，輕便（3.4 kg/m2），耐高溫性能好，容易與建筑曲面結(jié)合，耐陰影，遮擋，污染損失更小，風(fēng)阻更小等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 柔性太陽能電池板Fig.3 theflexible solar battery panel

4）備用電池設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

考慮到主電池的供電安全性，如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換到備用電池，并自動(dòng)在遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行提示，以便客戶有足夠的時(shí)間來安排維修計(jì)劃。由于海上作業(yè)的特殊性，備用電池至少要能夠續(xù)航15 d才能滿足需要，經(jīng)計(jì)算為16 Ah（4顆34615型電池）。

2.1.2 結(jié)果分析

本次供電系統(tǒng)采用鋰電池及太陽能電池板綜合供電的方式，主供電系統(tǒng)鋰電池采用400 Ah，將電池倉置于標(biāo)體下部，水面1.5 m以下，標(biāo)體內(nèi)部設(shè)置電池倉通道鋼管；采用柔性太陽能電池板，設(shè)計(jì)功率為10 W，5.5 V，外掛安裝于標(biāo)體頂部，除冰凍期不安裝外，其余時(shí)間將為蓄電池補(bǔ)充充電；輔供電系統(tǒng)采用16 Ah（4顆34 615型電池）。

考慮到長效浮標(biāo)服役期較長，日常維護(hù)中會(huì)有很多問題出現(xiàn)，所以，在設(shè)計(jì)上要采用模塊式結(jié)構(gòu)，例如：燈器、遙測(cè)遙控驅(qū)動(dòng)單元、主電池、副電池、太陽能電池板等都要有獨(dú)立的單元，以避免因局部損壞而影響其他部分功能失效。為實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)故障的情況下供電系統(tǒng)能及時(shí)修復(fù)，標(biāo)體內(nèi)安裝主蓄電池失常無線報(bào)警裝置。

2.2 標(biāo)體結(jié)構(gòu)研究

常規(guī)浮標(biāo)具有焦面高度高（4 m左右）、顯形面積大（4 m2左右）、可安裝頂標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，其目視及導(dǎo)航效果好。現(xiàn)有的冬季冰標(biāo)，焦面高度低（3 m左右）、顯形面積小（2.5 m2左右），且不可安裝頂標(biāo)，如圖1，因此，研究增加焦面高度，增大顯形面積，提高助航效能的標(biāo)體結(jié)構(gòu)是亟待解決的。

2.2.1 標(biāo)體參數(shù)

本設(shè)計(jì)以原冰區(qū)浮標(biāo)為基礎(chǔ)，采用雙錐體結(jié)構(gòu)，總體長度約7.4 m（不含頂標(biāo)），錐底最大直徑1.8 m；頂部安裝有銅燈、太陽能板和頂標(biāo)等；底部設(shè)有壓載部分、電池艙；側(cè)面和底部設(shè)有眼環(huán)，以便浮標(biāo)吊運(yùn)、安裝、維護(hù)和定位固定。本浮標(biāo)在傾斜30°時(shí)，其頂標(biāo)不會(huì)對(duì)頂部燈光效果造成影響。見表1。

表1 標(biāo)體參數(shù)表Table 1 Parameter list of buoy

2.2.2 標(biāo)身結(jié)構(gòu)

浮標(biāo)標(biāo)體為鋼制結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度滿足冰塊撞擊和海浪拍擊的強(qiáng)度要求。整個(gè)標(biāo)體分為5個(gè)水密隔艙，沿標(biāo)體垂直方向布置，提供標(biāo)體所需浮力并滿足其抗沉性要求。本浮標(biāo)共設(shè)置3個(gè)眼環(huán)，眼環(huán)的承載能力均為15 t。在標(biāo)體內(nèi)部對(duì)應(yīng)位置設(shè)置必要的結(jié)構(gòu)用以支撐眼環(huán)，防止吊裝時(shí)標(biāo)體因受力集中而產(chǎn)生變形。其中兩個(gè)分別設(shè)置于標(biāo)體上下兩端，用于浮標(biāo)的安放、起吊，及使用狀態(tài)時(shí)的檢修、維護(hù)等；另一個(gè)設(shè)置于標(biāo)體底部，用于系掛浮標(biāo)錨鏈，如圖4所示。

2.2.3 底部結(jié)構(gòu)

在標(biāo)體的底部設(shè)有壓載部分、電池艙和系泊眼環(huán)。

本浮標(biāo)的壓載設(shè)置于標(biāo)體最底部，重量為2.1 t。壓載物采用鋼鐵，其特點(diǎn)是密度大，可以盡量降低浮標(biāo)重心高度，達(dá)到更好的抗風(fēng)、抗冰及導(dǎo)冰效果。

圖4 長效燈浮標(biāo)結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.4 Section of the long-effect navigation buoy structure

本浮標(biāo)的電池艙具有方便電池安裝、更換、保養(yǎng)和維護(hù)等操作的特點(diǎn)。電池艙采用φ219×3.5的圓鋼管，設(shè)置在標(biāo)體內(nèi)部，避免低溫導(dǎo)致鋰電池容量下降，并降低其受損幾率。電池艙底部與6 mm水密封板焊接，保證其水密要求。

3 樣標(biāo)投放及效果評(píng)估

改進(jìn)后的長效燈浮標(biāo)樣標(biāo)于2013年10月15日投放就位，安放于天津港主航道34號(hào)航標(biāo)位置處。

投放就位后燈浮標(biāo)姿態(tài)良好，淺水狀態(tài)焦面高度（最大吃水時(shí)）4.025 m，顯形面積4.29 m2（不包括頂標(biāo)），深水狀態(tài)焦面高度（最大吃水時(shí)）3.795 m；顯形面積3.93 m2（不包括頂標(biāo)），滿足技術(shù)指標(biāo)要求，與常規(guī)浮標(biāo)（夏季標(biāo)）的技術(shù)參數(shù)相接近，比較原φ1.4冰標(biāo)，助航效能提高，并改進(jìn)了供電方案，將有效保證更換周期內(nèi)的正常工作。

經(jīng)本次導(dǎo)航效果及長效化改進(jìn)后，將可減少每年春、秋兩季的浮標(biāo)更換工作量，更換頻率由原來的2 a 4次縮減至2 a 1次。根據(jù)天津航標(biāo)處數(shù)據(jù)，北方海區(qū)每年需要進(jìn)行春冬季換標(biāo)921座，隨著現(xiàn)有標(biāo)體的逐年破損廢舊逐步替換為改進(jìn)后的長效燈浮標(biāo)，其全部替換后，將可節(jié)約標(biāo)體投資約4 600萬元，并節(jié)約換標(biāo)作業(yè)成本約2 100萬元/a。

4 結(jié)語

1）本項(xiàng)目研發(fā)的長效浮標(biāo)樣標(biāo)，已投放在天津港34號(hào)航標(biāo)位置處，樣標(biāo)顯形面積大，助航效能明顯。

2）長效浮標(biāo)潛入式大容量電池倉配合太陽能板補(bǔ)充供電，使冰標(biāo)供電期大于2 a，減少航標(biāo)作業(yè)，降低標(biāo)體成本及作業(yè)成本，對(duì)于北方冰凍港區(qū)具有良好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

3）建議下階段1～2 a試驗(yàn)期內(nèi)，對(duì)長效浮標(biāo)在冬季結(jié)冰以及夏季安放頂標(biāo)后的助航效能、安放姿態(tài)、作業(yè)狀態(tài)以及可能出現(xiàn)的問題繼續(xù)進(jìn)行觀察。

4）建議針對(duì)長期試驗(yàn)觀察資料及航標(biāo)用戶的調(diào)研結(jié)果，在后續(xù)的研究中不斷完善長效浮標(biāo)設(shè)計(jì)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)和標(biāo)身材質(zhì)，逐步延長維護(hù)周期，根本性解決目前冰標(biāo)出現(xiàn)掉漆，自凈效果差等問題。

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