冰区长效灯浮标系统

孔令臣，刘祥玉，阚卫明，陈永红

（中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300456）

1 研究背景

我国北方环渤海港口多为冬季冰冻港口，冬季常出现大量密集流冰，冰况严重时，容易造成港口水上常规灯浮标标体损坏、标志移位、灯光熄灭，航标助航效能降低、失效，严重影响进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，天津航标处成功研制出φ1.1 m和φ1.4 m两种规格冰标，并逐步在北方冰冻港口推广使用，2010年天津航标处又研制了新型冰标，新型冰标在灯器、遥测遥控、专用电池、外形结构等方面进行了改进，最大限度地拥有了导（抗）冰能力，但是目前冰标始终无法克服其无顶标，显形面积较小（约为2.5 m2）、供电时间短（仅为5个月）等缺陷，且不符合水上浮动助航标志相关国际标准的要求（要求不小于3.5 m2）。

随着航运及沿海港口经济的迅速发展，航标设置数量逐年增加，截止2011年底，天津航标处管辖海区共设置各类航标3 292座，其中需要实施春冬季换标的水上浮动标志的数量就达到了921座。目前，北方冰冻港口需每年实施春、冬季换标作业，即在冬季来临之前，将常规浮标更换为具备抗导冰性能的冰标，在冬季结束后，再将冰标更换为常规浮标。大量航标在较短时间内集中进行更换作业给航标作业船舶及人员带来较大的压力，每年标体更换时，海上作业条件艰苦，耗费大量人力、物力及财力，平均每座标体的更换费用约为1.52万元/a（天津航标处提供数据）。在冰冻期，为减少浮冰对航标的影响，北方港口大部分常规灯浮标被更换为冬季冰标以后，航标的目视效果，包括雷达反射效果都大大减弱，尤其是在风、浪较大的海况下，冰标的雷达反射回波几乎完全被风、浪所形成的雷达回波淹没，航海者无法判断航标的准确位置，航标助航效能得不到充分的发挥。见图1。

图1 目前常规浮标和冰标Fig.1 At present regular buoy

本文论述的长效灯浮标系统的研究是在原φ1.4 m冰标基础上采用潜入式大容量电池仓配合太阳能板补充供电，将浮标的供电期延长到2 a以上，另外，标体增加了焦面高度及显形面积，增设功能性外挂，提高助航性能。长效灯浮标延长了航标更换及维护周期，降低维护成本。目前海域内单点标体有2个（冬季冰标及夏季常规浮标），长效灯浮标实现了单点单航标，具有良好的经济效益。

2 研究方案

2.1 供电系统研究

常规浮标采用太阳能供电，电池外露，目前的冰标，均采用蓄电池供电，供电期约为5个月，冬季气温较低，供电偶有中断，稳定性差，电池耗尽后航标灯不再闪亮。因此，研究较为长效的供电系统迫在眉睫，本次供电系统的研究采用高性能锂电池和太阳能电池组合的供电系统，以降低能源维护周期。

2.1.1 设计参数计算

1）不同灯质电量计算[2]

灯器射程为：3 n mile；静态功耗：0.003 Ah，3.7 V；动态功耗 ：0.3 Ah，3.7 V；通信功耗：0.012 5 Ah，3.7 V；发光时长：14 h/d；

①经计算灯质为4 s单闪（每4 s闪亮0.5 s）2 a用电量为654.81 Ah。

②经计算灯质为6 s双闪（每3 s闪亮0.5 s）2 a用电量为782.56 Ah。

按照最大值设计，2 a用电量设计值为800 Ah。

如果考虑全部采用锂电池供电，应至少采用800 Ah电池（单体圆柱6层），锂电池重量可达17.4 kg，高度可达420 mm，体积较大；锂电池都有一定的寿命，被淘汰之后，存在严重的污染隐患，不符合目前低碳、绿色的环保理念；结合后期长效浮标的发展要求，如果将供电期延长为4～5 a，单纯的锂电池供电方式不能满足要求。

综上所述，本次供电系统采用锂电池及太阳能电池板综合供电的供电方式。

2 a更换周期内，冰冻期约为10个月，期间不能安装太阳能板，只能采用电池供电，因此电池供电的有效时长最少为10个月，考虑余量2个月，因此，设计锂电池的供电容量为12个月。

2）锂电池体积

单体电池组为圆柱形结构，直径为180 mm，高为70 mm。单体电压为3.7 V，单体容量为137 Ah，单体重量为2.9 kg。

400 Ah电池规格：单体圆柱3层，重量为8.7 kg，高度为210 mm。

锂电池放置仓安放在标体底部，内部设置电池仓通道钢管，这样在水位线以下部分的温度在冬季一定高于水面温度，避免由于低温导致锂电池的容量下降。另外，据长期实践证明，在标体水位线以下部分的受损几率很小，所以安全系数也增加了[3]。

3）太阳能电池设计参数计算

扣除冰冻期，太阳能电池板供电设计时长为14个月，供电期内，航标灯最大总用电量为456.5 Ah。

电池板设计功率：3 W，5.5 V，几何尺寸如图2。

图2 太阳能电池板尺寸示意图（单位：mm）Fig.2 Sketch of the solar battery panel size （mm）

每小时发电量为0.54 Ah，按照每天3 h的有效发电时长计算，则发电量为：

0.54×3× 420=680.2 Ah>456.5 Ah

太阳能板供电量能满足需求，长效灯浮标系统太阳能电池板采用柔性太阳能电池板，如图3，它是利用卷到卷的工艺把三结非晶硅合金沉积在不锈钢衬底上，具有柔性，轻便（3.4 kg/m2），耐高温性能好，容易与建筑曲面结合，耐阴影，遮挡，污染损失更小，风阻更小等优点。

图3 柔性太阳能电池板Fig.3 theflexible solar battery panel

4）备用电池设计参数计算

考虑到主电池的供电安全性，如果出现故障，系统能够自动转换到备用电池，并自动在远程客户端进行提示，以便客户有足够的时间来安排维修计划。由于海上作业的特殊性，备用电池至少要能够续航15 d才能满足需要，经计算为16 Ah（4颗34615型电池）。

2.1.2 结果分析

本次供电系统采用锂电池及太阳能电池板综合供电的方式，主供电系统锂电池采用400 Ah，将电池仓置于标体下部，水面1.5 m以下，标体内部设置电池仓通道钢管；采用柔性太阳能电池板，设计功率为10 W，5.5 V，外挂安装于标体顶部，除冰冻期不安装外，其余时间将为蓄电池补充充电；辅供电系统采用16 Ah（4颗34 615型电池）。

考虑到长效浮标服役期较长，日常维护中会有很多问题出现，所以，在设计上要采用模块式结构，例如：灯器、遥测遥控驱动单元、主电池、副电池、太阳能电池板等都要有独立的单元，以避免因局部损坏而影响其他部分功能失效。为实现出现故障的情况下供电系统能及时修复，标体内安装主蓄电池失常无线报警装置。

2.2 标体结构研究

常规浮标具有焦面高度高（4 m左右）、显形面积大（4 m2左右）、可安装顶标等优点，其目视及导航效果好。现有的冬季冰标，焦面高度低（3 m左右）、显形面积小（2.5 m2左右），且不可安装顶标，如图1，因此，研究增加焦面高度，增大显形面积，提高助航效能的标体结构是亟待解决的。

2.2.1 标体参数

本设计以原冰区浮标为基础，采用双锥体结构，总体长度约7.4 m（不含顶标），锥底最大直径1.8 m；顶部安装有铜灯、太阳能板和顶标等；底部设有压载部分、电池舱；侧面和底部设有眼环，以便浮标吊运、安装、维护和定位固定。本浮标在倾斜30°时，其顶标不会对顶部灯光效果造成影响。见表1。

表1 标体参数表Table 1 Parameter list of buoy

2.2.2 标身结构

浮标标体为钢制结构，其强度满足冰块撞击和海浪拍击的强度要求。整个标体分为5个水密隔舱，沿标体垂直方向布置，提供标体所需浮力并满足其抗沉性要求。本浮标共设置3个眼环，眼环的承载能力均为15 t。在标体内部对应位置设置必要的结构用以支撑眼环，防止吊装时标体因受力集中而产生变形。其中两个分别设置于标体上下两端，用于浮标的安放、起吊，及使用状态时的检修、维护等；另一个设置于标体底部，用于系挂浮标锚链，如图4所示。

2.2.3 底部结构

在标体的底部设有压载部分、电池舱和系泊眼环。

本浮标的压载设置于标体最底部，重量为2.1 t。压载物采用钢铁，其特点是密度大，可以尽量降低浮标重心高度，达到更好的抗风、抗冰及导冰效果。

图4 长效灯浮标结构断面图Fig.4 Section of the long-effect navigation buoy structure

本浮标的电池舱具有方便电池安装、更换、保养和维护等操作的特点。电池舱采用φ219×3.5的圆钢管，设置在标体内部，避免低温导致锂电池容量下降，并降低其受损几率。电池舱底部与6 mm水密封板焊接，保证其水密要求。

3 样标投放及效果评估

改进后的长效灯浮标样标于2013年10月15日投放就位，安放于天津港主航道34号航标位置处。

投放就位后灯浮标姿态良好，浅水状态焦面高度（最大吃水时）4.025 m，显形面积4.29 m2（不包括顶标），深水状态焦面高度（最大吃水时）3.795 m；显形面积3.93 m2（不包括顶标），满足技术指标要求，与常规浮标（夏季标）的技术参数相接近，比较原φ1.4冰标，助航效能提高，并改进了供电方案，将有效保证更换周期内的正常工作。

经本次导航效果及长效化改进后，将可减少每年春、秋两季的浮标更换工作量，更换频率由原来的2 a 4次缩减至2 a 1次。根据天津航标处数据，北方海区每年需要进行春冬季换标921座，随着现有标体的逐年破损废旧逐步替换为改进后的长效灯浮标，其全部替换后，将可节约标体投资约4 600万元，并节约换标作业成本约2 100万元/a。

4 结语

1）本项目研发的长效浮标样标，已投放在天津港34号航标位置处，样标显形面积大，助航效能明显。

2）长效浮标潜入式大容量电池仓配合太阳能板补充供电，使冰标供电期大于2 a，减少航标作业，降低标体成本及作业成本，对于北方冰冻港区具有良好的社会效益及经济效益。

3）建议下阶段1～2 a试验期内，对长效浮标在冬季结冰以及夏季安放顶标后的助航效能、安放姿态、作业状态以及可能出现的问题继续进行观察。

4）建议针对长期试验观察资料及航标用户的调研结果，在后续的研究中不断完善长效浮标设计，改进结构和标身材质，逐步延长维护周期，根本性解决目前冰标出现掉漆，自净效果差等问题。

[1]张立新.浅析现代港口航标在船舶进出港时的作用[J].黑龙江科技信息，2013（26）：78.ZHANG Li-xin.Analysis on the effect of navigation-aids in the modern port when the vessels are entering and leaving the port[J].Heilongjiang Scienceand Technology Information，2013（26）：78.

[2] 王连生.航标新光源的研究与探讨[J].珠江水运，1997（12）：38.WANG Lian-sheng.Research and discussion on the new light source of navigation-aids[J].Pearl River Water Transport，1997（12）：38.

[3] 季克淮，王剑.浅谈在航标管理工作中的节能减排[J].天津航海，2013（2）：59-61.JI Ke-huai，WANG Jian.Discussion on the energy saving and emission reduction in navigation-aids mangement[J].Tianjin of Navigation，2013（2）：59-61.