关于南沙永暑灯塔能源配布方案的研究

周 亮

交通运输部南海航海保障中心西沙航标处 海南省海口市 570100

摘要：南海是重要的国际海上运输通道，每年全球 50％的商船航经南海。同时，南海也是重要的渔场，大批渔船常年在南海作业，船舶密度大，海上交通事故时有发生。为提升南海民用导航助航能力，交通运输部在南海建设包括永暑灯塔在内的 5座多功能灯塔。

偏远灯塔地理位置特殊, 维护保养条件苛刻, 考虑到受到各种自然条件的限制, 为了使灯塔能够稳定的发光, 建设一套功能完善、性能稳定的能源系统至关重要, 以保障在极端情况下灯塔依旧可以保持长时间稳定的工作，为航经该海域的各国船舶提供高效导航助航服务，大大提高南海海域船舶航行安全。

关键词：灯塔 能源配布 太阳能 防雷

1.前言

永暑灯塔作为位于南沙永暑礁，常年处于高温高湿高盐的环境中，雨季雷电频发，且市电不稳定，时有断电现象发生，因此建设一套功能完善、性能稳定的能源系统至关重要, 以保障在极端情况下灯塔依旧可以保持长时间稳定的工作。

2.永暑灯塔灯器部署

目前永暑灯塔在灯笼内中心位置安装一台天津天元海公司自主研发设计的IMA-800B(150W）航标旋转灯器作为主灯。该灯器采用 DC24 伏供电，最大功率 220W，其中旋转功率 15 瓦，灯泡功率 150W，有效射程 27海里；灯泡数量 2 个。在灯笼内主灯旁安装一台公司自主研发设计的 HD-316B LED 闪光航标灯器作为备灯。该灯器采用 LED 做为光源，电源范围 DC9~36伏，垂直发散角±4.5 度，水平发散角 360 全向，最大功率 60W，有效射程大于等于 12 海里。

主备灯设计为具有自动转换功能，灯塔的主备灯电源分别连接至电源控制箱的主备电源对应的接口，当主灯出现故障时，工作灯器会自动转为备灯工作；当主灯恢复后，灯器会自动再转回主灯工作。

3.遥测遥控部署

主备灯分别安装有北斗遥测遥控终端，实现主备灯独立遥测遥控功能，防止系统出现问题时主备灯遥控功能同时失效。其中主备灯北斗天线是分别外置的，各通过一条专用电缆连接至控制箱或灯器，北斗天线安装在灯笼外，要求上空及正南向无遮挡， 通过该北斗终端实现灯器与南海航海保障中心的北斗通信服务器通信，实现遥测遥控功能。

主灯遥测的主要功能包括：当前工作灯器，灯器电压，灯器电流，亮灯状态，日光阀值，工作环境温度，灯器内相对湿度，旋转周期，当前控制模式等运行状态；主灯遥控的主要功能包括： 主备灯转换，控制模式转换，旋转周期修改等参数。

备灯遥测的主要功能包括：灯器电压，灯器电流，亮灯状态，日光阀值，灯质等运行状态；备灯遥控的主要功能包括：控制模式转换，灯质修改等参数。

4.能源部署

能源部署根据灯塔的实际需求，设计为主备电源供电方式供电，其中主电源采用市电供电，备用电源采用太阳能加蓄电池方式供电。主电源市电进入灯塔后接入主灯电源控制箱，电源控制箱内置 AC-DC 转换器，将市电降压为 DC24V，为主备灯供电。备用电源白天通过太阳能电池板及充放电控制箱给蓄电池充电，充放电控制箱安装有充电控制器，充电控制器除了具有充电功能，还具有充放电保护功能，防止蓄电池过充及过放，保护蓄电池安全稳定工作。

4.1太阳能系统设计基本原则

按照主灯每天发光 14 小时，不发光10小时计算，白天功率15瓦，夜间功率 220W，工作电压 24 伏，按照灯塔需求备用电源需能够提供15天不间断供电。由于备灯功率 60W小于主灯，设计能源系统时不做计算。

4.2计算依据

蓄电池配置计算：

灯器连续工作15天消耗的电量，白天 ：15W*10H=150WH;晚上：220W*14H=3080WH;

15天总计耗电量：W=PT=(150WH+3080WH)*15=48450WH;考虑到蓄电池不能完全放电，按照常规放电率 90%，放电深度 75%，电池安全系数 1.25 计算：

Q=[W/(U*0.9*0.75)]*1.25=[48450/(24*0.9*0.75)]*1.25=3738AH;

4.3太阳能板配置计算：

按照每天灯器消耗的电量等于太阳能板充电的电量。灯器每天耗电,以 WH 计算：

W=150WH+3080WH=3230WH,有效日照时间为4小时/天，24V供电系统需配置 36V 太阳能电池板，太阳能板的需求功率为P=W/T=3230/4/24*36=1211W;按照15天充满蓄电池计算太阳能实际需求为： P= W/T=48450WH/15/4=807W;实际工作中一边充电一边放电，15天完全充满需要的太阳能功率为：P=WT=1211+807=2018W;

考虑到灯塔的特殊环境，太阳能电池组件应该抗强台风，为了尽量提高太阳能电池板的抗风强度，方案设计采用80W一片的太阳电池板，以减少单体太阳能板的面积，提供抗风等级。按照计算太阳能电池板的需求数量为：2018/80=25.2 片，实际采用 26 片满足设计需求，是安装的太阳能板总功率为：P=26*80=2080W。

4.4电池板布局

根据灯塔电气总说明的要求，太阳能电池板放置在二层平台，电池电缆通过桥架至二层的蓄电池间，太阳能发电系统的装置及蓄电池均放置在二层的蓄电池间内。

4.5太阳能电池板总体布置及安装

太阳能采用 80W 单晶硅太阳能电池板 26+96 块组成太阳能阵列，安放在二层平台，设计预留安装维护过道，并通过电缆通往二层蓄电池间。太阳能电池板尺寸 1206*535*35mm。

太阳能板安装支架采用槽钢定制，并且在太阳能板底部加装抗风承压板，使太阳能板可以坚固耐用，抗强台风。

图1 加强型太阳能支架效果图

4.6太阳能电池板安装倾角

永暑灯塔所处纬度约 10°N，根据太阳能电池板安装的一般原则，设计太阳能电池板安装在灯塔南侧，倾角 20°（纬度+10°），方向正南向。

4.7蓄电池至灯器电缆铺设

灯塔第 2 层预埋 5 根 4mm2双芯电缆至灯笼，电缆长度约 60米。（预留 10 米）

S

电池至灯器之间的压降控制在 1V 内 IMA-800 灯器的工作电流约为 9A,铜线最大电阻等于 R=U/I=1/9，铜线电阻率取 1.75*10^–8Ω .m，电缆线长度取 50 米计算，根据公式R = ,计算得出S=15.75mm²，则应该选用横截面积≥15.75mm²的铜芯电缆线。建议采用横截面积 20mm²。为便于安装连接作业，预埋电缆拟采用 5 根双芯电缆，每芯不少于 36 股铜芯电缆线。

4.8蓄电池布局

根据灯塔电气总说明的要求，将太阳能发电系统的装置和蓄电池均放置在二层蓄电池间，其中一侧是主电池组，另一侧是备用电池组。蓄电池采用松下品牌密封阀控式免维护铅酸蓄电池产品，具体参数为12V150AH，2 个串联为一组，单侧 26 组。

4.9太阳能控制柜及灯器控制柜的安装

太阳能控制柜及灯器控制柜各一个，均为防水（防水等级IＰ65） 箱体，安放于一楼机墙壁上，安装尺寸为 380x600x210mm。电源转换箱具有一路交流 220V 输入， 一路直流 24V 输入，一路主灯输出，一路备灯输出；可以实现交直流主备电源自动切换及主备灯自动切换，实现灯塔无人值守自动工作。

图2 充放电控制箱工作示意图

5.防雷部署

现代防雷技术强调“全方位防护、综合治理、层层设防”。信息系统（国际电工委员会标准将各种类型的电子系统，如计算机、通信设备、工业和商业自动化控制系统等归为信息系统）的防雷及过电压保护是一种系统工程，必须贯彻整体防护思想，综合运用分流（泄流）、均压（等电位）、屏蔽、接地和保护（箝位）等各项技术，构成一个完整的防护体系，才能取得明显的效果。

由于灯塔已经安装有直击雷及感应雷的一二级防护，此处设计的防雷主要是针对三级雷电防护处理。三级防雷保护包含交流和直流及信号设备的保护。

5.1交流防护处理措施

交流防雷选用 VAL-MS230ST 交流防雷器，其单相对地的通流容量为 20KA，最大 40KA。安装方式：并联安装，地线就近引接，该防雷器被安装在电源控制箱的交流输入端。

5.2直流防护处理措施

直流防雷选用 VAL-LS24ST 直流防雷器，其对地通流容量为10KA。安装方式：并联安装，地线就近引接，该防雷器分别安装在电源控制箱直流输出端、光伏汇流箱输出端。

5.3信号防护处理措施

信号防雷选用 EPS-LX12ST 信号防雷器，其对地通流容量为2KA。安装方式：并联安装，地线就近引接，该防雷器被安装在灯器控制的信号数据端口。

图3 防雷示意图

6.结论

灯塔是重要的助航设施, 是否能够持续正常的发光, 对于国家海上航行安全和国家经济贸易、海洋国防等诸多方面存在更为重要的意义。根据以上能源系统配布方案，永暑灯塔供电系统除交流供给外，采用太阳能供电系统作为第二电源，装配有效的防雷设备，能适应南沙恶劣的气候环境，能满足在极端天气条件下持续供能时间不小于15天，为延长永暑灯塔养护周期、降低运行成本、提高航标设施可用性等各类指标具有重要意义。

图4 系统分布图

参考文献：

[1]《灯塔主体及附属设施设置要求》JT/T321-1997;

[2] 陈家齐，梁勇明，《偏远灯塔能源配布方案研究》，珠江水运，2018年8月，第7-8页；

[3] 董吉友，《浅析太阳能电源在灯塔的运用》，中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组2002年航标学术研讨论文集，2002年10月，第255-257页；

[4] 蔡建才，《浅谈灯塔的防雷》，2003年11月，中国航海学会航标专业委员会沿海、内河航标学组联合年会学术交流论文集，第520-523页。

作者简介：周亮，工作单位：交通运输部南海航海保障中心西沙航标处.