Для управления маяками и плавучими СНО (Средства навигационного оборудования) используется или проектируется широкий ряд систем энергоснабжения и источников энергии. Используются различные системы от часовых механизмов до радиоактивных изотопов. Наиболее используемые типы приведены в табл. 23.

Общей тенденцией является отход от использования газа с использованием электрических сетей там, где к ним имеется доступ, и фотоэлектрической солнечной энергии там, где отсутствует доступ к электросетям.

Электроэнергия – возобновляемые источники энергии

Солнечная энергия (фотоэлектрический элемент)

Солнечная энергия является идеальным источником энергии для применения во многих СНО. Она предлагает:

• источник энергии, не имеющий движущихся частей;
• отсутствие требований к обслуживанию, кроме очистки элементов;
• ничтожно малое ухудшение производимой мощности на протяжении срока службы элементов; и
• низкие затраты на протяжении срока службы элементов.

При использовании элементов для подачи энергии к световому огню, процесс подзарядки аккумуляторных батарей отделен от работы светового огня таким образом, что напряжение подзарядки может быть оптимизировано без уменьшения срока службы лампы.

Потенциальные трудности, связанные с использованием солнечной энергии:

• поиск способов сведения к минимуму загрязнения элементов птицами;
• монтаж солнечных модулей в вертикальной плоскости является, вероятно, наиболее долговечным решением для буев;
• определение размеров ячеек элементов для эксплуатации в северных широтах;
• защита солнечных модулей от:
• повреждения от волн на буях;
• вандализма и кражи;
• молний;

СНО, подверженные условиям обледенения, возможно, являются единственными неприменимыми объектами для использования солнечных модулей.

Типы

Три общих технологии, применяемые в производстве солнечных модулей на основе кремния, перечислены ниже.

• Монокристаллические элементы - Изготавливаются из тонкослойного среза от одного большого кристалла кремния, обычно производятся как прут круглого сечения. Как правило, имеет наибольшую эффективность из трех технологий. Если используются круглые кристаллические пластины кремния, коэффициент наполнения модуля значительно меньше, чем при использовании поликристаллических элементов. Сегодня для элементов обычным является придание им формы, близкой к квадратной.
• Поликристаллические элементы - Изготавливаются из тонкослойного среза от одной большой литой заготовки из кремния, которая состоит из многих кристаллов. Являются менее эффективными по сравнению с монокристаллическими элементами, но им может быть придана такая форма, чтобы полностью заполнить модуль.
• Некристаллические элементы - Изготавливаются путем нанесения тонкой пленки кремния непосредственно на стекло или субстрат из нержавеющей стали, тонкослойный срез выполняется от одного большого кристалла кремния. Элемент имеет меньшую эффективность по сравнению с элементами, изготовленными по другим технологиям, но может наноситься в несколько слоев для улучшенной производительности. Выявились определенные проблемы относительно срока службы данных элементов.

В дополнение к технологиям кремниевых элементов имеются две альтернативные конфигурации модулей, основанные на рядах последовательно соединенных элементов. Стандартный модуль, как правило, имеет 36 последовательно соединенных элементов для выдачи напряжения при разомкнутой цепи порядка 20 вольт. Для подзарядки 12-вольтных аккумуляторных батарей необходимо использование регулятора напряжения (заряда).

Саморегулирующийся солнечный модуль позволяет исключить регулятор напряжения, который часто оказывается наименее надежным компонентом в солнечном источнике электропитания. Саморегулирующийся модуль, как правило, имеет 32 последовательно соединенных элемента для выдачи напряжения при разомкнутой цепи порядка 18 вольт (максимальное напряжение под нагрузкой – порядка 15 вольт). В саморегулирующемся солнечном модуле скорость заряда аккумуляторных батарей определяется путем взаимодействия между электрическими характеристиками батареи и солнечного модуля.

Оба решения отличаются эффективной работой.

Модуль или ориентация решетки

В северном полушарии солнечные модули обычно устанавливаются фронтальной плоскостью к югу и наклоняются под углом к горизонтали, которая относится к широте места установки, и наоборот – для южного полушария.

Угол наклона для солнечных модулей часто оптимизируется для конкретного места установки, что является частью расчета размеров модулей.

Одной из главных проблем, связанных с использованием СНО, работающих на солнечной энергии, является проблема загрязнения птицами. Испытывались многочисленные инновационные решения, как правило, с неоднозначными результатами. Обычно солнечные модули монтируются под углом или вертикально для того, чтобы выгодно использовать самоомывание дождем.

Затраты на дополнительные солнечные модули, необходимые для вертикального монтажа, могут быть значительно снижены по причине экономии, связанной с упрощением монтажных устройств или несущей конструкции.

Энергия ветра

Ветровые генераторы (ветровые турбины) используются некоторыми Членами МАМС для питания СНО. Наиболее популярным типом являлись машины с горизонтальной осью со снабженной двумя лопастями (пропеллерного типа) турбиной. Требования к техническому обслуживанию, вытекающие из конструкции ветровых генераторов, состоящей из движущихся частей, и восприимчивость к штормовому повреждению, ограничили использование ветровых генераторов.

Установка

Установка ветровых генераторов на местах расположения СНО имеет несколько проблем:

• ветровые генераторы требуют значительного технического обслуживания, если они работают в условиях турбулентности воздушных потоков;
• если ветровой генератор установлен на отдельной мачте на некотором расстоянии от СНО, необходимо принимать в расчет падение напряжения в кабеле;
• размеры ветрового генератора для управления СНО должны рассчитываться с учетом значительного риска повреждения генератора, если на месте его установки находятся популяции птиц.

Типы ветровых генераторов

Энергия волн

Генератор, работающий от энергии волн (WAG), был разработан в Японии и успешно применяется для питания светящих буев. Взаимодействие между буем и движением волн действует подобно работе простого воздушного насоса, который используется для приведения в движение воздушной турбины и генератора. WAG монтируется на расширении полой трубы стабилизатора, которая проходит через корпус буя. При высоте волн 0,5 м генерируемая мощность составляет порядка 100 Вт. Генераторы WAG имеют ограниченный срок службы, и существующие системы подвержены чрезмерному износу.

Условия места установки определяют скорость, при которой труба стабилизатора на буе обрастает водорослями и накапливает другие типы загрязнений, и эти аспекты необходимо принимать во внимание при разработке режима технического обслуживания для WAG. Волновые генераторы также могут быть очень уязвимы к штормовому повреждению.

Перезаряжаемые батареи

Существует два основных типа технологий аккумуляторных батарей, применяемых в СНО: свинцово-кислотная и никель-кадмиевая.

Наиболее предпочтительным является использование свинцово-кислотных АКБ по причине их низкой стоимости и более высокой эффективности обмена энергией (95% против 80%) по сравнению с никель-кадмиевыми АКБ. Тем не менее, никель-кадмиевые АКБ могут эксплуатироваться при более низких температурах и отличаются большим количеством циклов глубокой разрядки. В последнее время появились новые технологии перезаряжаемых батарей, включая литиевые АКБ, никель-металл-гидридные (Ni-MH) АКБ и литий-железо-фосфатные (LiFePO4) АКБ. Последние отличаются более низкой массой и более длительным сроком службы ввиду большего количества циклов зарядки-разрядки.

Свинцово-кислотные АКБ

В батарее этого типа используется положительная пластина из двуокиси свинца и свинец, погруженный в электролит, представляющий собой разбавленную серную кислоту. Это были изначально наполненные элементы. Тем не менее, за последние годы стали доступны различные формы «герметичных» АКБ, которые широко применяются для питания СНО.

Свинцово-кислотные АКБ доступны в двух основных конструкциях – заполненная свинцово- кислотная АКБ и АКБ с клапанным регулированием (VRLA). Батареи VRLA производятся в двух типах – с электролитом, абсорбированном на стекловолокне (которые используют систему стеклянных микросепараторов для абсорбирования электролита), и гелиевые батареи, в которых используется электролит в гелеобразном состоянии и полимерные сепараторы для предотвращения коротких замыканий между положительными и отрицательными пластинами.

Щелочные никель-кадмиевые АКБ

В этих батареях используются соединения никеля и, главным образом, кадмия с раствором гидроксида калия в качестве электролита.

В никель-кадмиевых элементах используются перфорированные стальные пластины, которые содержат активное вещество, главным образом, гидроксид никеля в положительной пластине и соединения кадмия в отрицательной пластине. Конструкция, как правило, называется аккумулятором ламельной конструкции.

Ряд никель-кадмиевых батарей с клапанным регулированием, в которых используется процесс рекомбинации, сегодня выпускается в традиционной конструкции заполненных батарей. В нормальных условиях непрерывного заряда любой выделяемый газ рекомбинируется в корпусе батареи, и потеря воды незначительна. Однако если батарея избыточно заряжена, газ будет выпущен, и, при необходимости, может быть добавлена вода.

Первичные гальванические элементы

Первичные элементы вырабатывают электрическую энергию путем необратимого химического процесса. Они использовались в больших количествах до 1980-х гг. для управления буями и автоматически действующими светящими знаками. Использование первичных элементов резко уменьшилось по причине того, что стали доступными коммерческие солнечные энергетические (фотоэлектрические) модули. Снижение использования первичных элементов было обусловлено ужесточением экологических стандартов в некоторых странах, которые требовали убрать элементы с места установки для утилизации в соответствии с существующими стандартами. Издержки в результате соблюдения стандартов утилизации, а также аспектов профессиональной гигиены труда и безопасности при частой замене первичных элементов, способствовали переходу к использованию возобновляемых источников энергии (например, солнечных, ветровых и волновых генераторов).

Воздушно-цинковые элементы

Воздушно-цинковый элемент был общепринятым источником энергии для работы буев и световых огней. В элементе используется блок из пористого углерода для подачи кислорода из воздуха посредством щелочного электролита для окисления цинкового анода. Отдельные первичные элементы имеют напряжение при разомкнутой цепи порядка 1,2 вольт и могут подавать от 1000 до 2000 А.ч. при максимальной мощности около 1 А.

Литий-тионилхлоридный элемент

Другим типом первичных элементов, использующимся для питания буев, является литий- тионилхлоридный элемент. Он отличается более высоким количеством запасѐнной энергии на единицу веса и более долгим сроком хранения в отличие от воздушно-цинкового элемента.

Герметичная щелочная АКБ

Широко используется в некоторых странах и имеет преимущества в производительности при низких температурах.

Водоактивируемые батареи

Водоактивируемый элемент, разработанный для питания буев в Норвегии, представляет собой первичный гальванический элемент, в котором используется магниевый анод и, в значительной степени, инертный медный катод. Морская вода действует как в качестве электролита, так и в качестве поставщика растворенного кислорода для катода.

Отдельный элемент устанавливается в качестве части трубы стабилизатора буя. Движение буя оказывает положительный эффект в виде взбалтывания воды, в результате чего через элемент проходит богатый кислородом поток, который удаляет продукты реакции.

Медь была выбрана для материала катода из-за присущих ей противообрастающих свойств. Магниевый анод считается экологически приемлемым, поскольку магний является природным элементом, входящим в состав морской воды. Элемент выдает напряжение 0,8-1 В под нагрузкой. Компоненты элементов имеют размеры, позволяющие вырабатывать порядка 35000 Вт.ч. электроэнергии.

Преобразователь переменного тока в постоянный используется для поднятия напряжения до уровня, требуемого нагрузкой, поскольку использование более чем одного элемента является непрактичным по причине возможной утечки тока.

Двигатели внутреннего сгорания/Генераторы

Дизельные генераторы

Генераторы, работающие от дизельных двигателей, часто используются в качестве основного источника электроэнергии там, где местоположение СНО является слишком отдаленным для питания СНО от распределительных магистралей электросети. Дизельные генераторы также используются для подачи аварийного или резервного электропитания.

Мощность генератора для поддержки эксплуатационной и бытовой нагрузки стандартного маяка варьируется в диапазоне от 10 до 30 кВт. Дизельные генераторы этих размеров потребляют порядка около 0,4 л/кВт.ч.

Необходимость наличия дизельных генераторов на маяках снижается в результате:

• автоматизации работы маяков (отсутствие персонала), и;
• использования новой технологии в производстве сигнальных огней и ламп, что позволяет управлять световым потоком номинальной дальностью 18-20 морских миль посредством источника возобновляемой энергии.

Бензиновые генераторы

Бензиновые генераторы являются полезным источником энергии для проведения работ по техническому обслуживанию, но менее распространены в качестве стационарных установок ввиду:

• вопросов безопасности относительно хранения топлива и его транспортировки;
• требований к техническому обслуживанию систем, в которых воспламенение топлива происходит от свечи, и;
• ресурс бензинового двигателя, как правило, считается меньшим, чем у дизельного двигателя.

Термоэлектрический генератор

Представляет собой твердотельный генератор, в котором источник тепла, как правило, от пропановой горелки, направляется на термопару (т.е. систему термоэлектрических элементов). Поскольку каждая термопара вырабатывает напряжение всего около 0,5 вольт, термоэлементы соединяются в ряды.

Этот тип генератора имеет низкий термический КПД (порядка 5%) и используется редко.

Генератор с двигателем Стирлинга

Двигатель Стирлинга является двигателем внешнего сгорания, который может работать на газовом или дизельном топливе. Доступны блочные генераторные агрегаты, позволяющие управлять маяком. Типичные генераторы выдают 1 кВт электрической мощности и 5 кВт тепла. Тепловая мощность может быть полезным побочным продуктом для поддержки постоянной температуры в маяке.

Топливный элемент

Представляет собой твердотельное устройство, в котором используется каталитический процесс для окисления топлива для выработки электрического тока. В качестве топлива используется, как правило, водород или виды топлива, богатые водородом. Представляет собой батарею с непрерывным питанием.

Коммерческие топливные элементы все еще являются инновационной технологией и на данном этапе представляют собой дорогостоящий источник энергии. Использование СНО, по всей видимости, ограничено теми ситуациями, при которых использование солнечной энергии (фотоэлектрических элементов) является непрактичным ввиду ограниченной теплоизоляции или условий обледенения.

Существует определенный интерес в использовании топливных элементов в гибридных энергосистемах наряду с источниками ветровой или солнечной энергии. Такие системы пока еще находятся в разработке.

Неэлектрические источники энергии

Существуют различные неэлектрические источники энергии, при этом основными типами таких источников энергии, использующимися в СНО, являются ацетилен и пропан.

Ацетилен

Ацетилен (C2H2) используется для обеспечения работы сигнальных огней на буях и автоматических СНО на протяжении многих лет. Ацетилен может взрываться при непосредственном сжатии, однако способен безопасно храниться при низком давлении в специальных баллонах, если он растворен в ацетоне.

Производство ацетилена, стандарты в отношении баллонов и процесса их наполнения обычно контролируются нормативными актами.

Ацетилен является удобным и надежным источником энергии для СНО. Тем не менее, особое внимание должно уделяться:

• безопасному хранению баллонов;
• широкому диапазону взрывоопасных смесей с воздухом (от 3% до 82% ацетилена);
• чистоте газа; и
• сведению к минимуму утечек в трубопроводе и фитинговых соединениях.

Пропан

Газообразный пропан (CH3 CH2 CH3) используется в качестве альтернативного вида топлива вместо ацетилена, главным образом, в буях. Несмотря на то, что пропан необходимо сжигать в газокалильной горелке для получения белого света, его применение имеет несколько преимуществ по сравнению с применением ацетилена:

• он является побочным продуктом в процессах переработки нефти;
• он является распространенным газом и имеет низкую стоимость;
• пропан сжижается при давлении в 6 атм. при 17ºC и может транспортироваться в очень легких и недорогих газовых баллонах;
• пропан сохраняет положительное давление до окружающих температур ниже -40ºC и не замерзает при условиях, которые могут иметь место в море;
• размещение баллонов в отсеках буя или заполнение пропаном непосредственно корпуса буя или прочного резервуара;
• аналогичными емкостями являются 20 кг пропановый баллон с массой при полной нагрузке 48 кг и ацетиленовый баллон на 7000 л., весящий 105 кг.
• кроме того, стоимость пропанового баллона составляет примерно одну треть от стоимости ацетиленового баллона;
• пропан является особо безопасным газом, поскольку только 6% всех его возможных смесей с воздухом взрывоопасны, по сравнению с 80% для ацетилена;
• горит чисто, без риска сажеобразования, которое может иметь место в случае неправильно настроенной ацетиленовой горелки.

Литература

Navguide: Руководство по навигационному оборудованию [2012]