CC BY
21УДК 551.46.086
В.И. Плющаев, д.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ»
В.И. Мерзляков, к.т.н., ст. преподаватель ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВОЛНОМЕРНОГО БУЯ
Ключевые слова: волномерный буй, АИС, солнечные панели
В статье описана конструкция волномерного буя и его системы электропитания,
обоснован выбор компонентов.
Получение гидрометеорологической информации (в том числе параметров волнения) является важным фактором для обеспечения безопасности судоходства, безаварийной работы техники и гидросооружений, прогнозирования погодных условий, решения различных во многих отраслях хозяйства и техники. В настоящее время известно множество способов измерения волнения, в том числе с помощью автономных волномерных буев (АВБ) [1].
К числу преимуществ использования плавающих АВБ следует отнести возможность их использования на реках и озерах внутренних водных путей единой глубоководной системы (ВВП ЕГС) Европейской части Российской Федерации без каких-либо специальных сооружений (свай, платформ и т.д.), их полную автономность и возможность передачи данных на береговые пункты по радиоканалу.
В настоящее время заканчивается оснащение береговыми станциями автоматической идентификационной системы (АИС) внутренних водных путей единой глубоководной системы европейской части Российской Федерации, что привело к формированию единого поля АИС на ЕГС ВВП и созданию системы мониторинга судов на ВВП. В рамки создаваемой системы мониторинга органически вписывается АВБ, оснащенный АИС для передачи информации в береговые центры.
Рис. 1. Волномерный буй
В [2,3,4] описана возможность и техническая реализация передачи дополнительной информации по каналам АИС без затрат на оплату трафика и поддержание дополнительных каналов связи для передачи этой информации.
В ФГБОУ ВП «ВГАВТ» разработан и испытан макет АВБ, удовлетворяющий (наряду с другими техническими требованиями) следующим эксплуатационным требованиям:
- срок автономной работы без замены элементов системы электропитания - в течение навигации;
- автоматическая передача данных по каналам АИС на береговой пункт в пределах ВВП ЕГС Европейской части Российской Федерации.
Волномерный буй включает в свой состав вычислительный блок, транспондер АИС с антенной, систему электропитания, сигнальный фонарь. Внешний вид буя показан на рис. 1. Вычислительный блок измеряет параметры волнения и управляет АИС, обеспечивающей передачу данных на береговой пункт. В темное время суток включается проблесковый желтый сигнальный фонарь.
Для обеспечения работоспособности АВБ в течение навигации (без обслуживания) была создана система электропитания постоянного тока напряжением 24В на базе солнечных панелей и буферной аккумуляторной батареи. При наличии солнца панель (под управлением специализированного контроллера) осуществляет питание аппаратуры и позволяет провести подзарядку аккумуляторной батареи. В отсутствии солнца питание узлов АВБ осуществляется от аккумуляторных батарей.
В табл. 1 приведены данные по энергопотреблению отдельных компонентов вол-номерного буя и всей аппаратуры в целом.
Таблица 1
Узлы АВБ Потребляемый ток, А Потребляемая мощность, Вт Потребление за сутки, Вт*ч Потребление за навигацию (7 месяцев), Вт*ч
Вычислитель 0,1 2,4 57,6 514
АИС 0,6 14,4 345,6 3082
Контроллер солнечных батарей 0,008 0,192 4,6 41
Сигнальный фонарь 0,2 4,8 38,4 1027
Сумма, Вт*ч 0,908 21,792 446,2 4664
Из таблицы видно, что использование специализированных батарей для создания системы электропитания АВБ не представляется возможным в связи с неприемлемыми массогабаритными и стоимостными показателями.
Основным потребителем является транспондер АИС (66% от общего потребления). Потребление транспондера можно существенно снизить, заменив непрерывный режим передачи данных на периодический с заданным интервалом.
Были рассмотрены следующие режимы передачи:
- передача в течение 5 минут каждый час (2 столбец);
- передача в течение 5 минут каждые 30 минут (3 столбец);
- передача в течение 5 минут каждые 15 мину (4 столбец);
- передача в непрерывном режиме (6 столбец).
Данные по энергопотреблению в этих режимах приведены в табл. 2
Таблица 2
Потребление за сутки, Вт*ч (передача 5мин*24 раза) Потребление за сутки, Вт*ч (передача 5мин*48 раз) Потребление за сутки, Вт*ч (передача 5мин*96 раз) Потребление за сутки, Вт*ч
Вычислитель 57,6 57,6 57,6 57,6
АИС 28,8 57,6 115,2 345,6
Контроллер солнечных батарей 4,6 4,6 4,6 4,6
Сигнальный фонарь 38,4 38,4 38,4 38,4
Сумма, Вт*ч 129,4 158,2 215,8 446,2
График потребления электроэнергии аппаратурой волномерного буя представлен на рис. 2. На рисунке также представлены среднестатистические значения энергии, вырабатываемой солнечной панелью мощностью 100 Вт на широте Нижнего Новгорода в сутки в разные месяцы: 1 - апрель; 2 - май-июнь; 3 - август; 4 - сентябрь.
Таким образом, солнечные батареи в состоянии обеспечить работоспособность буя при передаче до 96 сообщений в сутки (среднестатистические данные). При отсутствии солнца в течение нескольких суток, питание аппаратуры осуществляется от аккумуляторных батарей.
Рис. 2. Потребление аппаратуры АВБ и среднестатистические значения энергии, вырабатываемые солнечной панелью
Однако на эффективность работы солнечных батарей оказывают влияние множество параметров, к основным из которых относятся:
- уровень солнечной радиации, зависящий от времени суток и погодных условий (среднестатистическая дневная сумма солнечной радиации на широте Нижнего Новгорода может достигать величины 5 кВт*ч/м2);
- расположение панели относительно солнца в азимутальной и горизонтальной плоскостях.
При конструировании системы электропитания АВБ можно оптимизировать лишь второй параметр. Зависимость эффективности работы солнечных панелей в различное время года от азимутального угла представлена на рис. 2 [6]. Горизонтальное размещение солнечных панелей неэффективно - помимо снижения выработки энергии на горизонтальных панелях за счет неоптимального угла, на таких панелях будет интенсивно скапливаться грязь.
Буй случайным образом меняет свое положение в горизонтальной плоскости, поэтому целесообразно использовать, по крайней мере, две панели, ориентированные в разные стороны света (хотя эффективность работы затененной панели на порядок меньше эффективности панели, ориентированной на солнце).
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
На макете АВБ были установлены 2 солнечные панели под азимутальным углом 60 градусов в виде «домика» (рис. 1).
Обоснование выбора аккумуляторных батарей приведено в табл. 3.
Таблица 3
Передача 5мин*24 раза в сутки Передача 5мин*48 раза в сутки Передача 5мин*96 раза в сутки Непрерыв-ная передача
Потребление за сутки, Ач 5,4 6,6 9 18,6
Максимальное число последовательных «дней без солнца» 3 3 3 3
Необходимый запас аккумулятора, Ач 16,2 19,8 27 55,8
Необходимый запас аккумулятора при глубине разряда 30%, Ач 54 66 90 186
Необходимый запас аккумулятора при глубине разряда 30% и с учетом температурного коэф- 64,8 79,2 108 223,2
МДж/ы2
/ ч X 1
/ т
Ч V \ 4
Х- ч\
/ \
/ / \
3 2
Г
янв фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек
Рис. 3. Зависимость эффективности солнечных панелей от времени года и азимутального угла установки (панель ориентирована на юг): 1 - отслеживание положения солнца; 2 - горизонтальная панель; 3 - вертикальная панель; 4 - наклоненная на 40°
Передача 5мин*24 раза в сутки Передача 5мин*48 раза в сутки Передача 5мин*96 раза в сутки Непрерыв-ная передача
фициента 1.2, Ач
Номинальная мощность аккумулятора, Ач 55 55 55 55
Необходимое число аккумуляторов по 12В на напряжение 24 В 2 после-до- ва-тельно 4 2 параллельно х 2 последовательно 4 2 параллельно х 2 последовательно 10 5 параллельно х 2 последовательно
Требуется для работы и восстановления заряда аккумулятора, Вт*ч 518,4 633,6 864 1785,6
Требуется для работы и восстановления заряда аккумулятора солнечных часов (при токе заряда 4А - экспериментальные данные) 5,4 6,6 9 18,6
Анализ таблиц показывает, что для бесперебойной работы волномерного буя в течение навигации целесообразно выбрать:
- 2 аккумуляторные батареи 12В емкостью 55Ач (соединены последовательно);
- 2 солнечные панели 12В 100 Вт (соединены последовательно).
Испытания буя в октябре 2014 г. подтвердили его удовлетворительные эксплуатационные качества и позволили получить адекватные данные о волнении на Горьков-ском водохранилище, где он использовался в течение 7 дней.
Список литературы:
[1] Грязин Д.Г., Несенюк Л.П. Морские волномерные буи. Современное состояние и тенденции развития. - Гироскопия и навигация, № 4 (67), 2009. с. 70-80.
[2] Корнев А.Б., Плющаев В.И. Пути повышения эффективности использования АИС на внутренних водных путях за счет организации передачи по ее каналам дополнительной информации. - Речной транспорт (XXI век), -2012. - №5. С. 38-42.
[3] Борисов Д.А., Перевезенцев С.В., Плющаев В.И. Разработка интерфейса передачи данных с судна на берег с использованием каналов АИС. - 14-й научно промышленный форум «Великие реки 2009». Труды конгресса. Том 1. Н.Новгород: Изд.: ФБОУ ВПО «ВГАВТ». Н.Новгород: 2012. с. 108-110.
[4] Плющаев В.И. Система контроля и передачи судовых технологических параметров береговым службам. - Автоматизация и современные технологии, Москва, №2, 2012. С. 37-39.
POWER SYSTEM WAVERIDER BUOY V.I. Plyushchayev, V.I. Merzlyakov
Key words: wave rider buoy, AIS, solar panels
The article describes the design wave rider buoy and its power supply system. The choice of components.
