摘要：随着全球各国越来越重视新能源和可再生能源研究与开发的问题，对于海洋能的开发和利用亦是方兴未艾。。如何通过水力发电，使航标船上的供电达到自给自足的效果，成为了当今开发海洋能源的重要研究课题之一。在航标加装发电机组，改变叶轮转向减小转动阻力，使水轮机转向与水流流向一致从而提高水轮机输出功率.航标可以日夜发电，不受环境的影响，把多余的电能存储起来，为其他的用电设备供电。设计的航标船对长江的水质和环境没有影响，符合保护长江的主题。
关键字：水力发电；航标；监测航道 1.研究背景及意义 1.1研究背景
长江自西而东横贯中国，是货运量位居全球内河第一的黄金水道，在区域发展总体格局中具有重要战略地位。交通部在提倡建立“智能航道，实时监控”就是给航标加上智慧的大脑，充分保障航道的安全与监控；但是在安装更好、更精确的设备时，却因为是航标的供电不足而受限制。长江内河中的航标在确保“黄金水道”的安全、畅通，尤为重要，特别是在事故易发路段，它往往是山高、水急、弯多，在此条件下往往是无人区，无人区的航标的供电又是一个棘手的问题。目前航标的主要能量来源是太阳能发电和蓄电池供电，由于在很多地区日照时间短或常年阴雨天气，无法长期靠太阳能供电，只能依靠蓄电池短期蓄电，但是蓄电池的放电时间短，蓄电池的更换需要人工定期巡航，个别地段水文复杂，在恶劣环境下巡航存在风险，所以在建设“智慧航道”时显得力不从心。
我们的研究是探索水轮机改变叶片转向的情况下在航标的应用，找出最佳的叶片数量和形状，最大化的发出电能，使航标上面可以带有更多的电气设备来监测航道，特别是在危险路段更需要航道的监控。
1.2国内外研究现状
近几年来各国利用节能、无污染的自然能作为航标能源日益增多，特别是硅太阳能电池发展更快，西北欧各国应用风力发电较为普遍，风力发电机都是水平轴式，小型的可装在灯浮上，大型的装在海岛或海岸供灯塔电源。无论哪种方式，航标上的电能存储主要有：蓄电池容量相对较大、充电电流有限、充电电流不稳定、经常浅充浅放等缺点。
2.作品意义
流水发电是一种新型的水流动能利用技术，直接利用昼夜流淌的水流冲击叶片，将水流动能转换为机械能，再通过能量的二次转换形成电能，可解决沿江一带居民家庭、无动力小船以及航标等用电[1]。更多的电能可以使航标的功能更加强大，监测和保障功能更加齐全。为了更有效利用天然水能，原来是需要人工修筑能集中水流差和调节流量的水工建筑物，如大坝、引水管涵等工程。这种工程的投资大，建设周期长，容易破坏生态环境等不足[2]。
我们设计的作品成本低，施工简单快捷，机组启动方便，设备容易调节，发电效率高。利用环境中的水流进行发电，且在低流速状态下仍能持续供电，弥补更换蓄电池、太阳能电板发电等方式的不足，无需人工定期更换电池，对解决了当前航标能源紧张局面具有积极意义。更多的电能可以使航标的功能更加强大，监测和保障功能更加齐全。
3.设计原理 3.1设计思路
该装置主要由中心轴的圆筒和轴外侧的弧形叶片以及船体本身组成。当装置浸没在水中时，利用河流中流向相对固定的水流冲击叶轮，使弧形叶片受到垂直于轴线的水流作用，叶片的转动带动中心筒轴进行旋转，耦接到中心轴的发电机则将围绕轴线的旋转所产生的能量转换成电能。
长江内河的无动力的船型航标宽度不会超过两米，在此范围内最大输出功率具有一定的范围，我们主要是确定叶片的数量等和转轴的直径大小来保证最大发电量，以便在航标上安装更多的电气设备，监测和保护航道安全。
3.2具体结构设计 3.1.1水下发电装置设计
将一定弧度的波浪状叶片附接在中心轴上，叶片绕轴外表面均匀分布、沿轴长方向设置，两输出端轴位于中心轴圆筒两侧。发电机与中心轴直接相连，减少中间的机械传动，增大转换效率。水轮机置于导流罩内部，发电机用流线型的保护罩进行密封，流线型保护罩与导流罩一起对水流产生引导作用，整个导流罩内水流一直处于平稳状态。
3.1.2其它附加装置
在航标内部放置一体化的控制箱、蓄电池、光电二极管；光电二极管控制航标灯的自动开和关，控制箱控制电压和电流，蓄电池给用电设备供电。风速计、风向标测量风的大小和方向。小型PLC作为控制器，将传感器相连，处理数据并控制每个传感器。用现场总线将数十艘航标相连，在统一的集控室查看传感器发回的数据和观看航道监控画面。
4.结语
长江上游阴雨天气较多，太阳能发电明显不足，而使用传统电力发电需要人工定期更换电池，如遇汛期、暴雨等恶劣环境作业风险加大；长江上游地区阴雨天气较多，由于受日照强度 (昼夜、云层) 以及环境温度等影响, 太阳能光伏发电的能量输入不稳定, 从而导致太阳能光伏发电的能量输出也不稳定。尤其是阴天及早晚等光线不强条件下, 太阳能电池在仅能输出微弱电流。由于受到条件的限制，现有航标只能提供单一的导航服务，无法对航道内的情况进行实时监控。我们所设计的发电装置可以满足低流速时的水力发电，经济效益得到了显著提高，社会效益显著，绿色环保。
参考文献
1.
施卫东.推动长江经济带高质量发展 谱写生态优先绿色发展新篇章[J].中国科技产业,2021(03):40-41.
2.
沈家同、王蓓果.流水发电技术的发展现状与趋势.科学与技术.2014 3.
Robichaud G J. Electrical generation from water power: US, US20090230687[P]. 2009.
4.
Younos T, Hill R, Poole H. Water Dependency of Energy Production and Power Generation Systems By[J]. Water Resources Impact, 2010.
5.
贾世耀. 基于节能环保的航标管理和技术应用探讨[D].集美大学,2018. 6.
冯云善. 船浮式水力发电技术: CN, CN101245756[P]. 2008. 7.
李利珍, 徐燏, 王献民. 箱体式平流水轮发电技术的应用研究[J]. 濮阳职业技术学院学报, 2012, 25(4):133-135.
8.
袁伟.面向航标的波浪能利用研究[D].大连海事大学，2011. 9.
符卫平. 水平式无坝流水冲击发电站:, CN102304911A[P]. 2012.
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容