CN103072679B - 一种海洋可再生能源驱动的无人船 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋可再生能源驱动的无人船。包括由甲板和船底构成的船体、三角帆、桅杆、船体内的控制与导航系统、电源和波浪驱动装置，其特征在于上述的船体的内部还包括有固定在甲板之下重块、固定在船底上的浮体以及重块与浮体之间有弹簧支撑，且船体是由甲板、船底与左侧软板、右侧软板、后侧软板构成的一个类皮囊状、楔形船体，所述的左侧软板、右侧软板和后侧软板是能够弯曲变形的软的弹性片体，并在甲板上设置太阳能电池板。充分利用太阳能、风能和波浪能，具有普适性，且清洁持久与长续航能力，解决了无人船续航时间短的问题，可用于长期海洋监测。其结构合理紧凑、成本低，也解决了大船无法进入海域的相关海洋测量。

Description

一种海洋可再生能源驱动的无人船
技术领域
本发明涉及一种海洋可再生能源驱动的无人船，该无人船的驱动能源为波浪能、风能和太阳能，可作为一种海洋监测的传感器集成运动平台。
背景技术
在海洋监测领域，无人船是一种新型的搭载平台，其以小型船舶为基础，具有控制与导航能力，可搭载多种海洋测量传感器，以遥控、自主的工作方式，完成对用户感兴趣区域的相关海洋测量，可用于港口、污染海域、岛礁周边等区域的多种要素同步测量，也可完成大范围海洋现场监测、取样和遥感现场定标等任务，有效减少人力，提高测量效率。
无人船通常可分为船体、驱动、能源、控制与导航系统、传感器等部分。现阶段绝大部分无人船使用燃油和电池作为能源，续航能力有限，这严重地限制了其长期性的海洋测量能力。虽然目前可利用的海洋可再生能源主要有潮汐、波浪、温差、盐度梯度、海流、风能、太阳能等，但现阶段并非所有能源都可以作为驱动无人船的能源。例如，潮汐能发电比较成熟，但其装置巨大且固定位置，并不适合用作无人船的能源；温差能利用不同水层温差作为能源，但航行于海表面的无人船并不适用；利用盐度梯度发电是一种先进技术，但离实际应用还比较远；海流能很大程度上受限于位置，转化装置也难以用于无人船。
通过分析这些海洋可再生能源转化装置的特点和技术要求，表明目前可能适用于无人船的海洋可再生能源主要是波浪能、风能和太阳能。因此如何将这三种海洋可再生能源应用于驱动无人船，构建一个具有长续航能力的无人船是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种海洋可再生能源驱动的无人船，使用波浪能、风能和太阳能，以提高无人船的续航能力，弥补现有无人船无法用于长期海洋测量的不足。
在波浪驱动船舶方面，波浪直接转化为机械动力，已经有100多年的发展历史，通常是利用弹簧或弹性板将波浪能转化为驱动板的弹性势能，进而以“踢水”的方式，驱动船体前进。对于风能，通常以风帆的形式驱动船舶。太阳能通常作为船舶的充电来源。
本发明以波浪能驱动无人船，是通过合理设计船体，采用一种类皮囊状、楔形船体的形式，利用波浪实现船体支撑与压缩而实现吸水与喷水，利用喷水的水动力驱动无人船。对于风能和太阳能，将风帆和太阳能板合二为一。
本发明的波浪驱动装置是一个包括船底前部设有的一个入水口，后侧软板设有两个出水口的类皮囊状、楔形船体，以喷水的方式为无人船提供前进动力。甲板和船底呈等腰三角形，甲板和船底的腰长与底边的比例均大于1.5而小于2，底边长范围为1-1.5米，腰长范围为1.5-3米，船体的高度范围为0.3-0.5米。
本发明的左侧软板、右侧软板和后侧软板是橡胶片或PVC板。本发明的甲板和船底是由玻璃钢或不锈钢板构成。本发明的船体呈中空状态，船体内重物固定于甲板之下，浮体固定于船底之上，重物和浮体之间有弹簧连接。船底前部设有一个入水口，船尾设有两个出水口，形成一个类似风箱的吸水喷水的楔形船体，以吸水喷水的方式为无人船提供前进动力。当存在波浪时，在船体下降过程中，弹簧将支撑起船体，完成船体吸水。当船体下落至海表面，重物起到压缩船体的作用，完成船体喷水。浮体的作用是为无人船提供浮力。出水口和进水口为圆形，考虑喷水效率，入水口和进水口的半径范围为3-5厘米，两个出水口对称分布在船体尾部后侧软板上，以提供对称的喷水推进力，入水口设置在船底前部，能够充分完成吸水。所述的船体甲板表面设置有太阳能电池板，吸收太阳能，为无人船的电源供电。所述的船体船底装有舵，用于改变无人船航行方向。
本发明的三角帆，材料采用玻璃钢或铝板等材料，其表面贴有太阳能电池板，为无人船的电源供电。三角帆作为风帆，可绕其中心的桅杆旋转，改变三角帆的方向，兼顾太阳直射方向和风向，以风帆形式辅助无人船前进。
本发明的无人船具有控制与导航功能，能够自动根据风向、风力和太阳光强度自动调整三角帆方向；能够控制舵调整无人船的航向，实现无人船沿设定方向前进。
本发明具有以下优点：
所述的海洋可再生能源驱动的无人船，使用波浪能、风能和太阳能这三种海洋可再生能源，具有普适性，且清洁持久，能够在大部分海域应用，使无人船具有长续航能力。本发明的皮囊状、楔形船体，充分利用波浪能实现船体的吸水与喷水，不断推动无人船前进，原理上不消耗其它能量而实现船体驱动。本发明使用装有太阳能电池板的三角帆，既实现风能利用，又可实现电力吸收，一举两得。本发明是一种可用于长期海洋监测的平台，能够解决目前无人船续航时间短的问题，有利于长期海洋观测任务的开展。其结构合理紧凑、成本低，也解决了大船无法进入海域的相关海洋测量。
附图说明
图1是本发明的无人船主体示意图；
图2是本发明的船体总体结构示意图(不包括三角帆)；
图3是本发明的波浪驱动示意图；
图4是本发明的无人船受波浪作用示意图。
其中，1三角帆，2船体，3桅杆，4弹簧，5重块，6甲板，7左侧软板，8排水口，9后侧软板，10船底，11浮体，12右侧软板，13入水口，14电源，15控制与导航系统，16波浪驱动装置，17波浪，18波峰，19波谷，20太阳能电池板
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1、2，本发明包括由甲板6和船底10构成的船体2、三角帆1、桅杆3、船体2内的控制与导航系统15与电源14和波浪驱动装置16，其特征在于上述的船体2的内部还包括有固定在甲板6之下重块5、固定在船底10上的浮体11以及重块5与浮体11之间有弹簧4支撑，且重块5，弹簧4和浮体11的连线中心与船体重心垂直轴重合，且船体2是由甲板6、船底10与左侧软板7、右侧软板12、后侧软板9构成的一个类皮囊状、楔形船体，在波浪平静的情况下，弹簧4能够支撑起重块5，使船体2呈支撑状态。
所述的左侧软板7、右侧软板12和后侧软板9是能够弯曲变形的软的弹性片体，并在甲板6上放置太阳能电池板。
如图3所示，本发明上述的波浪驱动装置16是一个包括船底10前部设有的一个入水口13，后侧软板9设有两个出水口8，以喷水的方式为无人船提供前进动力。当波浪驱动装置16由压缩状态变为支撑状态时，水从入水口13沿箭头方向进入，船体2内充满水。当波浪驱动装置16由支撑状态变为压缩状态时，水从两个排水口8沿箭头方向喷出，形成推进力，推动无人船前进。
如图4，在存在波浪17的情况下，当船体2从波峰18向波谷19下落过程中，由于弹簧4的作用，船体2呈现支撑状态，水从入水口13进入，完成吸水过程。当船体下落至波谷19时，由于船体失重，以及重块5的惯性运动，波浪对船底10的减速作用，完成对船体2的压缩，如图4所示，船体2的厚度减小，水从后侧软板9的两个排水口8喷出，形成喷水推进，推动无人船前进。当船体2波谷19运动到波峰时，因为波浪的升力和重块5的作用，船体2将保持挤压状态，重新进入下一个吸水喷水周期。如此周而复始，波浪驱动装置16将利用波浪势能转化为流体机械能，作为无人船动力驱动能源。甲板6上也覆盖有太阳能电池板20，吸收太阳能存储于电源14。电源14和控制与导航系统15安装于船底之上，并考虑平衡性，通常对称安装于船体内部。电源14和控制与导航系统15安装于船底之上，并考虑平衡性，通常对称安装于船体内部。
本发明的甲板6和船底10呈等腰三角形，甲板6和船底10的腰长与底边的比例均大于1.5而小于2，底边长范围为1-1.5米，腰长范围为1.5-3米，船体2的高度范围为0.3-0.5米。
本发明的左侧软板7、右侧软板12和后侧软板9是橡胶片或PVC板制成。
本发明的甲板6和船底10是由玻璃钢或不锈钢板或硬塑料板制成。
本发明的三角帆1的表面的安装太阳能电池板20，吸收的太阳能存储于电源14，为无人船的控制与导航系统15和搭载的其它传感器供电。又利用三角帆1作为风帆，并可绕桅杆3改变与风的作用方向，辅助无人船前进。因为三角帆1具有吸收太阳能和风力应用两种功能，所以其方向转动将兼顾太阳能和风能的利用效率，具体控制策略为：当风速低于或等于3~4级，无人船控制与导航系统15将控制三角帆1转向太阳方向，且兼顾不会增加风阻力，主要功能是吸收太阳能；当风速高于3~4级时，无人船控制与导航系统15将根据风向控制三角帆角度，利用风力驱动无人船。利用控制与导航系统15控制舵实现无人船按预定航向前进。

Claims (5)

1.一种海洋可再生能源驱动的无人船，包括由甲板(6)和船底(10)构成的船体(2)、三角帆(1)、桅杆(3)、船体(2)内的控制与导航系统(15)与电源(14)和波浪驱动装置(16)，其特征在于上述的船体(2)的内部还包括有固定在甲板(6)之下重块(5)、固定在船底(10)上的浮体(11)以及重块(5)与浮体(11)之间有弹簧(4)支撑，且重块(5)，弹簧(4)和浮体(11)的连线中心与船体重心垂直轴重合，且船体(2)是由甲板(6)、船底(10)与左侧软板(7)、右侧软板(12)、后侧软板(9)构成的一个类皮囊状、楔形船体，所述的左侧软板(7)、右侧软板(12)和后侧软板(9)是能够弯曲变形的软的弹性片体，并在甲板(6)上设置太阳能电池板；
上述的波浪驱动装置(16)包括设置在船底(10)前部设有的一个入水口(13)，以及设置在后侧软板(9)的两个出水口(8)。
2.如权利要求1所述的海洋可再生能源驱动的无人船，其特征在于上述的三角帆(1)表面安装有太阳能电池板。
3.如权利要求1所述的海洋可再生能源驱动的无人船，其特征在于上述的甲板(6)和船底(10)呈等腰三角形，甲板(6)和船底(10)的腰长与底边的比例均大于1.5而小于2，底边长范围为1-1.5米，腰长范围为1.5-3米，船体(2)的高度范围为0.3-0.5米。
4.如权利要求1所述的海洋可再生能源驱动的无人船，其特征在于上述的左侧软板(7)、右侧软板(12)和后侧软板(9)是由橡胶片或PVC板制成。
5.如权利要求1所述的海洋可再生能源驱动的无人船，其特征在于上述的甲板(6)和船底(10)是由玻璃钢或不锈钢板或硬塑料板制成。
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