CN106394846A - 太阳能风帆船用节能自动助航控制方法 - Google Patents

太阳能风帆船用节能自动助航控制方法 Download PDF

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Abstract

太阳能风帆船用节能自动助航控制方法，包括太阳能风帆、信号采集系统、应急操作系统、运转控制计算机、上位机、驱动泵组以及储能模块，太阳能风帆表面包裹有非晶硅太阳能电池薄膜，太阳能电池薄膜持续产生电能，并存储到储能模块；所述的信号采集系统包括航向感应器、风速感应器、风向感应器，采集的信号发送至上位机，上位机根据信号自动计算，若当前海况满足太阳能风帆使用条件时，运转控制计算机会自动开启驱动泵组并优先向应急操作系统充能，应急操作系统传感器满载压力信号传至上位机后，运转控制计算机自动控制太阳能风帆由回收状态转向工作状态。本发明同时利用太阳能和风能，更大程度地减少对传统能源的依赖，使船舶进入可再生能源领域。

Description

太阳能风帆船用节能自动助航控制方法
技术领域
本发明属于船舶节能技术领域，特别涉及一种太阳能风帆船用节能自动助航控制方法
，太阳能风帆船用节能自动助航控制方法是一整套集成系统，集成了多级可伸缩金属或高分子材料钢性太阳能风帆、船用级太阳能电池薄膜、储能模块、环境数据采集及处理和运转控制计算机等，本系统的独特功能是可以同时利用太阳能和风能，更大程度地减少对传统的能源的依赖，使船舶进入可再生能源领域。
背景技术
太阳能取之不尽、用之不绝，是重要的可再生能源，在后化石燃料时代太阳能将成为最主要的自然能源之一。而且，除核能以外，可以说地球上一切能源都直接或间接地来自太阳能。尽管太阳能技术在日常生活中已得到广泛应用，但将其作为交通运输工具的动力能源研究起步较晚，太阳能作为船舶航行的动力能源研究还较薄弱，其实际应用还不广泛，可谓是刚起步，尤其是作为大型远洋航行船舶的动力能源研究更是薄弱。
风力资源作为新能源的一种，具有储量巨大、分布广泛、清洁、可再生等诸多优点。风动力作为船舶推进动力具有悠久的历史，从帆船的产生到发展，风力资源一直扮演着重要的角色。如果现代远洋船舶能够合理地利用风能资源，则无疑会大幅降低船运油耗、减少CO2排放量，产生良好的经济效益和社会效益。
太阳能目前在船舶领域的应用主要为大面积铺设太阳能电池板，对船型有极为特殊的要求，普通货船在满足商业运行的前提下并没有足够的面积用来铺设太阳能板，传统风帆作为海上远洋船舶推进手段时，存在效率较低、装置收放不便、影响船舶驾驶、通航限制等诸多不利因素，大大制约了现代风帆船舶的工程应用前景。
发明内容
本发明专利的目的就是在理论分析、模型试验、数值计算分析的基础上，开展太阳能电池薄膜与金属钢性风帆系统相结合的设计与制造关键技术、太阳能电池-储能-风帆-推进-操纵系统联合控制关键技术。太阳能风帆项目的完成可实现太阳能、风能在船舶节能助航领域关键技术的突破，并为太阳能、风能助推绿色船舶技术的发展、工程应用及产业化迈出重要的一步。
本发明在船舶左右舷或船舯各布置一台或多台风帆（布置可根据实船状况确定），太阳能风帆为“天线”式可伸缩金属钢性帆，非晶硅太阳能电池薄膜包裹在风帆表面。
太阳能风帆船用节能自动助航控制方法中的太阳能电池薄膜持续产生电能，并存储到储能模块用于启动太阳能风帆系统及支持系统运行，系统中的航向、风速、风向感应器采集信号发送至上位机，上位机根据信号自动计算，若当前海况满足风帆使用条件运转控制计算机会自动开启驱动泵组并优先向应急操作系统充能，应急操作系统传感器满载压力信号传至上位机后，运转计算机自动控制太阳能风帆由回收状态转向工作状态，太阳能风帆逐级升高并回转到上位机计算出的最佳角度位置后由抱闸及平衡阀等组件固定在工作位，驱动泵组高功耗设备自动停机以降低能耗。系统每10分钟检测一次航向、风速、风向等信号并自动计算分析，根据分析结论自动调整风帆角度。若系统传感器传输到系统中的环境参数、当前海况不满足风帆使用条件运转控制计算机会自动控制太阳能风帆回收。若持续的恶劣天气后储能模块不足以支持系统工作，运转计算机会自动切换到船用电源。太阳能风帆中的应急控制系统可在失电或有突发状况自动控制失效的情况下可用应急控制系统回收太阳能风帆。
本发明太阳能风帆为金属或高分子材料的钢性帆，其结构由承载梁、不锈钢框体及耐腐蚀金属材质为蒙皮构造而成，非晶硅太阳能电池薄膜贴附在太阳能风帆表面，采用大容量高输出的储能装置储存太阳能转化的电能。 太阳能电池薄膜将太阳能转化为电能并存储在高输出储能模块中，运转控制计算机会根据环境参数启动驱动泵组，在太阳能风帆运行到助航角度自动关闭驱动泵组，整套系统以“时间换能量”的方式运行，并能将多余电能供给船舶上其他设备。
具体实施方式
太阳能风帆船用节能自动助航控制方法，包括太阳能风帆、信号采集系统、应急操作系统、运转控制计算机、上位机、驱动泵组以及储能模块，所述太阳能风帆布置在船舶左右舷或船舯位置，太阳能风帆为“天线”式可伸缩金属钢性帆，太阳能风帆表面包裹有非晶硅太阳能电池薄膜，太阳能电池薄膜持续产生电能，并存储到储能模块；所述的信号采集系统包括航向感应器、风速感应器、风向感应器，采集的信号发送至上位机，上位机根据信号自动计算，若当前海况满足太阳能风帆使用条件时，运转控制计算机会自动开启驱动泵组并优先向应急操作系统充能，应急操作系统传感器满载压力信号传至上位机后，运转控制计算机自动控制太阳能风帆由回收状态转向工作状态，太阳能风帆逐级升高并回转到上位机计算出的最佳角度位置后由抱闸及平衡阀等组件固定在工作位，驱动泵组自动停机以降低能耗。
所述的信号采集系统每10分钟检测一次航向、风速、风向等信号并以调整风帆角度。
所述的航向、风速、风向信号的参数不满足太阳能风帆使用条件，运转控制计算机会
自动控制太阳能风帆回收。
所述的储能模块经持续恶劣天气不足以支持系统工作，运转控制计算机会自动切换到
船用电源。
所述的应急控制系统在自动控制失效的情况下完成太阳能风帆的回收。
下面结合具体技术指标对本发明作进一步说明：
1）太阳能风帆气动特性
太阳能风帆助航的主要内容包括升力、阻力、推力、侧向力和横倾力矩特性等气动特性。影响太阳能风帆气动特性的因素主要有太阳能风帆形状、展弦比、拱度、前缘半径、桅杆、船体上层建筑及大气梯度等。太阳能风帆的气动特性可通过试验或理论计算确定。风帆的空气动力性能在许多方面与机翼相仿，当风帆以某一攻角对风时，帆上作用有升力和阻力，它们随攻角而变。升力与帆面拱度密切相关，阻力则与帆面质量、帆后流动分离等因素有关。小攻角时，升力随攻角增加而增加，在某一攻角时达到最大值；此后，攻角的增加使得升力下降、阻力激增。风帆的推力是升力和阻力在船前进方向分力的合力，在某些情况下，如顺风航行，帆的阻力表现为帆的推力。因此，不仅要使帆在中等攻角下有较大的升力，还要使帆在大攻角时有较大的阻力，才能使船舶获得较大的推力
2）太阳能风帆材质
翼面材料为耐腐蚀金属薄板或高分子材料，具有轻便及抗锈蚀作用，翼面光洁，外形美观大方。风帆承载立柱满足相应的力学强度要求。
3）太阳能电池薄膜
太阳能风帆表面太阳能电池薄膜为非晶硅太阳能电池薄膜，厚度、可弯曲性极适用于太阳能风帆带线型的表面。非晶硅太阳能电池薄膜的高温性能也非常适用在船舶甲板上的环境，最佳输出功率受温度影响较小。非晶硅材料的吸收系数在整个可见光范围内，弱光响应好，充电效率高
4）储能模块
采用大容量高输出功率的储能装置，且整个系统最高功耗的泵组的工作特性为响应启动、短时工作，储能模块的应用为“以时间换取能量“，该模块储蓄的太阳能转换而来的电能还能有富余供应给船舶其他设备。
5）承力
风帆要求在一定风速下能够实现正常的收放、转动作业。风帆表面压力分布估算结果表明，风帆需承受局部风载一定压强值。风帆样机各部分构件强度、刚度的设计和加工根据上述风载特性，并留有一定的裕度，以满足一定风速下，风帆样机的正常作业要求。
选择用于轴向伸缩的液压缸布放位置时，液压缸承力特性、有效收缩距离、液压装置的拆装及维修等问题。安装在风帆内部的液压缸，仅用于轴向伸缩运动控制，不承受横向力及扭力作用。由主、副升降立柱内置可调节导轨承载工作状态下的横向力及扭力作用。
根据风帆各伸缩段受力特点（抗弯、抗扭），设计了有效的承力机械结构，并设置了可靠的受力保护装置。以避免由于风载作用力过大造成整个机械结构的变形，而影响整个风帆样机的正常升降。
6）装拆
风帆系统应为套杆结构具有较好的维护性能，各组件容易拆装及更换，非晶硅太阳能
电池薄膜贴附简单，且具有很好的弯曲性，更换也非常容易。
7）数据采集系统
风帆系统为计算机智能控制，在风帆机械上安装了一定的数据采集装置，以作为控制器的输入信号。使控制器根据项目组预先编制的控制策略程序，输出控制信号，实现风帆智能转动、升降的目标。

Claims (5)

1.太阳能风帆船用节能自动助航控制方法，包括太阳能风帆、信号采集系统、应急操作系统、运转控制计算机、上位机、驱动泵组以及储能模块，所述太阳能风帆布置在船舶左右舷或船舯位置，太阳能风帆为“天线”式可伸缩金属钢性帆，太阳能风帆表面包裹有非晶硅太阳能电池薄膜，太阳能电池薄膜持续产生电能，并存储到储能模块；所述的信号采集系统包括航向感应器、风速感应器、风向感应器，采集的信号发送至上位机，上位机根据信号自动计算，若当前海况满足太阳能风帆使用条件时，运转控制计算机会自动开启驱动泵组并优先向应急操作系统充能，应急操作系统传感器满载压力信号传至上位机后，运转控制计算机自动控制太阳能风帆由回收状态转向工作状态，太阳能风帆逐级升高并回转到上位机计算出的最佳角度位置后由抱闸及平衡阀等组件固定在工作位，驱动泵组自动停机以降低能耗。
2.根据权利要求1所述的太阳能风帆船用节能自动助航控制方法，其特征在于：所述的信号采集系统每10分钟检测一次航向、风速、风向等信号并以调整风帆角度。
3.根据权利要求2所述的太阳能风帆船用节能自动助航控制方法，其特征在于：所述的航向、风速、风向信号的参数不满足太阳能风帆使用条件，运转控制计算机会自动控制太阳能风帆回收。
4.根据权利要求1所述的太阳能风帆船用节能自动助航控制方法，其特征在于：所述的储能模块经持续恶劣天气不足以支持系统工作，运转控制计算机会自动切换到船用电源。
5.根据权利要求1所述的太阳能风帆船用节能自动助航控制方法，其特征在于：所述的应急控制系统在自动控制失效的情况下完成太阳能风帆的回收。
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