CN108494325A - 一种太阳能发电无人船及稳定发电方法 - Google Patents

一种太阳能发电无人船及稳定发电方法 Download PDF

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Abstract

一种太阳能发电无人船，包括角度调节液压缸、滑动轴承、下层太阳能发电板、导轨、上层太阳能发电板、导杆、展开液压缸、船体、支撑杆。现有的无人船都是利用锂电池或铅酸电池给仪器设备供电，甚至依靠电能驱动船体运动，电量不够时，需要回港靠岸进行充电或更换电池，导致无人船不能长时间持续工作。本发明在无人船船体两侧架设太阳能发电板，利用太阳能转化的电能给电池充电；太阳能发电板有上下两层，下层太阳能发电板下部安装有角度调节液压缸，上部安装有展开液压缸，分别用来调节太阳能发电板的倾斜角度和展开面积；太阳能发电板的倾斜角度和展开面积可根据太阳位置和天气情况实时调节，在力求最大发电量的同时也保证无人船安全稳定的工作。

Description

一种太阳能发电无人船及稳定发电方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电无人船及稳定发电方法，属于无人船技术领域。
背景技术
随着现代科技向着信息化、智能化方向发展，无人驾驶技术已逐渐从理论研究发展到了实际应用，其中无人船近几年已经开始在海底探测、海上巡逻、水质监测等领域得到应用。现有的无人船都是利用锂电池或铅酸电池给仪器设备供电，甚至依靠电能驱动船体运动，电量不够时，需要回港靠岸进行充电或更换电池，导致无人船不能长时间持续工作，无法实现远距离航行，这就使利用太阳能、风能、波浪能等新型能源的无人船成为了一种发展趋势。现有太阳能发电无人船，不管是单体船、双体船还是三体船，其太阳能发电板多为固定倾角结构，且都是单层布置在船体外表面，由于太阳位置在不断变化，船体的外表面面积也有限，所以无法充分利用太阳的光照实现发电效率和发电量的最大化，如果在船体平台上装载大功率的任务载荷，船体平台消耗的电功率将大于太阳能发电板的发电功率，这时就会导致无人船间出现间歇性工作的情况，降低无人船的工作效率，使无人船的工作性能受到影响。
发明内容
本发明解决的技术问题为：为克服现有技术不足，提供一种太阳能发电无人船，该发明在无人船船体两侧架设太阳能发电板，利用太阳能转化的电能给电池充电；太阳能发电板分上下两层，太阳能发电板的倾斜角度和展开面积可根据太阳位置和天气情况实时调节，在力求最大发电量的同时也保证无人船安全稳定工作，实现了无人船长时间远距离的航行，同时也扩大了船体平台上装载的任务载荷的功率范围，提高了无人船的工作性能指标。
本发明解决的技术方案为：一种太阳能发电无人船，包括:角度调节液压缸(1)、滑动轴承(2)、下层太阳能发电板(3)、导轨(4)、上层太阳能发电板(5)、导杆(6)、展开液压缸(7)、船体(8)、支撑杆(9)；
支撑杆(9)横穿船体(8)并与船体固定连接，下层太阳能发电板(3)通过底部的滑动轴承(2)安装在船体(8)前部的支撑杆(9)上，角度调节液压缸(1)通过滑动轴承(2)安装在船体(8)后部的支撑杆(9)上，用于调节下层太阳能发电板(3)的倾斜角度；上层太阳能发电板(5)能够在展开液压缸(7)的作用下通过上层太阳能发电板(5)背面的导杆(6)，沿着安装在下层太阳能发电板(3)背面上的导轨(4)前后运动。
支撑(9)杆为两根，并列安装在船体(8)的前部与后部，通过法兰板与船体(8)固定，防止支撑杆(9)转动，支撑杆(9)安装高度在船体(8)吃水线附近，船体(8)两侧支撑杆(9)的长度相等。
角度调节液压缸(1)每侧三个，等间距分布，每个角度调节液压缸(1)用一个滑动轴承(2)安装在船体(8)后部的支撑杆(9)上，角度调节液压缸(1)的活塞杆用转动副与下层太阳能发电板(3)背部连接，用来调节下层太阳能发电板(3)的倾斜角度。
船体(8)两侧在接近吃水线附近对称开有四个孔，孔的直径和支撑杆(9)的直径相等；所述支撑杆(9)上加工有安装滑动轴承(2)的轴径。
滑动轴承(2)为剖分式滑动轴承，滑动轴承(2)中的两片轴瓦用螺栓固定在一起，其中一片轴瓦和下层太阳能发电板(3)底部或角度调节液压缸(1)的缸筒焊接在一起。
下层太阳能发电板(3)背面焊接有安装板，用来与角度调节液压缸(1)的活塞杆连接，构成转动副。
下层太阳能发电板(3)上侧面焊接有两组导轨(4)；上层太阳能发电板(5)背部焊接有两组导杆(6)，导杆(6)能够在导轨(4)中滑动。
上层太阳能发电板(5)背面有安装板，展开液压缸(7)包括缸筒和活塞杆，展开液压缸(7)的缸筒固定在下层太阳能发电板(3)的正面，展开液压缸(7)的活塞杆固定在上层太阳能发电板(5)背面的安装板上。
以展开液压缸(7)运动的方向定义为太阳能发电板的宽度方向，所述下层太阳能发电板(3)的宽度不小于两个支撑轴(9)在船长方向的距离；上层太阳能发电板(5)的宽度不大于下层太阳能发电板(3)的宽度；展开液压缸(7)的行程应等于上层太阳能发电板(5)的宽度。
所述支撑杆(9)、下层太阳能发电板(3)、上层太阳能发电板(5)的材料均为密度小于水的硬质材料，能够提供一定的浮力，防止船体(8)过度倾斜，提高船体的平稳性。
一种太阳能发电无人船的稳定发电方法，步骤如下：
(1)在无人船船体两侧架设太阳能发电板；
(2)判断无人船的航行方向是向着太阳还是背向太阳行驶和工作，若向着太阳执行步骤(3)；当无人船背向太阳，进行步骤(4)；
(3)上、下层太阳能发电板的正面发电，由太阳能发电板由液压缸驱动，其倾斜角度和展开面积根据太阳位置、风向和天气情况实时调节，利用太阳能转化的电能给电池充电，在达到最大发电量的同时，保证无人船安全稳定工作；
(4)将角度调节液压缸(1)的液压杆收回，保持两层太阳能发电板位处在水平位置或通过角度调节液压缸(1)调节两层太阳能发电板的倾斜角度，使上、下太阳能发电板的背面也可以迎向阳光。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在无人船船体两侧架设太阳能发电板，利用太阳能转化的电能给电池充电，避免了由于电量不够需要靠岸充电的问题，使无人船能够长时间持续的工作和远距离航行。
(2)本发明虽然为单体船结构，但横穿船体且对称布置的支撑杆、上下太阳能发电板的固定面板均为密度小于水的硬质材料，可以像三体船一样在船体两侧提供一定的浮力，减小船体的横摇，提高船体的稳性。
(3)本发明通过下层太阳能发电板背面的角度调节液压缸，根据太阳的位置，可以实时调节太阳能发电板的角度以最大限度的使太阳能发电板正对太阳光照方向，和固定倾角的太阳能发电板相比，提高了太阳能的利用效率。
(4)本发明的太阳能发电板有上下两层，通过设置的导轨和展开液压缸可以实现上层太阳能发电板与下层太阳能发电板的展开和叠加，来增大和减小太阳能发电板的发电面积，并可以根据船载风速仪检测到的风力大小，控制上层太阳能板的展开程度，在保证船体稳定的基础上，尽可能大的展开上层太阳能板，和单层布置的太阳能发电板相比，增加了在小风力或低级海况下的发电面积和发电量。
(5)本发明实施例原则上只有上、下层太阳能发电板的正面可以发电，但是如果需要，也可以通过增大角度调节液压缸的行程，使太阳能发电板的角度调节的范围超过90度，使上、下太阳能发电板的背面也可以迎向阳光，这样，当无人船背向太阳行驶和工作时，也可以有很高的发电效率。
附图说明
图1是本发明整体结构图；
图2是本发明太阳能发电板全部展开时的正面、背面整体结构图。
图3是本发明上层太阳能发电板单独发电时的正面、背面整体结构图；
图4是本发明太阳能发电板完全闭合时的正面、背面整体结构图；
图5是本发明船体和支撑杆的装配图；
图6是本发明下层太阳能发电板结构图；
图7是本发明上层太阳能发电板结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种太阳能发电无人船，包括角度调节液压缸、滑动轴承、下层太阳能发电板、导轨、上层太阳能发电板、导杆、展开液压缸、船体、支撑杆。现有的无人船都是利用锂电池或铅酸电池给仪器设备供电，甚至依靠电能驱动船体运动，电量不够时，需要回港靠岸进行充电或更换电池，导致无人船不能长时间持续工作。本发明在无人船船体两侧架设太阳能发电板，利用太阳能转化的电能给电池充电；太阳能发电板有上下两层，下层太阳能发电板下部安装有角度调节液压缸，上部安装有展开液压缸，分别用来调节太阳能发电板的倾斜角度和展开面积；太阳能发电板的倾斜角度和展开面积可根据太阳位置和天气情况实时调节，在力求最大发电量的同时也保证无人船安全稳定的工作。
如图1、图2、图3、图4所示，图中标注：1.角度调节液压缸2.滑动轴承3.下层太阳能发电板4.导轨5.上层太阳能发电板6.导杆7.展开液压缸8.船体9.支撑杆。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的一种太阳能发电无人船，其特征在于包括:角度调节液压缸(1)、滑动轴承(2)、下层太阳能发电板(3)、导轨(4)、上层太阳能发电板(5)、导杆(6)、展开液压缸(7)、船体(8)、支撑杆(9)；支撑杆(9)横穿船体(8)并与船体固定连接，下层太阳能发电板(3)通过底部的滑动轴承(2)安装在船体(8)前部的支撑杆(9)上，角度调节液压缸(1)通过滑动轴承(2)安装在船体(8)后部的支撑杆(9)上，用于调节下层太阳能发电板(3)的倾斜角度；上层太阳能发电板(5)能够在展开液压缸(7)的作用下通过上层太阳能发电板(5)背面的导杆(6)，沿着安装在下层太阳能发电板(3)背面上的导轨(4)前后运动。
如图5所示，支撑杆为两根，并列安装在船体(8)的前部与后部，通过法兰板与船体(8)固定，防止支撑杆(9)转动，支撑杆(9)安装高度在船体(8)吃水线附近，结合船舶结构设计理论，具体位置应略高于水面，所述支撑杆(9)、下层太阳能发电板(3)、上层太阳能发电板(5)的材料均为密度小于水的硬质材料，能够提供一定的浮力，防止船体(8)过度倾斜，提高船体的平稳性；也可以在支撑杆(9)下部加装浮体材料，在两侧为船体提供浮力，以减小船体(8)的横摇，提高船体(8)的稳性，船体两侧支撑杆(9)的长度应相等。船体(8)两侧在接近吃水线附近对称开有四个孔，孔的直径和支撑杆(9)的直径相等，用来安装支撑杆；所述支撑杆(9)上加工有安装滑动轴承(2)的轴径，滑动轴承(2)为剖分式滑动轴承，以方便固定和拆卸，滑动轴承(2)中的两片轴瓦用螺栓固定在一起，其中一片轴瓦和下层太阳能发电板(3)底部或角度调节液压缸(1)的缸筒焊接在一起，以安装下层太阳能发电板(3)和角度调节液压缸(1)，使下层太阳能发电板(3)和角度调节液压缸(1)可以绕各自的支撑杆(9)转动。
如图1、图2所示，角度调节液压缸(1)每侧三个(角度调节液压缸个数越多，间距越小，太阳能发电板的结构稳定性越好，但成本增高，重量增加，角度调节液压缸同步运动的控制难度增加，综合考虑，角度调节液压缸的个数为1～3个，船体越大，支撑杆长度越长，角度调节液压缸的个数越多)，等间距分布，每个角度调节液压缸(1)用一个滑动轴承(2)安装在船体(8)后部的支撑杆(9)上；如图6所示，下层太阳能发电板(3)背面焊接有安装板，角度调节液压缸(1)的活塞杆用转动副的形式与下层太阳能发电板(3)背部的安装板连接，用来调节下层太阳能发电板(3)的倾斜角度，该角度可根据太阳的位置实时调节，以最大限度的使太阳能发电板正对太阳光照方向，和固定倾角的太阳能发电板相比，提高了太阳能的利用效率。
如图6所示，下层太阳能发电板(3)上侧面焊接有两组导轨(4)，以支撑完全展开的上层太阳能发电板(5)；如图7所示，上层太阳能发电板(5)焊接有两组导杆(6)，焊接位置在上侧太阳能发电板(5)背面靠近下侧面的位置，所述导杆(6)能够在所述导轨(4)中滑动构成移动副，两个移动副使上层太阳能发电板(5)稳定可靠的滑动；上层太阳能发电板(5)背面焊接有安装板，展开液压缸(7)包括缸筒和活塞杆，展开液压缸(7)的缸筒固定在下层太阳能发电板(3)的正面，展开液压缸(7)的活塞杆顶端与上层太阳能发电板(5)背面的安装板连接并固定，以驱动上层太阳能发电板(5)进行直线运动；通过设置的导轨和展开液压缸可以实现上层太阳能发电板(5)与下层太阳能发电板(3)的展开和叠加，来增大和减小太阳能发电板的发电面积，并可以根据船载风速仪检测到的风力大小和海况大小，控制上层太阳能发电板(5)的展开程度，在保证船体(8)稳定的基础上，尽可能大的展开上层太阳能发电板(5)，和单层布置的太阳能发电板相比，增加了在小风力或低级海况下的发电板面积和发电量。
以展开液压缸(7)运动的方向定义为太阳能发电板的宽度方向，所述下层太阳能发电板(3)的宽度B1不小于两个支撑轴(9)在船长方向的距离LZ，以保证下层太阳能发电板(3)倾斜角度为0度(水平方向)时，角度调节液压缸(1)完全处于竖直方向；为保证船体(8)的稳定性，上层太阳能发电板(5)的宽度B2不大于下层太阳能发电板(3)的宽度B1；为保证上层太阳能发电板(5)完全的展开，展开液压缸(7)的行程应不小于上层太阳能发电板(5)的宽度B1。综合考虑船体尺寸和船体稳定性、机械结构强度、太阳能发电板的发电面积变化范围等因素，在船长方向上优选的相关的尺寸设计给出如下公式供参考：
式中，L—船舱长度，LZ—两个支撑轴在船长方向的距离，B1—下层太阳能发电板的宽度，B2—上层太阳能发电板的宽度，k—结构安装系数，取值范围1.05-1.1，船体尺寸小时取大值，船体尺寸大时取小值。
在船体宽度方向上，根据支撑杆(9)的受力形式和相关材料的屈服强度，推荐船体(8)两侧支撑杆(9)的长度最大不超过三倍的船体宽度，或者每侧太阳能发电板的整体重心距离船体(8)中线不超过两倍的船体宽度。
本发明实施例原则上只有上、下层太阳能发电板的正面可以发电，但当无人船背向太阳行驶和工作时，如果需要发电，可以有两种发电方法：1、角度调节液压缸(1)的液压杆收回，保持两层太阳能发电板位处在水平位置；2、角度调节液压缸(1)调节两层太阳能发电板的倾斜角度超过90度，使上、下太阳能发电板的背面也可以迎向阳光，这样，当无人船背向太阳行驶和工作时，第二种方法将比第一种方法有更高的发电效率。角度调节液压缸(1)行程为a，下层太阳能发电板(3)背部的安装板距离前部支撑杆(9)轴线的距离为b，则太阳能发电板的角度调整范围不小于135度时，优选尺寸设计可参照如下公式：
当调整角度超过135度时或海况等级较高时，建议采用第一种发电方法。
在实际航行过程中，由于海况、天气的复杂性，应该不断的调节太阳能发电板的倾角和展开面积，在保证无人船航行的稳定性和安全性的基础上，实现最大发电量。下面举例说明船体长度约13米、排水量在10吨左右的无人船平台在5级海况下，正午时的太阳能发电板最大倾角和最大展开程度。海况超过5级时，倾斜角度和展开程度均为零。
当无人船面向太阳行驶时，根据海况大小和风向推荐使用下表中的倾斜角度和展开面积。其中A表示无人船面向太阳行驶时太阳能发电板正对太阳时的倾斜角度，其角度优选小于90度。表中展开程度为0％(100％)时表示展开液压缸完全收回(伸出)的状态，下同。
当无人船背向太阳行驶时，根据海况大小和风向推荐使用下表中的倾斜角度和展开面积。其中A1表示无人船背向太阳行驶时太阳能发电板正对太阳时的倾斜角度，其角度大于90度。表中倾斜角度为0度时表示角度调节液压缸完全收回、太阳能发电板处在水平位置时的状态。
综合上述两表可知，具体实施时应综合考虑风向对无人船行驶的阻力和推力，以及海况对船体稳定性的影响，上述两表中的数据可作为船体的结构、控制系统具体设计的参考。
本发明的一种太阳能发电无人船的稳定发电方法，步骤如下：
(1)在无人船船体两侧架设太阳能发电板；
(2)判断无人船的航行方向是向着太阳还是背向太阳行驶和工作，若向着太阳执行步骤(3)；当无人船背向太阳，进行步骤(4)；
(3)上、下层太阳能发电板的正面发电，由太阳能发电板由液压缸驱动，其倾斜角度和展开面积根据太阳位置、风向和天气情况实时调节，利用太阳能转化的电能给电池充电，在达到最大发电量的同时，保证无人船安全稳定工作；
(4)将角度调节液压缸(1)的液压杆收回，保持两层太阳能发电板位处在水平位置或通过角度调节液压缸(1)调节两层太阳能发电板的倾斜角度，使上、下太阳能发电板的背面也可以迎向阳光。
本发明在无人船船体两侧架设太阳能发电板，利用太阳能转化的电能给电池充电，太阳能发电板由液压缸驱动，其倾斜角度和展开面积可根据太阳位置、风向和天气情况实时调节，提高了无人船的发电效率，在力求最大发电量的同时保证无人船安全稳定工作。

Claims (11)

1.一种太阳能发电无人船，其特征在于包括:角度调节液压缸(1)、滑动轴承(2)、下层太阳能发电板(3)、导轨(4)、上层太阳能发电板(5)、导杆(6)、展开液压缸(7)、船体(8)、支撑杆(9)；
支撑杆(9)横穿船体(8)并与船体固定连接，下层太阳能发电板(3)通过底部的滑动轴承(2)安装在船体(8)前部的支撑杆(9)上，角度调节液压缸(1)通过滑动轴承(2)安装在船体(8)后部的支撑杆(9)上，用于调节下层太阳能发电板(3)的倾斜角度；上层太阳能发电板(5)能够在展开液压缸(7)的作用下通过上层太阳能发电板(5)背面的导杆(6)，沿着安装在下层太阳能发电板(3)背面上的导轨(4)前后运动。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：支撑(9)杆为两根，并列安装在船体(8)的前部与后部，通过法兰板与船体(8)固定，防止支撑杆(9)转动，支撑杆(9)安装高度在船体(8)吃水线附近，船体(8)两侧支撑杆(9)的长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：角度调节液压缸(1)每侧三个，等间距分布，每个角度调节液压缸(1)用一个滑动轴承(2)安装在船体(8)后部的支撑杆(9)上，角度调节液压缸(1)的活塞杆用转动副与下层太阳能发电板(3)背部连接，用来调节下层太阳能发电板(3)的倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：船体(8)两侧在接近吃水线附近对称开有四个孔，孔的直径和支撑杆(9)的直径相等；所述支撑杆(9)上加工有安装滑动轴承(2)的轴径。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：滑动轴承(2)为剖分式滑动轴承，滑动轴承(2)中的两片轴瓦用螺栓固定在一起，其中一片轴瓦和下层太阳能发电板(3)底部或角度调节液压缸(1)的缸筒焊接在一起。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：下层太阳能发电板(3)背面焊接有安装板，用来与角度调节液压缸(1)的活塞杆连接，构成转动副。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：下层太阳能发电板(3)上侧面焊接有两组导轨(4)；上层太阳能发电板(5)背部焊接有两组导杆(6)，导杆(6)能够在导轨(4)中滑动。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：上层太阳能发电板(5)背面有安装板，展开液压缸(7)包括缸筒和活塞杆，展开液压缸(7)的缸筒固定在下层太阳能发电板(3)的正面，展开液压缸(7)的活塞杆固定在上层太阳能发电板(5)背面的安装板上。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：以展开液压缸(7)运动的方向定义为太阳能发电板的宽度方向，所述下层太阳能发电板(3)的宽度不小于两个支撑轴(9)在船长方向的距离；上层太阳能发电板(5)的宽度不大于下层太阳能发电板(3)的宽度；展开液压缸(7)的行程应等于上层太阳能发电板(5)的宽度。
10.根据权利要求1所述的一种太阳能发电无人船，其特征在于：所述支撑杆(9)、下层太阳能发电板(3)、上层太阳能发电板(5)的材料均为密度小于水的硬质材料，能够提供一定的浮力，防止船体(8)过度倾斜，提高船体的平稳性。
11.一种太阳能发电无人船的稳定发电方法，其特征在于步骤如下：
(1)在无人船船体两侧架设太阳能发电板；
(2)判断无人船的航行方向是向着太阳还是背向太阳行驶和工作，若向着太阳执行步骤(3)；当无人船背向太阳，进行步骤(4)；
(3)上、下层太阳能发电板的正面发电，由太阳能发电板由液压缸驱动，其倾斜角度和展开面积根据太阳位置、风向和天气情况实时调节，利用太阳能转化的电能给电池充电，在达到最大发电量的同时，保证无人船安全稳定工作；
(4)将角度调节液压缸(1)的液压杆收回，保持两层太阳能发电板位处在水平位置或通过角度调节液压缸(1)调节两层太阳能发电板的倾斜角度，使上、下太阳能发电板的背面也可以迎向阳光。
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