CN108820177A - 一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法，所述新能源帆船包括控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统和船体；控制系统包括上位机和传感器组；风能动力系统包括太阳能翼帆、桅杆控制装置和可折叠桅杆；储能系统包括风力发电装置和电池组；电驱动系统包括驱动电机、螺旋桨和舵机；通过传感器组与上位机通讯，可以实时感知新能源帆船的环境信息和航行信息。当环境有大风时，张开复合太阳能电池组的翼帆，利用风能前进，同时太阳能翼帆将太阳能转化为电能储存在储能系统里，利用风能发电装置将多余的风能转化为电能存储在储能系统里；当环境微风时，则风能与电能混合动力前进；没有风时，利用电能推进。

Description

一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法

技术领域

本发明属于船舶技术领域，涉及一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法。

背景技术

使用清洁新能源的船舶，作为一种新概念船，因为绿色环保，受到了越来越多的关注。在新能源帆船领域，当前主要存在以下的技术难题：

1、目前新能源帆船存在最大的缺点就是因为船体较小和能量转换效率较低，无法获取足够的能量，因此航行时间和续航里程有限。而我国海洋范围广阔，需要大范围的监控，因此航程的限制极大地影响了新能源帆船在海洋领域的大范围应用。

2、智能化是新能源帆船的重中之重，也是研究中的最大难点，由于新能源帆船要具备在恶劣条件下航行的能力，单纯靠人力去控制，难度非常大，而且无法经济地使用这些能源，因此实时的监测航行中各种气象数据，规划出节能的驾驶策略十分重要。

总之，目前所有新能源帆船存在最大问题就是航程的限制，新能源帆船作为一个水面移动平台，还需要搭载任务设备，因此自身对电力供应要求也比较高。任务设备的增加不仅会使燃料的装载进一步降低，而且会对航程有更加不利的影响。如何制作新型能源供能以达到超长续航能力的新能源帆船是新能源帆船创新发展的难点之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有新能源帆船续航能力有限的缺点，旨在提供一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，以满足长续航的使用要求。

本发明提供了一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法。

本发明采取的技术方案为：一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，包括控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统和船体。控制系统包括上位机和传感器组；风能动力系统包括太阳能翼帆、桅杆控制装置和可折叠桅杆；储能系统包括风力发电装置和电池组；电驱动系统包括驱动电机、螺旋桨和舵机；控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统均布置在船体上。太阳能翼帆通过桅杆固定于新能源帆船船体上。

上述传感器组、桅杆控制装置、电驱动系统与上位机为电气连接。

上述传感器组包括帆角检测仪、位姿检测仪、多普勒计程仪、风速感应器、风向感应器、光照度传感器、水流速度传感器和水流方向传感器；其中帆角检测仪设置在桅杆底部、位姿检测仪设置在船体艏部，用于船体姿态的控制，保证航行安全；光照度传感器、风速感应器和风向感应器设置在桅杆顶部上，用于实时检测航行水域的气象数据，进而充分利用风能、太阳能对帆船供能；水流速度和方向传感器设置在船底部，充分利用水流实现节能驾驶；上述传感器与上位机相连，实时上传数据。

上述太阳能翼帆为可折叠设计，由支撑层、光电转换层和透明保护层组成，用以获取风能前进和转化太阳能为电能。

上述桅杆控制装置包括桅杆折叠机构和桅杆转向控制机构；桅杆折叠机构利用折叠直流电机带动丝杠，使桅杆折叠和立起，带动铰绳装置；桅杆转向控制机构包括旋转底座和转向直流电机。

上述可折叠桅杆的形式为塔形桅杆，桅杆的底部固连在旋转底座上，所述旋转底座转动设置在船体上，所述直流电机通过传动机构和旋转底座传动连接；桅杆的顶端通过缭绳与固定在船体上的直流电机连接。

上述储能系统包括太阳能翼帆、风力发电装置和电池组；所述太阳能翼帆和风力发电装置均与电池组的输入端电连接，直流电机、上位机、传感器均与电池组的输出端电连接。

上述风力发电装置，设置在塔杆的顶部，塔杆固定连接在船艏。

上述电驱动系统包括驱动电机、螺旋桨和舵机；所述驱动电机的转轴上设置螺旋桨。

上述船体包括甲板、船舱和上层建筑；甲板以下布置有电气设备舱和电机舱；用于布置的风能动力系统；甲板以上设有用于装卸散货的自卸臂。

上述新能源帆船船体采用玻纤维材质，船体作为新能源帆船各个部分的主要载体，船体内部包含骨架作为各个控制器安装及支撑框架。

上述船舱的底部设有多组加强筋、电池舱和推进舱；推进舱设有驱动电机和舵机；电池舱放置锂电池组和电容，发挥压舱作用；锂电池的布置采用仿形设计，以达到在有限空间里尽可能多的布置电池的目的。

上述帆船可以根据运载量的大小，可采用单桅、双桅和三桅的形式。船身结构可使用树脂基复合材料制作。

本发明中实现一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船的控制方法，根据所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船的结构，其相应的控制方法为：

步骤1：上位机通过传感器组采集船的位姿位置信息、帆的朝向信息、水流和风的数据信息；

步骤2：上位机根据风速、风向、太阳照度、时间、水流速度和水流方向信息自主规划路径，通过控制桅杆和舵机，实现对新能源帆船的航迹、航速、能量的控制；

步骤3：通过风能动力系统、储能系统、电驱动系统进行新能源帆船动力供应：

步骤3-1：在风速较大时，上位机关闭电驱动系统，新能源帆船利用风能带动太阳能翼帆产生前进动力；

步骤3-2：当新能源帆船前进时，剩余的风能带动风力发电装置发电，将所发的电能储存到储能装置中；

步骤3-3：同时太阳能翼帆吸收光能转化成电能，将电能储存到储能装置中；

步骤3-4：在风速较低、无风或逆风时，通过储存的电能能来维持系统稳定航行。

步骤4：新能源帆船需要转向时，上位机通过舵机的转向，实现帆船的转向。

步骤5：在靠岸时，可铺开有太阳能翼帆，收集太阳能；利用风能发电装置收集风能。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，使用风能太阳能复合驱动，可靠性高，较大程度上，解决帆船靠天运行的约束。

本发明的一个效果在于，采用大面积、可折叠的一体化太阳能翼帆，较以往只在甲板表面覆盖太阳能电池板的新能源帆船，大大提高了太阳能翼帆的面积，大大增加吸收的太阳能，有利于实现长航时也可以用于客运和货运等领域。

本发明的一个效果在于，集成帆角检测仪、位姿检测仪、多普勒计程仪、风速感应器、风向感应器、光照度传感器、水流速度传感器和水流方向传感器，通过上位机综合控制，能够根据设定任务目标，结合风速、风向、太阳照度、时间、水流信息，对新能源帆船的航迹、航速、能量、推进模式进行优化控制，使得新能源帆船能够最大限度地安全、节能地航行，保证任务的完成。

本发明的一个效果在于，采用可折叠的桅杆，新能源帆船还可以在内河流域使用。

本发明利用帆船这一古老的水上交通工具，集成太阳能帆和风力发电装置，实现利用风能和电能作为驱动力，实现污染物零排放，并能保证长时间续航，在微风、无风或逆风情况下，利用电能驱动，保证顺利航行。

附图说明

图1是所述新能源帆船系统框图；

图2是所述新能源帆船整体结构示意图；

图3是所述太阳能翼帆截面图；

图4是所述桅杆控制装置的示意图。

附图中，各标号所代表的部件：1、新能源帆船整体；2、上位机；3、传感器组；4、太阳能翼帆；5、桅杆控制装置；6、桅杆；7、风力发电装置；8、电池组；9、驱动电机；10、螺旋桨；11、舵机；12、船体；4-1、透明保护层；4-2、光电转换层；4-3、支撑层；5-1、底座；5-2、旋转电机；5-3、折叠电机；5-4、丝杠。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

如图1所示本发明所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，包括控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统和船体。

如图2所示，新能源帆船整体1包括上位机2、传感器组3、太阳能翼帆4、桅杆控制装置5、桅杆6、风力发电装置7、电池组8、驱动电机9、螺旋桨10、舵机11、船体12。帆船的其他组件均布置在船体12上。上位机2、传感器组3构成控制系统；太阳能翼帆4、桅杆控制装置5和桅杆6构成风能动力系统；传感器组3、桅杆控制装置5、驱动电机9、舵机11与上位机2之间为电连接。新能源帆船船体12采用玻璃钢制作。太阳能翼帆4通过吸收太阳能，转化为电能存储在电池组8内。风力发电装置7将风能转化为电能存储在电池组8内。舵机11安装在新能源帆船船体8的末端，用于控制新能源帆船1的航行方向。上位机通过传感器组采集船的位姿位置信息、帆的朝向信息、水流和风的数据信息；上位机根据风速、风向、太阳照度、时间、水流速度和水流方向信息自主规划路径，通过控制桅杆和舵机，实现对新能源帆船的航迹、航速和能量的控制；

如图3所示，太阳能翼帆为可折叠设计，由透明保护层4-1、光电转换层4-2和支撑层4-3组成。透明保护层4-1可由聚乙烯组成，具有优良的透光率和较强的耐紫外线性能；光电转换层4-2为非晶硅材料，具有较高的光电转换效率；支撑层4-3为纤维增强复合材料，具有较强的韧性和强度，可以承受风的压力。

如图4所示的桅杆控制装置，旋转底座5-1支撑折叠桅杆6，旋转电机5-2在上位机的指令下带动旋转底座5-1，使折叠桅杆6旋转。折叠电机5-3根据上位机的指令，通过丝杠5-4收放折叠桅杆6。

所述一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船主要包括以下控制方法：

步骤1：上位机通过传感器组采集船的位姿位置信息、帆的朝向信息、水流和风的数据信息；

步骤2：上位机根据风速、风向、太阳照度、时间、水流速度和水流方向信息自主规划路径，通过控制桅杆和舵机，实现对新能源帆船的航迹、航速、能量的控制；

步骤3：通过风能动力系统、储能系统、电驱动系统进行新能源帆船动力供应：

步骤3-1：在风速较大时，上位机关闭电驱动系统，新能源帆船利用风能带动太阳能翼帆产生前进动力；

步骤3-2：当新能源帆船前进时，剩余的风能带动风力发电装置发电，将所发的电能储存到储能装置中；

步骤3-3：同时太阳能翼帆吸收光能转化成电能，将电能储存到储能装置中；

步骤3-4：在风速较低、无风或逆风时，通过储存的电能能来维持系统稳定航行。

步骤4：新能源帆船需要转向时，上位机通过舵机的转向，实现帆船的转向。

步骤5：在靠岸时，可铺开有太阳能翼帆，收集太阳能；利用风能发电装置收集风能。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (11)

1.一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，包括控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统和船体，其特征在于：

所述控制系统包括上位机和传感器组；

所述风能动力系统包括太阳能翼帆、桅杆控制装置和可折叠桅杆；

所述储能系统包括风力发电装置和电池组；

所述电驱动系统包括驱动电机、螺旋桨和舵机；

所述控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统均布置在船体上。

2.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于所述传感器组包括帆角检测仪、位姿检测仪、多普勒计程仪、风速感应器、风向感应器、光照度传感器、水流速度传感器和水流方向传感器；其中帆角检测仪设置在桅杆底部、位姿检测仪设置在船体艏部，光照度传感器、风速感应器和风向感应器设置在桅杆顶部上；水流速度和方向传感器设置在船底部；上述传感器与上位机相连，实时上传数据。

3.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述太阳能翼帆为可折叠设计，由支撑层、光电转换层和透明保护层组成，用以获取风能前进和转化太阳能为电能。

4.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述桅杆控制装置包括桅杆折叠机构和桅杆转向控制机构；桅杆折叠机构利用折叠电机带动丝杠，使桅杆折叠和立起；桅杆转向控制机构包括旋转底座和旋转电机，在上位机的指令下旋转。

5.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述可折叠桅杆的形式为塔形桅杆，桅杆的底部固连在旋转底座上，所述旋转底座转动设置在船体上，所述直流电机通过传动机构和旋转底座传动连接。

6.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述储能系统包括太阳能翼帆、风力发电装置和电池组；所述太阳能翼帆和风力发电装置均与电池组的输入端电连接，直流电机、上位机、传感器均与电池组的输出端电连接；所述风力发电装置，设置在塔杆的顶部，塔杆固定连接在船艏。

7.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述电驱动系统包括驱动电机、螺旋桨和舵机；所述驱动电机的转轴上设置螺旋桨。

8.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述船体包括甲板、船舱和上层建筑；甲板以下布置有电气设备舱和电机舱。

9.根据权利要求8所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述船舱的底部设有电池舱和推进舱；推进舱设有驱动电机和舵机；电池舱放置锂电池组和电容，发挥压舱作用；锂电池的布置采用仿形设计，以达到在有限空间里尽可能多的布置电池的目的。

10.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述上位机与传感器组、桅杆控制装置、电驱动系统电连接。

11.一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船的控制方法，应用于如权利要求1-10所述的新能源帆船，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

步骤1：上位机通过传感器组采集船的位姿位置信息、帆的朝向信息、水流和风的数据信息；

步骤2：上位机根据风速、风向、太阳照度、时间、水流速度和水流方向信息自主规划路径，通过控制桅杆和舵机，实现对新能源帆船的航迹、航速和能量的控制；

步骤3：通过风能动力系统、储能系统、电驱动系统进行新能源帆船动力供应：

步骤3-1：在风速较大时，上位机关闭电驱动系统，新能源帆船利用风能带动太阳能翼帆产生前进动力；

步骤3-2：当新能源帆船前进时，剩余的风能带动风力发电装置发电，将所发的电能储存到储能装置中；

步骤3-3：同时太阳能翼帆吸收光能转化成电能，将电能储存到储能装置中；

步骤3-4：在风速较低、无风或逆风时，通过储存的电能能来维持系统稳定航行。

步骤4：新能源帆船需要转向时，上位机通过舵机的转向，实现帆船的转向。