CN110091976A - 一种风光互补驱动水面无人艇 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了利用风力和太阳能混合的形式规避单种自然能源的局限，提供一种高效利用风能和太阳能，续航力好，操作性好的风力和太阳能混合驱动无人船，具备无线定位通信功能，采用太阳光跟踪装置通过转动电池板托架实现阳光直射到太阳能电池板上，最大限度的利用太阳能，采用两个风力发电机，分别安装在艇的两端，在增大风能利用率的同时，防止艇的受力不均匀而导致部分下沉，防止风力较大时，风力发电机的阻力过大而倾翻。尾部采用两个推进器对称安装的方式，通过联合控制，增加了机动性的同时，降低了驱动机构的复杂程度。本发明的有益效果为：可实现无人船性能安全可靠，使得无人船长航程，远距离运行成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及水面无人船领域，尤其涉及一种利用风力和太阳能混合驱动的无人艇。
技术背景
海洋作为占有百分之七十地球区域的巨大宝库，蕴含着令人意想不到的资源。面对陆地资源日益匮乏的现状，能够有效地开发和利用这些资源，对人类的生存和发展具有举足轻重的意义。但是海洋环境瞬息万变，在一些特定海域，如一些浅滩、狭窄水域等尚无海洋地理信息的海域，如果人为地去探测，会有非常大的风险，水面无人艇(USV)因其具有环境适应性强、活动范围大、使用方便、灵活自由的艇型设计并且由于不用人为去操作因此可以免去许多安全隐患等诸多优势，所以逐渐成为当今的一个非常热门的研究领域。
目前柴油机普遍用于对稳定性要求较高的无人艇上面。但是随着水面无人艇的快速发展，对无人艇的各项性能要求越来越高，而以柴油机为动力源的无人艇的缺点也逐渐显现出来，正比如因为不能长时间保持工作状态而导致效率低下、工作过程需要频繁的加油、燃油所产生的废物以及废气对海洋环境和海洋生物危害较大等。因此寻找其它能源来代替柴油为无人艇提供动力成为一个迫切需要解决的问题。
近年来，伴随着新能源发展技术水平的快速提升和其在使用过程中的独特优势，并且考虑到海面上由于没有建筑物和陆地植物的阻挡，光照和风能将会十分充足的独特优势，人们逐渐把目光放在了风能和太阳能这些新能源上。
发明内容
本发明提供了一种高效利用风能和太阳能，续航力好，操作性好的风力和太阳能混合驱动无人船，具备无线定位通信功能，船体设计成流线形纵剖面，尽可能地降低航行阻力，为更好利用太阳光，提高其发电效率，太阳光跟踪装置采用双轴跟踪系统，可以使电池板在X轴和Y轴同时跟踪太阳能，最大限度的利用太阳能，同时将太阳能系统整个嵌入船体中，起到节约空间，降低重心的作用，采用两个风力发电机分别安装在艇的两端，在增大风能利用率的同时，一方面防止艇的受力不均匀而导致部分下沉，另一方面防止风力较大时，风力发电机的阻力过大而倾翻。尾部采用两个推进器对称的方式，通过联合控制，增加了机动性的同时，降低了驱动机构的复杂程度。无人船性能安全可靠，使得无人船长航程，远距离运行成为可能。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种风能和光能互补驱动水面无人艇，包括船体、动力系统和控制系统，所述的船体包括主船体和密封舱盖，主船体中央为一喇叭状圆孔，用于放置太阳能系统，主船体其余部分内部为一个空心密封舱体，用于放置控制系统，主船体与密封舱盖之间通过密封胶条进行密封；所述动力系统包括风轮发电机、太阳能系统、蓄电池和推进器；主船体的尾部安装一对推进器；风轮发电机数量为两个，分别安装在主船体的前后两端，并处于主船体中轴线上，风轮发电机通过法兰底座与主船体上表面固定，风轮发电机通过密封圈与主船体密封；太阳能系统整体内嵌在主船体的中间部分，所述太阳能系统包括圆形太阳能板、太阳光跟踪装置和太阳能保护罩，圆形太阳能板与太阳光跟踪装置中太阳能板支撑架固定连接，太阳能保护罩与主船体固定连接，太阳光跟踪装置中支撑旋转底座与太阳能保护罩固定连接，所诉的太阳能跟踪装置包括太阳能板支撑架、纵向第一齿轮、纵向第二齿轮、纵向电机、横向第一齿轮、支撑旋转底座、横向第二齿轮、横向电机和纵向旋转轴，纵向电机与纵向第二齿轮固定连接，纵向第二齿轮通过齿轮啮合，带动纵向第一齿轮运动、纵向第一齿轮与纵向旋转轴刚性连接，纵向旋转轴与太阳能板支撑架刚性连接，实现控制圆形太阳能板延纵向旋转轴旋转，横向电机与横向第二齿轮固定连接，横向第二齿轮通过齿轮啮合，带动横向横向第一齿轮，横向第一齿轮与支撑旋转底座刚性连接，实现横向第一齿轮带动支撑旋转底座旋转，实现太阳能跟踪装置竖直方向旋转；所述控制系统包括主控制器、风光互补控制器、太阳光跟踪控制器、电机驱动器、GPS天线和数据传输天线，风光互补控制器输入端接口分别与圆形太阳能电池板、风轮发电机连接，风光互补控制器蓄电池端与蓄电池连接，风光互补控制器输出端接口分别与主控制器和电机驱动器连接，电机驱动器与推进器相连，电机驱动器与主控制器连接，GPS天线、数据传输天线和太阳光跟踪控制器分别与主控制器连接。
进一步的，所述的风轮发电机为垂直轴风力发电结构，其风叶为H型风叶。
进一步的，所述的太所述的圆形太阳能板为单晶硅太阳能电池板。
进一步的，所述的风光互补控制器为SWS系列中WWS06-24型号风光互补控制器。
本发明至少具有如下技术效果或优点：
1、采用太阳光跟踪装置通过转动电池板托架实现阳光直射到太阳能电池板上，最大限度的利用太阳能，同时将太阳能系统整个嵌入船体中，起到节约空间，降低重心的作用。
2、无人船体设计成流线形纵剖面，尽可能地降低航行阻力，延长续航时间；
3、尾部采用两个推进器对称的方式，通过联合控制，增加了机动性的同时，降低了驱动机构的复杂程度；
4、采用两个风力发电机，分别安装在艇的两端，在增大风能利用率的同时，一方面防止艇的受力不均匀而导致部分下沉，另一方面防止风力较大时，风力发电机的阻力过大而倾翻；
5、采用风光互补控制器即把调整后的能量送往负载，直接利用所产生的电能使其运行；又能把产生的多余的能量送往蓄电池，对蓄电池进行充电，提高了能量利用率。
6、采用单晶硅太阳能电池板，可以提高光电转换效率，同时具有坚固耐用，使用寿命长的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例结构的主视图。
图2是本发明实施例结构的俯视图。
图3是本发明实施例结构的正视图。
图4是本发明实施例结构的侧视图。
图5是本发明实施例主船体内部控制系统的布局图。
图6是本发明实施例太阳光跟踪装置的剖视图。
图7是本发明实施例风轮发电机与主船体连接部分的剖视图。
图1-图7中，1.主船体、2.风轮发电机、3.密封舱盖、4.GPS天线、5.推进器、6.圆形太阳能板、7.数据传输天线、8.太阳能保护罩、9.主控制器、10.风光互补控制器、11.蓄电池、12.电机驱动器、13.太阳光跟踪控制器、14.太阳光跟踪装置(14-1.太阳能板支撑架、14-2.纵向第一齿轮、14-3.纵向第二齿轮、14-4.纵向电机、14-5.横向第一齿轮、14-6.支撑旋转底座、14-7.横向第二齿轮、14-8.横向电机、14-9.纵向旋转轴)
具体实施方式
本发明提供了一种高效利用风能和太阳能，续航力好，操作性好的风力和太阳能混合驱动无人船，具备无线定位通信功能，船体设计成流线形纵剖面，尽可能地降低航行阻力，为更好利用太阳光，提高其发电效率，太阳光跟踪装置采用双轴跟踪系统，可以使电池板在X轴和Y轴同时跟踪太阳能，最大限度的利用太阳能，同时将太阳能系统整个嵌入船体中，起到节约空间，降低重心的作用，采用两个风力发电机分别安装在艇的两端，在增大风能利用率的同时，一方面防止艇的受力不均匀而导致部分下沉，另一方面防止风力较大时，风力发电机的阻力过大而倾翻。尾部采用两个推进器对称的方式，通过联合控制，增加了机动性的同时，降低了驱动机构的复杂程度。无人船性能安全可靠，使得无人船长航程，远距离运行成为可能。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1-图7所示，本实施例一种风能和光能互补驱动水面无人艇，包括船体、动力系统和控制系统，所述的船体包括主船体1和密封舱盖3，主船体1中央为一喇叭状圆孔，用于放置太阳能系统，主船体1其余部分内部为一个空心密封舱体，用于放置控制系统，主船体1与密封舱盖3之间通过密封胶条进行密封，提高无人船空间利用率；所述动力系统包括风轮发电机2、太阳能系统、蓄电池11和推进器5；主船体1的尾部安装一对推进器5；风轮发电机2数量为两个，分别安装在船体1的前后两端，并处于主船体1中轴线上，在增大风能利用率的同时，一方面防止艇的受力不均匀而导致部分下沉，另一方面防止风力较大时，风力发电机的阻力过大而船体倾翻。风轮发电机2通过法兰底座与主船体1上表面固定，风轮发电机2通过密封圈与主船体1相连进行密封；太阳能系统整体内嵌在主船体1的中间部分，起到节约空间，降低重心的作用，所述太阳能系统包括圆形太阳能板6、太阳光跟踪装置14和太阳能保护罩8，圆形太阳能板6与太阳光跟踪装置14中太阳能板支撑架14-1固定连接，太阳能保护罩8与主船体1固定连接，太阳光跟踪装置14中支撑旋转底座14-6与太阳能保护罩8固定连接，所诉的太阳能跟踪装置14包括太阳能板支撑架14-1、纵向第一齿轮14-2、纵向第二齿轮14-3、纵向电机14-4、横向第一齿轮14-5、支撑旋转底座14-6、横向第二齿轮14-7、横向电机14-8和纵向旋转轴14-9，纵向电机14-4与纵向第二齿轮14-3固定连接，纵向第二齿轮14-3通过齿轮啮合，带动纵向第一齿轮14-2运动、纵向第一齿轮14-2与纵向旋转轴14-9刚性连接，纵向旋转轴14-9与太阳能板支撑架14-1刚性连接，实现控制圆形太阳能板6延纵向旋转轴14-9旋转，横向电机14-8与横向第二齿轮14-7固定连接，横向第二齿轮14-7通过齿轮啮合，带动横向横向第一齿轮14-5，横向第一齿轮14-5与支撑旋转底座14-6刚性连接，实现横向第一齿轮14-5带动支撑旋转底座14-6旋转，实现太阳能跟踪装置14竖直方向旋转，通过太阳光跟踪控制器控制太阳光跟踪装置，调整圆形太阳能板角度，能够最大限度的利用太阳能；所述控制系统包括主控制器9、风光互补控制器10、太阳光跟踪控制器13、电机驱动器12、GPS天线4和数据传输天线7，风光互补控制器10输入端接口分别与圆形太阳能电池板6、风轮发电机2连接，风光互补控制器10蓄电池端接口与蓄电池11连接，风光互补控制器10输出端接口分别与主控制器9和电机驱动器12连接，电机驱动器12与推进器5相连，电机驱动器12与主控制器10连接，GPS天线4、数据传输天线7和太阳光跟踪控制器13分别与主控制器10相连，通过GPS天线可以了解到无人船具体位置，通过数据天线可以实现对无人船的控制。
最大限度的利用太阳能。
其中，在实际应用中，所述的一种风光互补驱动水面无人艇，所述的风轮发电机2为垂直轴风力发电结构，其风叶为H型风叶，可提高风能利用率，降低气动噪音对水中生物的影响。
其中，在实际应用中，所述的一种风光互补驱动水面无人艇，所述的圆形太阳能板6为单晶硅太阳能电池板，可以提高光电转换效率，同时具有坚固耐用，使用寿命长的优点。
其中，在实际应用中，所述的一种风光互补驱动水面无人艇，所述的风光互补控制器10为SWS系列中WWS06-24型号风光互补控制器，把调整后的能量送往负载，直接利用所产生的电能使其运行；又能把产生的多余的能量送往蓄电池，对蓄电池进行充电，提高了能量利用率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种风光互补驱动水面无人艇，其特征在于，包括船体、动力系统和控制系统，所述的船体包括主船体(1)和密封舱盖(3)，主船体(1)中央为一喇叭状圆孔，用于放置太阳能系统，主船体(1)其余部分内部为一个空心密封舱体，用于放置控制系统，主船体(1)与密封舱盖(3)之间通过密封胶条进行密封；所述动力系统包括风轮发电机(2)、太阳能系统、蓄电池(11)和推进器(5)；主船体(1)的尾部安装一对推进器(5)；风轮发电机(2)数量为两个，分别安装在主船体(1)的前后两端，并处于主船体(1)中轴线上，风轮发电机(2)通过法兰底座与主船体(1)上表面固定连接，风轮发电机(2)通过密封圈与主船体(1)密封；太阳能系统整体内嵌在主船体(1)的中间部分，所述太阳能系统包括圆形太阳能板(6)、太阳光跟踪装置(14)和太阳能保护罩(8)，圆形太阳能板(6)与太阳光跟踪装置(14)中太阳能板支撑架(14-1)固定连接，太阳能保护罩(8)与主船体(1)固定连接，太阳光跟踪装置(14)中支撑旋转底座(14-6)与太阳能保护罩(8)固定连接，所诉的太阳能跟踪装置(14)包括太阳能板支撑架(14-1)、纵向第一齿轮(14-2)、纵向第二齿轮(14-3)、纵向电机(14-4)、横向第一齿轮(14-5)、支撑旋转底座(14-6)、横向第二齿轮(14-7)、横向电机(14-8)和纵向旋转轴(14-9)，纵向电机(14-4)与纵向第二齿轮(14-3)固定连接，纵向第二齿轮(14-3)通过齿轮啮合，带动纵向第一齿轮(14-2)运动，纵向第一齿轮(14-2)与纵向旋转轴(14-9)刚性连接，纵向旋转轴(14-9)与太阳能板支撑架(14-1)刚性连接，实现控制圆形太阳能板(6)延纵向旋转轴(14-9)旋转，横向电机(14-8)与横向第二齿轮(14-7)固定连接，横向第二齿轮(14-7)通过齿轮啮合，带动横向横向第一齿轮(14-5)，横向第一齿轮(14-5)与支撑旋转底座(14-6)刚性连接，实现横向第一齿轮(14-5)带动支撑旋转底座(14-6)旋转，实现太阳能跟踪装置(14)竖直方向旋转；所述控制系统包括GPS天线(4)、数据传输天线(7)、主控制器(9)、风光互补控制器(10)、电机驱动器(12)和太阳光跟踪控制器(13)，风光互补控制器(10)输入端接口分别与圆形太阳能电池板(6)、风轮发电机(2)连接，风光互补控制器(10)蓄电池端接口与蓄电池(11)连接，风光互补控制器(10)输出端接口分别与主控制器(9)和电机驱动器(12)连接，电机驱动器(12)与推进器(5)相连，电机驱动器(12)与主控制器(9)连接，GPS天线(4)、数据传输天线(7)和太阳光跟踪控制器(13)分别与主控制器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种风光互补驱动水面无人艇，其特征在于，所述的风轮发电机(2)为垂直轴风力发电结构，其风叶为H型风叶。
3.根据权利要求1所述的一种风光互补驱动水面无人艇，其特征在于，所述的圆形太阳能板(6)为单晶硅太阳能电池板。
4.根据权利要求1所述的一种风光互补驱动水面无人艇，其特征在于，所述的风光互补控制器(10)为SWS系列中WWS06-24型号风光互补控制器。
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