CN115009472A - 一种风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统,包括:监测海面风场的微波后向散射信号的星载合成孔径雷达,所述星载合成孔径雷达将采集到的信号通过卫星信息传输装置传送至陆上控制中心,所述陆上控制中心对微波后向散射信号进行处理分析确定采集风场以及编队路径、并对编队船舶进行实时监控输出船舶编队信息;接收所述陆上控制中心传送的编队信息的风能采集船舶编队,所述风能采集船舶编队按照该编队信息运行至采集风场。集群船舶搭载的电能储存装置很好解决了能源传输问题,重组的便利性使编队在不同风场的环境中均可发挥作用,在收集能源时船舶顶风锚泊的特点也大大增加了风能的收集效率。
Description
技术领域
本发明涉及船舶控制领域,尤其涉及一种风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统。
背景技术
在绿色能源越来越受到关注的今天,人们已经把目光投向于方便获取并且资源巨大的风能市场。在人们的不断探索下陆地上已经有较为成熟的风力发电装置。在海上的风力发电仍然是以海上大型风电场为主,但是海上风电场有着极大限制。首先,海上并不像陆地上有较为坚实的地基,所以在远海和水深较深的地方难以实现,很多优质远海风能资源难以利用。大型风电场的近海实现和腐蚀维护保养也花费较大。其次,海上风电场的电能消耗地点较远通常需要海底电缆来传输电能。铺设电缆和电能远距离传输的损耗让许多远海优质风场望而却步。最后,风电场的选址也是非常重要的。传统海上风电场的选址是基于多年风场特征来综合考虑的,但是气象的多变性会带来诸多不利因素,风速过小不利于风能资源的利用,如果过大则需要考虑风机的风险问题,并且风向难以把握,这直接影响到风能的利用效率。
发明内容
根据现有技术存在的问题,本发明公开了一种风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统,包括:
监测海面风场的微波后向散射信号的星载合成孔径雷达,所述星载合成孔径雷达将采集到的信号通过卫星信息传输装置传送至陆上控制中心,所述陆上控制中心对微波后向散射信号进行处理分析确定采集风场以及编队路径、并对编队船舶进行实时监控输出船舶编队信息;
接收所述陆上控制中心传送的编队信息的风能采集船舶编队,所述风能采集船舶编队按照该编队信息运行至采集风场。
所述陆上控制中心包括雷达信息处理装置、编队路径规划模块和航行状态监控模块,
所述雷达信息处理装置将微波后向散射信号进行反演处理转换成海域风场强度信息图;
所述编队路径规划模块将电子海图叠加到海域风场强度信息图上、设计出编队中领航船的路径;
所述航行状态监控模块对风能采集船舶进行监控,将船舶编队的航行状态数据进行可视化处理,通过三维场景实时渲染和数据建模,真实展现船舶航行势态。
所述风能采集船舶编队包括电能储存装置、风能转化装置、航行状态传感器、自组网船舶终端和编队控制模块;
所述电能储存装置设置在船舱内部将风能转化为电能并存储;
在船舶航行期间所述风能转化装置风机叶片处于折叠状态并且塔架处于收缩状态,当风能采集船舶编队到达风场区域后所述风能转化装置自动展开;
所述航行状态传感器通过DGPS、激光、AIS设备自动采集船舶状态数据并将数据打包传送至航行状态监控模块;
所述自组网船舶终端采用局域网方式搭建编队中船舶之间控制和信息交流网络;
所述编队控制模块通过编队控制算法对编队船舶进行控制并保持队形。
无线通信自组网包括陆上控制中心与卫星信息传输装的单向网络和陆上控制中心与风能采集船舶编队的双向网络;
所述陆上控制中心与卫星信息传输装的单向网络用于星载合成孔径雷达信息传输;
所述陆上控制中心与风能采集船舶编队的双向网络将风能采集船舶编队中船舶作为节点,每个节点通过多信道跳频技术以及路由算法形成稳定的星形拓扑结构,其中每艘船舶与领航船进行交流,风能采集船舶编队中船舶的航行信息通过网络传输至陆上控制中心用于航行状态监测,风能采集船舶编队中船舶接收陆上控制中心的编队信息从而对风能采集船舶编队进行控制。
由于采用了上述技术方案,本发明提供的一种风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统,通过星载合成孔径雷达的数据选择风能最大的风场,以船舶为载体的采集集群可以自行移动到采集区域,对于风场环境的改变和远海有比较好的应对策略;集群船舶搭载的电能储存装置很好解决了能源传输问题,重组的便利性使编队在不同风场的环境中均可发挥作用,在收集能源时船舶顶风锚泊的特点也大大增加了风能的收集效率。该集群在卫星、船舶集群、陆上控制人员之间形成紧密互联的网络控制下实现了自动、高效、绿色等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明海上可移动风能采集集群的结构框图;
图2为本发明海上可移动风能采集集群的工作流程图;
图3为本发明中风能采集船舶编队的框架图;
图4为本发明中风能采集船舶编队在运动控制过程中的原理图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
如图1所示的一种风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统,该集群主要由多艘风能收集的船舶个体组合而成。通过星载合成孔径雷达2对海上风能进行探测,把基础雷达数据传送给陆上控制中心4。根据处理后的海域风场强度信息图选择风能最大的采集地点,并且确定编队的船舶数量。通过编队算法自动移动到风能聚集地附近采集风能,建立基于无线通信自组网的风能聚集导向性的海上可移动风能采集集群,最大化提高风能的收集效率,实现绿色能源采集的无人操作,具有可移动,维护成本低,清洁无污染等优点。
进一步的,该集群包括星载合成孔径雷达2、风能采集船舶编队9、陆上控制中心4和无线通信自组网3;所述星载合成孔径雷达2通过微波后向散射信号的强度与风场强度存在正相关关系来监测海面风场分布情况,在卫星上还装备有信息传输装置1,将收集的风场信息传输到陆上控制中心4,陆上控制中心4选择模型进行反演将传回的信息处理成海域风场强度信息图用于选择风场。
进一步的,陆上控制中心4包括雷达信息处理装置5、编队路径规划模块6和航行状态监控模块7;雷达信息处理装置5对来自卫星的雷达基础信息进行反演得到风场强度和方向信息,编队路径规划模块6将电子海图覆盖到处理得到的海域风场强度信息图上,根据电子海图的固有信息及功能规划出适合当前船舶编队状态的路径,在编队控制算法的控制下使编队航行到风能聚集区域进行风能采集。航行状态监控模块7对风能采集船舶进行监控,将编队中船舶的航行状态数据进行可视化处理,通过三维场景实时渲染和数据建模,真实展现船舶航行势态。
进一步的,所述风能采集船舶编队9包括电能储存装置11、风能转化装置12、航行状态传感器13、自组网船舶终端14和编队控制模块15。所述电能储存装置11是放置在船舱内部的高效电池组,将风能转化的电能储存起来。所述风能转化装置12是船载风能发电装置,具有折叠和伸缩功能,在航行期间风机叶片处于折叠状态并且塔架处于收缩状态。当编队到达风场区域之后可以自动展开。所述航行状态传感器13通过DGPS、激光、AIS等设备自动采集船舶状态数据并将数据打包传送给陆上控制中心4的航行状态监控模块7。所述自组网船舶终端14通过局域网方式搭建编队中船舶之间控制和信息交流网络。所述编队控制模块15通过编队控制算法对编队船舶进行控制保持队形。
进一步的,无线通信自组网3包括陆上控制中心4与卫星信息传输装1的单向网络和陆上控制中心4与风能采集船舶编队9的双向网络;所述陆上控制中心4与卫星信息传输装置1的单向网络用于合成孔径雷达信息的传输;所述双向网络将编队中船舶作为节点,每个节点通过多信道跳频技术以及路由算法形成稳定的星形拓扑结构。每艘船舶都可以与领航船进行交流,编队中船舶的航行信息可以通过网络传输给陆上控制中心4用于航行状态监控。编队中船舶接收陆上控制中心的编队信息进而对编队进行控制。
该集群在采集期间需要对船舶锚泊状态特别关注,在锚泊期间缩短船舶状态数据的传输时间间隔,陆上控制中心4的航行状态监控模块7设置好走锚风险警报,避免因为走锚发生编队中船舶碰撞的危险。
如图2所示,该风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统具有如下工作流程:
S1:星载合成孔径雷达2收集风场信息,由卫星上的信息发射装置1将风场基础信息传输到陆上的控制中心4,在控制中心4的雷达信息处理装置5将基础信息转换为方便观测和辨别的海域风场强度信息图,用于选择最大的风能收集区域并且根据风场情况选择适配的集群数量,选择一个领航船10对整个集群进行控制并配置好本集群的交流网络,便于集群之间进行信息交流和控制,然后形成无线通信自组网3。
当星载合成孔径雷达2接收到微波后向散射信号之后,通过卫星信息传输装置1首先将其转化为数字信号,进行调制之后通过一定通道传输至陆上控制中心4的雷达信息处理装置5中,在进行信号处理之后将其可视化转化成海域风场强度信息图。
所述陆上控制中心4与风能采集船舶编队9的双向网络将风能采集船舶编队9中船舶作为节点,每个节点通过多信道跳频技术以及路由算法形成稳定的星形拓扑结构。其中每艘船舶与领航船进行交流,风能采集船舶编队9中船舶的航行状态数据信息首先汇总至领航船10,在领航船中对各跟随船8数据进行编号和分类然后形成数据流传输至陆上控制中心4的航行状态监控模块7,进行处理之后对风能采集船舶编队9的船舶进行监控。同时风能采集船舶编队9中的领航船10通过网络接收陆上控制中心4的编队信息从而对风能采集船舶编队9进行控制。
S2:无线通信自组网配置完成以后开始对船舶状态进行监控,航行状态传感器13首先将每个跟随船8的信息数据编号并且汇总到领航船10。然后由领航船10的自组网船舶终端14打包发送给陆上的控制中心4,航行状态监控模块7对数据进行可视化处理,在确保编队中的船舶状态均正常的情况下再进行其他操纵。
S3:在编队船舶进行检测的同时进行编队路径规划,岸上控制中心4的编队路径规划模块6首先导出海域风场强度信息图把电子海图叠加在上面,根据电子海图原有海域中的碍航物、编队大小、天气情况等做好合理的航线规划,再进一步的在航线中提取出相应的转向点和航程等,规划好航速和航向等基本信息。航速、航向等航行指令由陆上控制中心4下发到领航船10,领航船10通过编队控制模块15控制编队中其它跟随船8,使整个编队的操纵一致。在航行过程中保持编队队形。在航行过程中动力系统16的能源消耗均来自于风能转化成的电能,使整个集群真正达到绿色无污染。
S4;所述集群船舶编队的编队算法可如图4所示,首先建立领航船10与其他跟随船8的模型。以跟随船8为中心建立坐标系。两者距离为D0,航行偏角为θ0。假定领航船10点的坐标为(x0,y0)则两船之间的关系可用距离D0和航行偏角θ0来表示,定义如下:
S5、在到达风场区域以后根据风向和风速的情况选择抛锚的方式,保持船舶的方向在风能利用率最大的方向。将风机塔架伸出,叶片展开、打入压载水将船舶大部分沉没在水中。通过风能转化装置12将风能转化为电能并且储存在船舱的电能储能装置11中,在作业期间仍要注意编队船舶的状态,以防发生走锚或船舶横荡和纵荡引起的碰撞危险。
S6、当电能储存装置11中储存的能量已满或者此风场不再适合继续收集风能,将风机塔架和叶片收起排除多余压载水。由控制中心再次重复上述步骤将集群航行至港口或者下一个风场。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种风能聚集导向性的可移动风能采集集群系统,其特征在于包括:
监测海面风场的微波后向散射信号的星载合成孔径雷达(2),所述星载合成孔径雷达(2)将采集到的信号通过卫星信息传输装置(1)传送至陆上控制中心(4),所述陆上控制中心(4)对微波后向散射信号进行处理分析确定采集风场以及编队路径、并对编队船舶进行实时监控输出船舶编队信息;
接收所述陆上控制中心(4)传送的编队信息的风能采集船舶编队(9),所述风能采集船舶编队(9)按照该编队信息运行至采集风场。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述陆上控制中心(4)包括雷达信息处理装置(5)、编队路径规划模块(6)和航行状态监控模块(7),所述雷达信息处理装置(5)将微波后向散射信号进行反演处理转换成海域风场强度信息图;所述编队路径规划模块(6)将电子海图叠加到海域风场强度信息图上、设计出编队中领航船(10)的路径;所述航行状态监控模块(7)对风能采集船舶进行监控,将船舶编队的航行状态数据进行可视化处理,通过三维场景实时渲染和数据建模,真实展现船舶航行势态。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述风能采集船舶编队(9)包括电能储存装置(11)、风能转化装置(12)、航行状态传感器(13)、自组网船舶终端(14)和编队控制模块(15);所述电能储存装置(11)设置在船舱内部将风能转化为电能并存储;在船舶航行期间所述风能转化装置(12)风机叶片处于折叠状态并且塔架处于收缩状态,当风能采集船舶编队(9)到达风场区域后所述风能转化装置(12)自动展开;所述航行状态传感器(13)通过DGPS、激光、AIS设备自动采集船舶状态数据并将数据打包传送至航行状态监控模块(7);所述自组网船舶终端(14)采用局域网方式搭建编队中船舶之间控制和信息交流网络;所述编队控制模块(15)通过编队控制算法对编队船舶进行控制并保持队形。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:无线通信自组网(3)包括陆上控制中心(4)与卫星信息传输装(1)的单向网络和陆上控制中心(4)与风能采集船舶编队(9)的双向网络;所述陆上控制中心(4)与卫星信息传输装(1)的单向网络用于星载合成孔径雷达信息传输;所述陆上控制中心(4)与风能采集船舶编队(9)的双向网络将风能采集船舶编队(9)中船舶作为节点,每个节点通过多信道跳频技术以及路由算法形成稳定的星形拓扑结构,其中每艘船舶与领航船进行交流,风能采集船舶编队(9)中船舶的航行信息通过网络传输至陆上控制中心(4)用于航行状态监测,风能采集船舶编队(9)中船舶接收陆上控制中心(4)的编队信息从而对风能采集船舶编队(9)进行控制。
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