太陽(yáng)能風(fēng)帆及其姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，，，

(廣州航海學(xué)院，廣州 510725)

從國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能在船舶上的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展來(lái)看，太陽(yáng)能在小型船舶上已取得成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，但在大型船舶上的應(yīng)用尚處于起步階段[1-3]。水面無(wú)人艇做為一種新型化無(wú)人平臺(tái)，與傳統(tǒng)艦船相比，有著小型輕量反應(yīng)快速、適應(yīng)性強(qiáng)、船型豐富、推進(jìn)方式多樣、信息化智能化等優(yōu)勢(shì)，其推進(jìn)方式可采用傳統(tǒng)能源推進(jìn)螺旋槳配合方向舵、噴水等方式，亦可采用全電力推進(jìn)或利用太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能等可再生能源推進(jìn)[4-5]。但以結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)帆助航為推進(jìn)動(dòng)力的無(wú)人艇尚未出現(xiàn)。本文以小型全自動(dòng)水質(zhì)采樣無(wú)人艇為基礎(chǔ)船，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能風(fēng)帆推進(jìn)系統(tǒng)(將太陽(yáng)能電池板布置為傳統(tǒng)的圓弧形翼帆形狀[6-8]，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電電力推進(jìn)螺旋槳和風(fēng)帆助航)及其姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)并搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)太陽(yáng)能風(fēng)帆的姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1 基本信息

選用目標(biāo)船是SS30全自動(dòng)采樣無(wú)人船，見(jiàn)圖1。

圖1 加裝太陽(yáng)能風(fēng)帆調(diào)整系統(tǒng)的SS30全自動(dòng)采樣無(wú)人船

1.1 目標(biāo)船的基本信息

船體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 太陽(yáng)能風(fēng)帆的基本信息

提高風(fēng)帆節(jié)能效率的方法主要是通過(guò)改變風(fēng)帆的帆型獲得較好的空氣動(dòng)力學(xué)特性[9]。本船太陽(yáng)能風(fēng)帆采用剖面為圓弧型的硬質(zhì)矩形帆，帆的圓弧形面覆蓋一層硅基薄膜太陽(yáng)能電池板，以滿(mǎn)足風(fēng)帆助航和接收太陽(yáng)光的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)工作原理和影響風(fēng)帆空氣動(dòng)力學(xué)等因素，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能風(fēng)帆具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 目標(biāo)船參數(shù)

1.3 太陽(yáng)能風(fēng)帆姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.3.1 太陽(yáng)能風(fēng)帆姿態(tài)角水平驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能風(fēng)帆姿態(tài)角水平驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆在0°～90°間做傾斜運(yùn)動(dòng)，該裝置整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

表2 太陽(yáng)能風(fēng)帆的參數(shù)

圖2 太陽(yáng)能姿態(tài)角水平驅(qū)動(dòng)裝置圖

太陽(yáng)能風(fēng)帆通過(guò)合頁(yè)與基座聯(lián)接，導(dǎo)軌通過(guò)螺釘固定在基座上，伸縮推桿一端與推桿支架聯(lián)接并一起固定在風(fēng)帆的中心線(xiàn)上，伸縮推桿的另一端同樣與推桿支架聯(lián)接并一起固定在滑塊上。

當(dāng)太陽(yáng)能風(fēng)帆需要水平傾斜某一角度時(shí)，可通過(guò)滑塊在導(dǎo)軌上的位置以及無(wú)線(xiàn)遙控器控制電動(dòng)伸縮桿的推出長(zhǎng)度來(lái)控制太陽(yáng)能風(fēng)帆傾斜的角度，滑塊則通過(guò)鎖緊手柄鎖定在導(dǎo)軌的某一位置上，風(fēng)帆便能鎖定在0°～90°間的某一位置上。

1.3.2 太陽(yáng)能風(fēng)帆姿態(tài)角回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置

太陽(yáng)能風(fēng)帆姿態(tài)角回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)帆繞豎直軸做360°旋轉(zhuǎn)，裝置整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

裝置固定在位于船腔內(nèi)的底板上，太陽(yáng)能風(fēng)帆固定在基座上。步進(jìn)電機(jī)由控制器和驅(qū)動(dòng)器控制，通過(guò)梅花聯(lián)軸器與減速機(jī)相連接，步進(jìn)電機(jī)和減速機(jī)均固定在底板上。減速機(jī)將步進(jìn)電機(jī)的力放大后，同樣通過(guò)梅花聯(lián)軸器輸出給回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸和基座通過(guò)脹緊套無(wú)鍵聯(lián)接傳動(dòng)，為了使傳動(dòng)更加可靠、平穩(wěn)，在減速機(jī)和機(jī)座之間增加一塊蓋板，臥式軸承座由螺栓螺母固定在蓋板上，承受回轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)過(guò)程和風(fēng)帆受到風(fēng)力過(guò)程的徑向力和一定的軸向力。全珠轉(zhuǎn)盤(pán)安裝位于蓋板和基座之間，用于承受上部結(jié)構(gòu)所受軸向力和一定的徑向力。

當(dāng)太陽(yáng)能風(fēng)帆需要回轉(zhuǎn)某一角度時(shí)，通過(guò)控制器給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器將脈沖信號(hào)放大后將信號(hào)傳遞到步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定的角度后鎖定，此時(shí)回轉(zhuǎn)軸與基座一起轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)帆便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到某一角度。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，將裝置模型置于湖中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取綜合有效功率最高的數(shù)據(jù)以確定太陽(yáng)能風(fēng)帆姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)的最佳的姿態(tài)角，裝置在此姿態(tài)角的狀態(tài)下運(yùn)行達(dá)到最大效率。

2 太陽(yáng)能板的發(fā)電功率計(jì)算

太陽(yáng)光以某一太陽(yáng)高度角照射地球，輻射強(qiáng)度為I0，經(jīng)過(guò)大氣層后到達(dá)地球地表的輻射強(qiáng)度衰減為IDN，見(jiàn)圖4。

圖4 太陽(yáng)直接輻射模型

到達(dá)地球表面衰減后的強(qiáng)度IDN為

(1)

式中：P為大氣常數(shù)，通常取0.50～0.85。

輻射強(qiáng)度I0為

(2)

式中：n為時(shí)間，天。

太陽(yáng)高度角h為

h=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosΩ)

(3)

赤緯角δ為

δ=23.45°sin[360°×(384+n)/365°]

(4)

式中：n為時(shí)間，天；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋卑肭驗(yàn)檎?，南半球?yàn)樨?fù)；Ω為時(shí)角，任一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的時(shí)角為該時(shí)刻與正午的時(shí)間差(h)乘以15°，則北京時(shí)間任一時(shí)刻(24 h制)的時(shí)角計(jì)算公式為

Ω=15°(T-12)=

(5)

式中：T為任一時(shí)刻；Tbj為北京時(shí)間；L為當(dāng)?shù)亟?jīng)度；e為修正因子，

e=9.87sin(2ξ)-7.53cosξ-1.5sinξ

(6)

ξ=2π(n-81)/364

(7)

太陽(yáng)能電池板接收的直射輻射強(qiáng)度IB為

IB=IDNcosi

(8)

cosi=sinδsinφcosγ-sinδcosφcosσ+

cosδcosφcosγcosσ+cosδsinφsinγcosΩcosσ+

cosδsinσsinγsinΩ

(9)

式中：i為太陽(yáng)入射光線(xiàn)與太陽(yáng)能電池板法線(xiàn)的夾角；γ為斜面傾斜角，σ為斜面方位角，見(jiàn)圖5。

圖5 陽(yáng)光輻射帆面

風(fēng)帆帆面太陽(yáng)能電池板的發(fā)電功率P1為

P1=IDNcosiηFS[1-(t-25)×0.4%]

(10)

式中：η為太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率；F為光伏系統(tǒng)的綜合效率；S為太陽(yáng)能電池板的面積；t為環(huán)境溫度。

實(shí)驗(yàn)當(dāng)天即n=137,11:00—14:00當(dāng)?shù)靥?yáng)能輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，由公式(9)可以求得不同斜面傾斜角下的值，進(jìn)而得出不同情況下的太陽(yáng)能風(fēng)帆上的電池板的發(fā)電功率，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可知，太陽(yáng)能風(fēng)帆上的電池板的發(fā)電功率隨斜面傾斜角的增大先增大后減小，即當(dāng)太陽(yáng)能風(fēng)帆電池板面與太陽(yáng)光接近垂直角度時(shí)的發(fā)電功率越大，且在15°是有最大值。另外，在12:00—14:00時(shí)間內(nèi)的平均發(fā)電功率高于其他時(shí)刻，且在13:00—14:00時(shí)間內(nèi)存在當(dāng)天規(guī)定航線(xiàn)的最大發(fā)電功率，最大值為25.03 W。

3 風(fēng)帆輔助航行推進(jìn)功率數(shù)據(jù)

實(shí)際風(fēng)速Vw是指來(lái)風(fēng)相對(duì)地面的速度，也就是離開(kāi)船舶在岸上觀(guān)測(cè)到的風(fēng)速和風(fēng)向，與船舶航速Vs相等。相對(duì)風(fēng)速也稱(chēng)表觀(guān)風(fēng)速V是指風(fēng)帆實(shí)際所受到的風(fēng)速，它是由實(shí)際風(fēng)速和航行風(fēng)速兩者矢量成作用在風(fēng)帆上，風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能與相對(duì)風(fēng)速有直接的關(guān)系。船舶航速與表觀(guān)風(fēng)速的夾角β為表觀(guān)風(fēng)向角，與風(fēng)帆截面弦線(xiàn)之間的夾角α為攻角，帆弦線(xiàn)與船舶艏艉線(xiàn)之間的夾角θ為帆角，具體見(jiàn)圖6。

表3 各變量環(huán)境下太陽(yáng)能電池板的發(fā)電功率

注：Tbj為11：00時(shí)，I0=1 378.46 W·m-2,太陽(yáng)高度角函數(shù)為0.92,IDN=1 155.25 W·m-2，η=0.17，F(xiàn)=0.72,S=0.18 m2;Tbj為12：00時(shí)，I0=1 378.46 W·m-2,太陽(yáng)高度角函數(shù)為0.98,IDN=1 167.81 W·m-2，η=0.17，F(xiàn)=0.72,S=0.18 m2;Tbj為13：00時(shí)，I0=1 378.46 W·m-2,太陽(yáng)高度角函數(shù)為0.99,IDN=1 169.76 W·m-2，η=0.17，F(xiàn)=0.72,S=0.18 m2;Tbj為14：00時(shí)，I0=1 378.46 W·m-2,太陽(yáng)高度角函數(shù)為0.93,IDN=1 157.45 W·m-2，η=0.17，F(xiàn)=0.72,S=0.18 m2.

圖6 太陽(yáng)能風(fēng)帆工作狀態(tài)示意

由圖6可知，相對(duì)風(fēng)速V其與實(shí)際風(fēng)速Vw和航行風(fēng)速的大小Vs存在以下關(guān)系。

(11)

風(fēng)帆推進(jìn)功率P2及推力T的計(jì)算公式為

P2=TV0

(12)

(13)

式中：V0為航行風(fēng)速，m/s；數(shù)值與船舶航速Vs相同；ρ為空氣密度，根據(jù)當(dāng)日氣溫取值為1.29 kg/m3；S為風(fēng)帆受力面積，S=0.24 m2。

風(fēng)帆的推力系數(shù)CT為

(14)

當(dāng)帆翼的幾何形狀確定之后，升阻力系數(shù)主要由攻角α確定。當(dāng)展弦λ=1.5，f=0.125時(shí)，由風(fēng)洞試驗(yàn)得出的升力系數(shù)隨攻角的變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 各攻角下的升力系數(shù)

在實(shí)驗(yàn)中，控制船舶航速恒定Vs=0.7 m/s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集情見(jiàn)表5、6。

可以看出，攻角在0°～20°時(shí)風(fēng)帆的推力和推進(jìn)效率呈上升趨勢(shì)，在20°～90°時(shí)逐漸減小，且超過(guò)85°～90°時(shí)風(fēng)帆的推力和推進(jìn)效率接近于零甚至負(fù)數(shù)，即表現(xiàn)為阻力形式。太陽(yáng)能風(fēng)帆的攻角調(diào)整至20°時(shí)有最大推力和推進(jìn)功率。

4 結(jié)論

通過(guò)多次修改設(shè)計(jì)方案，最終得出了一套針對(duì)目標(biāo)無(wú)人船的太陽(yáng)能風(fēng)帆及其姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)的裝置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控的控制方法調(diào)整太陽(yáng)能風(fēng)帆的帆角，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能風(fēng)帆在目標(biāo)無(wú)人船航行過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能的充分利用。太陽(yáng)能風(fēng)帆的電池板發(fā)電功率隨斜面傾斜角的增大先增大后減小，即當(dāng)太陽(yáng)能風(fēng)帆電池板面與太陽(yáng)光接近垂直角度時(shí)的發(fā)電功率越大，且在15°時(shí)有最大值，實(shí)驗(yàn)時(shí)1天中最大發(fā)電功率為25.03 W。太陽(yáng)能風(fēng)帆的攻角調(diào)整至20°時(shí)有最大推力和推進(jìn)功率。

表5 各氣流傾角和實(shí)際風(fēng)速下的相對(duì)風(fēng)速

表6 各攻角下的推力和推進(jìn)功率