太陽能風帆及其姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計

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(廣州航海學院，廣州 510725)

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

1 基本信息

選用目標船是SS30全自動采樣無人船，見圖1。

圖1 加裝太陽能風帆調(diào)整系統(tǒng)的SS30全自動采樣無人船

1.1 目標船的基本信息

船體參數(shù)見表1。

1.2 太陽能風帆的基本信息

提高風帆節(jié)能效率的方法主要是通過改變風帆的帆型獲得較好的空氣動力學特性[9]。本船太陽能風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能電池板，以滿足風帆助航和接收太陽光的設(shè)計要求。根據(jù)工作原理和影響風帆空氣動力學等因素，設(shè)計太陽能風帆具體參數(shù)見表2。

表1 目標船參數(shù)

1.3 太陽能風帆姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計

1.3.1 太陽能風帆姿態(tài)角水平驅(qū)動裝置的設(shè)計

太陽能風帆姿態(tài)角水平驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)風帆在0°～90°間做傾斜運動，該裝置整體結(jié)構(gòu)見圖2。

表2 太陽能風帆的參數(shù)

圖2 太陽能姿態(tài)角水平驅(qū)動裝置圖

太陽能風帆通過合頁與基座聯(lián)接，導軌通過螺釘固定在基座上，伸縮推桿一端與推桿支架聯(lián)接并一起固定在風帆的中心線上，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。

當太陽能風帆需要水平傾斜某一角度時，可通過滑塊在導軌上的位置以及無線遙控器控制電動伸縮桿的推出長度來控制太陽能風帆傾斜的角度，滑塊則通過鎖緊手柄鎖定在導軌的某一位置上，風帆便能鎖定在0°～90°間的某一位置上。

1.3.2 太陽能風帆姿態(tài)角回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置

太陽能風帆姿態(tài)角回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)風帆繞豎直軸做360°旋轉(zhuǎn)，裝置整體結(jié)構(gòu)見圖3。

裝置固定在位于船腔內(nèi)的底板上，太陽能風帆固定在基座上。步進電機由控制器和驅(qū)動器控制，通過梅花聯(lián)軸器與減速機相連接，步進電機和減速機均固定在底板上。減速機將步進電機的力放大后，同樣通過梅花聯(lián)軸器輸出給回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸和基座通過脹緊套無鍵聯(lián)接傳動，為了使傳動更加可靠、平穩(wěn)，在減速機和機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)軸傳動過程和風帆受到風力過程的徑向力和一定的軸向力。全珠轉(zhuǎn)盤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。

當太陽能風帆需要回轉(zhuǎn)某一角度時，通過控制器給步進電機驅(qū)動器發(fā)送指令信號，驅(qū)動器將脈沖信號放大后將信號傳遞到步進電機，步進電機根據(jù)控制指令轉(zhuǎn)動設(shè)定的角度后鎖定，此時回轉(zhuǎn)軸與基座一起轉(zhuǎn)動，風帆便會轉(zhuǎn)動到某一角度。

為了驗證設(shè)計的可行性，將裝置模型置于湖中進行實驗并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析實驗數(shù)據(jù)，提取綜合有效功率最高的數(shù)據(jù)以確定太陽能風帆姿態(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)下運行達到最大效率。

2 太陽能板的發(fā)電功率計算

太陽光以某一太陽高度角照射地球，輻射強度為I0，經(jīng)過大氣層后到達地球地表的輻射強度衰減為IDN，見圖4。

圖4 太陽直接輻射模型

到達地球表面衰減后的強度IDN為

(1)

式中：P為大氣常數(shù)，通常取0.50～0.85。

輻射強度I0為

(2)

式中：n為時間，天。

太陽高度角h為

h=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosΩ)

(3)

赤緯角δ為

δ=23.45°sin[360°×(384+n)/365°]

(4)

式中：n為時間，天；φ為當?shù)鼐暥?，北半球為正，南半球為負；Ω為時角，任一時刻所對應的時角為該時刻與正午的時間差(h)乘以15°，則北京時間任一時刻(24 h制)的時角計算公式為

Ω=15°(T-12)=

(5)

式中：T為任一時刻；Tbj為北京時間；L為當?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)

太陽能電池板接收的直射輻射強度IB為

IB=IDNcosi

(8)

cosi=sinδsinφcosγ-sinδcosφcosσ+

cosδcosφcosγcosσ+cosδsinφsinγcosΩcosσ+

cosδsinσsinγsinΩ

(9)

式中：i為太陽入射光線與太陽能電池板法線的夾角；γ為斜面傾斜角，σ為斜面方位角，見圖5。

圖5 陽光輻射帆面

風帆帆面太陽能電池板的發(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為太陽能電池板的面積；t為環(huán)境溫度。

實驗當天即n=137,11:00—14:00當?shù)靥柲茌椛鋸姸葦?shù)據(jù)，由公式(9)可以求得不同斜面傾斜角下的值，進而得出不同情況下的太陽能風帆上的電池板的發(fā)電功率，結(jié)果見表3。

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

3 風帆輔助航行推進功率數(shù)據(jù)

實際風速Vw是指來風相對地面的速度，也就是離開船舶在岸上觀測到的風速和風向，與船舶航速Vs相等。相對風速也稱表觀風速V是指風帆實際所受到的風速，它是由實際風速和航行風速兩者矢量成作用在風帆上，風帆的空氣動力性能與相對風速有直接的關(guān)系。船舶航速與表觀風速的夾角β為表觀風向角，與風帆截面弦線之間的夾角α為攻角，帆弦線與船舶艏艉線之間的夾角θ為帆角，具體見圖6。

表3 各變量環(huán)境下太陽能電池板的發(fā)電功率

注：Tbj為11：00時，I0=1 378.46 W·m-2,太陽高度角函數(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，I0=1 378.46 W·m-2,太陽高度角函數(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，I0=1 378.46 W·m-2,太陽高度角函數(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，I0=1 378.46 W·m-2,太陽高度角函數(shù)為0.93,IDN=1 157.45 W·m-2，η=0.17，F(xiàn)=0.72,S=0.18 m2.

圖6 太陽能風帆工作狀態(tài)示意

由圖6可知，相對風速V其與實際風速Vw和航行風速的大小Vs存在以下關(guān)系。

(11)

風帆推進功率P2及推力T的計算公式為

P2=TV0

(12)

(13)

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

風帆的推力系數(shù)CT為

(14)

當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。當展弦λ=1.5，f=0.125時，由風洞試驗得出的升力系數(shù)隨攻角的變化數(shù)據(jù)見表4。

表4 各攻角下的升力系數(shù)

在實驗中，控制船舶航速恒定Vs=0.7 m/s，實驗數(shù)據(jù)采集情見表5、6。

可以看出，攻角在0°～20°時風帆的推力和推進效率呈上升趨勢，在20°～90°時逐漸減小，且超過85°～90°時風帆的推力和推進效率接近于零甚至負數(shù)，即表現(xiàn)為阻力形式。太陽能風帆的攻角調(diào)整至20°時有最大推力和推進功率。

4 結(jié)論

通過多次修改設(shè)計方案，最終得出了一套針對目標無人船的太陽能風帆及其姿態(tài)角調(diào)整系統(tǒng)的裝置，通過無線遙控的控制方法調(diào)整太陽能風帆的帆角，實現(xiàn)了太陽能風帆在目標無人船航行過程中對太陽能和風能的充分利用。太陽能風帆的電池板發(fā)電功率隨斜面傾斜角的增大先增大后減小，即當太陽能風帆電池板面與太陽光接近垂直角度時的發(fā)電功率越大，且在15°時有最大值，實驗時1天中最大發(fā)電功率為25.03 W。太陽能風帆的攻角調(diào)整至20°時有最大推力和推進功率。

表5 各氣流傾角和實際風速下的相對風速

表6 各攻角下的推力和推進功率