船载式自适应太阳能电池板搭载装置及自适应方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种船载式自适应太阳能电池板搭载装置 及自适应方法。
【背景技术】
[0002] 随着人类对石油和煤炭等矿物资源的使用，这些一次性不可再生资源面临枯竭的 严重威胁，而且矿物资源的燃烧产生大量的温室气体，造成地球气温上升。在水路运输方面 随着国际公约、规则的出台和"MARP0L73/78"实施，传统能源的利用受到冲击，船舶减排与 低碳趋势已在强制要求下日趋凸显。在此背景下，范围内对船舶清洁能源的应用进行了大 量研宄。太阳能作为一种清洁能源具有储量无限、无排放无污染的优点，但是地球与太阳在 空间内是相对运动的，导致太阳能又存在着空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系 列固定太阳能设备对太阳能的利用率不高。特别是移动设备上的太阳能装置，其利用率更 低。太阳每时每刻都是在运动着，不管哪种太阳能设备，如果太阳能电池板始终保持与太阳 光线垂直，那么他就可以在相同的使用面积下收集更多的太阳能。太阳能设备的能量转换 部分若想保持与太阳光垂直，就必须要推算出太阳光线与测者真地平平面不同地点不同时 间的夹角。太阳能电池板的自适应装置为解决这一问题提供了条件。研宄表明，太阳能设 备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，其能量的利用率相差37. 7% [1]。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是：提供一种船载式自适应太阳能电池板搭载装置及自 适应方法，能够使航行的船舶充分利用太阳能。
[0004] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种船载式太阳能电池板自适 应方法，其特征在于：它包括以下步骤：
[0005]S1、根据船的位置和当前日期及时间，计算太阳高度角和太阳方位角；
[0006] 所述船的位置为经度和炜度信息；船的位置和当前日期及时间均从船上已有设备 中导入或手动输入；
[0007] 所述的太阳高度角和太阳方位角根据天文学原理计算得到；
[0008]S2、根据太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向角调整太阳能电池板的角度， 使得太阳能电池板与太阳光线垂直；
[0009] 通过电罗经获得船舶船首向，经算法分析得到船舶转向角；设太阳能电池板与经 线之间所夹的锐角或直角为A，太阳能电池板与炜线之间所夹的锐角或直角为B，船舶转向 前船舶首尾线与船舶转向后船舶首尾线的夹角为C(角C可为钝角、直角、锐角）；
[0010] 转动太阳能电池板使得A+hs= 90°，B=As，C=船舶转向角，且C的方向与船舶 转向角相反。
[0011] 按上述方法，所述的S2具体为：
[0012] 2. 1、首先启动复位键的设置，系统自动将电池板恢复到固定位置，该位置特征为： 太阳能板与船舶所在位置经炜线交叉所形成的平面平行，即保持太阳能板与经炜线的夹角 为零度；
[0013] 2. 2、自适应太阳高度角hs变化
[0014] 根据S1得出的太阳高度角，转动太阳能电池板使得A+hs= 90° ;
[0015] 2. 3、自适应太阳方位角As变化
[0016] 根据S1得出的太阳方位角，转动太阳能电池板使得当地方时为06 :00-12:00时，B=As;当地方时时间在 12:00-18 :00 时，B= (360° -AS);
[0017] 2. 4、自适应船舶转向变化
[0018] 根据S1得出的船舶转向角，转动太阳能电池板使得C=船舶转向角，且C的方向 与船舶转向角相反。
[0019] 一种用于实现上述船载式太阳能电池板自适应方法的船载式自适应太阳能电池 板搭载装置，其特征在于：它包括主控单元，以及与主控单元连接的3个驱动旋转单元，分 别使得太阳能电池板绕x、y、z轴转动，其中x、y、z轴构成空间三维坐标系，x、y轴均与水 平面平行，z轴为竖直方向；主控单元用于计算太阳高度角hs、太阳方位角As和船舶转向 角，发出控制指令给相应的驱动旋转单元。
[0020] 按上述装置，所述的3个驱动旋转单元均通过齿轮传动。
[0021] 本发明的有益效果为：采用本发明方法和装置，能够使得太阳能电池板随太阳高 度角、太阳方位角、船舶船首向的变化而变化，自动调节太阳能电池板使其与太阳光线垂 直，使航行的船舶充分利用太阳能，从而提高船载式太阳能电池板对太阳能的利用。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明一实施例的原理图。
[0023] 图2为天球赤道示意图。
[0024] 图3为太阳高度角与太阳方位角示意图。
[0025] 图4为太阳的运动规律示意图。
[0026] 图5为太阳能搭载机械单元结构示意图。
[0027] 图6为自适应太阳高度角hs变化示意图。
[0028] 图7为自适应太阳方位角As变化示意图。
[0029] 图8为自适应船舶转向变化示意图
[0030] 图9为控制系统的硬件整体框图。
[0031] 图中：1-太阳能电池板，2-第一支架，3-第一齿轮，4-第一轴承，5-轴，6-第一 舵机，7-第二轴承，8-固定顶座，9-第二齿轮，10-第三齿轮，11-第三轴承，12-第四齿轮， 13-第一传动齿轮，14-第二舵机，15-固定底座，16-固定底座，17-第三舵机，18-第二传动 齿轮，19-第二支架，20-第五齿轮，21-第六齿轮，22-固定顶座，23-构架。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
[0033] 天文背景知识
[0034] 虽然地球绕太阳运行，但相对来说，在地球上观察到的却是太阳在天空中移动。为 了确切地描述太阳在天空中的移动与位置，假定地球不动，以地球为中心，以任意长为半径 作一假想球面，天空中包括太阳在内的一切星体，均在这个球面上绕地轴转动，这个假想的 球体称为天球。延长地轴线与天球相交的两点称为天极，PN为北天极，PS为南天极，PN-PS 即为天轴。扩展地球赤道面与天球相交所成的圆称为天球赤道，如图2所示。由于黄道面 (地球运行的轨道面，也就是太阳视运行的轨道面）与天轴的夹角为66° 33'，则黄道面与 天球赤道面夹角为23° 27'，太阳沿着天球黄道周而复始地绕地球运行[2]。
[0035] 太阳在天球上的位置每日、每时都有变化。为了确定其位置，常用赤道坐标系和地 平坐标系从不同角度来表示。本专利采用地平坐标系进行计算分析。
[0036] 地平坐标系是以地平圈为基圈，用太阳高度角hs和方位角As来确定太阳在天球 中的位置，如图3所示。所谓太阳高度角hs是指太阳直射光线与地平面间的夹角。太阳方 位角As是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角，通常以南点S为 0°向西为正值，向东为负值。
[0037] 任何一个地区，在日出、日没时，太阳高度角hs= 0°;-天中的正午，即真太阳时 12时，太阳高度角最大，此时太阳位于正南（北半球），即太阳方位角As= 00 (或1800)。 由于地理炜度是确定的，因此从地球任意一点的地平面上观察太阳的运行是确定的。
[0038] 以武汉理工大学（29° 58' 20"N，113° 53' 29"E)为例，选定春分、夏至、秋 分和冬至4个代表日来观察太阳运行的规律，如图4所示：
[0039] 春分日和秋分日，太阳从正东方升起，12时到达子午线，方位正南，然后从正西日 投，且昼夜时段平分。
[0040] 夏至日，太阳