一种可风力发电及动力调控的装置、无人帆船的制作方法

本发明属于无人帆船技术领域，尤其涉及一种可风力发电及动力调控的装置、无人帆船。

背景技术：

帆船是利用风能作为动力的海上交通工具，相较于其它海上交通工具，它具有节能、环保和无污染等特点，对环境保护和能源控制都具有重要意义。因此，帆船尤其是无人帆船极富研究价值。然而对于无人帆船来说，由于研究对象及环境的复杂性，一直以来少有人研究，取得的成果更难与其它无人驾驶机器人媲美。

目前，无人帆船存在的主要问题有：

1，无人帆船续航能力有限，现有的无人帆船控制系统多依靠电池为控制器提供电能，续航能力差，工作一段时间后，需要返航充电，无法实现远洋航行或者原位长时间监测。

2，无人帆船以风能为动力来源，由于帆船行进过程中风向与风速的实时变化，帆船需要不断地调整帆角，大量消耗无人帆船储存电能，进一步降低无人帆船的续航能力；且在帆角调整过程中，帆面迎角变化，易出现帆船受力波动大而导致帆船失稳现象。

因此，设计一种既能利用海上能源自动蓄能，又能减少航行中电能消耗、帆船失稳的无人帆船具有重要实际应用价值。

技术实现要素：

本发明提供一种可风力发电及动力调控的装置、无人帆船，旨在解决现有的无人帆船存在的续航能力差，并且由于频繁地调节帆角带来的电能消耗以及帆船失稳等问题。

本发明提供了一种可风力发电及动力调控的装置，包括：风帆、桅杆、支撑架、两个垂直轴风力发电机及两个发电机阻尼调节电路模块；

所述支撑架包括上支撑板、下支撑板和若干根支撑柱，若干根所述支撑柱的两端分别与所述上支撑板和所述下支撑板固定连接；

所述桅杆的上端和下端分别固定在所述支撑架的上支撑板和下支撑板上，所述风帆的一侧与所述桅杆连接；

两个所述垂直轴风力发电机对称分布于所述风帆的两侧，所述垂直轴风力发电机包括发电机、风轮和转动轴，所述发电机安装在所述下支撑板上，所述转动轴一端与所述发电机连接，另一端可旋转地安装于所述上支撑板上，所述风轮固定在所述转动轴上；

两个所述发电机阻尼调节电路模块分别与两个所述发电机一一对应电气连接，用于调节所述风轮的风机叶片转速。

进一步地，所述风轮包括3段小风轮，每段小风轮包括3片风机叶片，3片所述风机叶片在圆周范围内呈均匀分布，3段所述小风轮的共9片风机叶片在圆周范围内呈均匀分布。

进一步地，所述发电机阻尼调节电路模块的电路结构为boost电路；

所述boost电路包括电感、p型mos管、二极管、电容和电阻；所述电容与所述电阻并联之后的一端与所述二极管的负极连接，所述电容与所述电阻并联之后的另一端与所述mos管的源极连接及与所述电机的负极连接，所述电感的一端与所述二极管的正极及所述mos管的漏极连接，所述电感的另一端与所述电机的正极连接。

进一步地，所述上支撑板的正中间位置设计有一个卡箍，所述桅杆的上端通过卡箍固定在所述上支撑板上。

进一步地，所述若干根支撑柱为4根支撑柱，所述上支撑板和所述下支撑板平行，所述支撑柱与所述上支撑板垂直，所述桅杆与所述支撑柱平行。

进一步地，所述上支撑板设计有4个通孔，所述下支撑板设计有4个螺纹孔，4根所述支撑柱的上端和下端分别设计有外螺纹，4根所述支撑柱的下端分别通过4个所述螺纹孔固定在所述下支撑板上，4根所述支撑柱的上端分别穿设于4个所述通孔，每个所述通孔的上端和下端分别旋有螺母固定。

进一步地，所述下支撑板设计有对称的两个电机槽，两个所述发电机分别安装于两个所述电机槽内。

进一步地，所述电机槽下端为镂空结构，所述发电机的正极线和负极线通过所述镂空结构引出，且所述正极线及负极线连接至所述发电机阻尼调节电路模块。

进一步地，所述上支撑板内嵌有一个轴承，所述转动轴的另一端穿设于所述轴承。

本发明还提供了一种无人帆船，包括船体，还包括上述装置，所述装置安装在所述船体上。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种可风力发电及动力调控的装置、无人帆船，一方面，将垂直轴风力发电机应用到无人帆船上，充分利用海上丰富风能资源来发电储电供电，提高无人帆船的续航能力，满足无人帆船长时间在海上航行需求；无人帆船续航能力的提高有利于其在海洋原位实时监测、海面巡航监测和海上远航等方向的应用推广；另一方面，本发明创新性地结合伯努利原理，将垂直轴风力发电机对称设置于风帆的两侧，并运用发电机阻尼调节电路，通过调节两侧垂直轴风力发电机的阻尼，从而调节风轮的风机叶片的输出转速，影响风帆的前后流场，实现风帆受力的调节，该风帆受力调节方式可以减少帆角调节，从而降低频繁调整帆角带来的电能消耗以及船体失稳等情况的发生。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种可风力发电及动力调控的装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种可风力发电及动力调控的装置的俯视图；

图3是本发明实施例提供的发电机阻尼调节电路模块的电路连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于现有技术中存在，一方面，由于无人帆船利用电池为控制系统提供电能，存在续航能力差的问题；另一方面，无人帆船在行进过程中风向和风速实时变化，需要不断地调整帆角，从而导致大量消耗储存电能和帆船失稳的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种可风力发电及动力调控的装置、无人帆船，结合流体力学中伯努利原理，创新性地在风帆两侧加入垂直轴风力发电机及发电机阻尼调控电路，实现风力发电的同时，调节风帆受力；从而使得无人帆船的续航能力提升，并且可以减少帆角调节，从而降低频繁调整帆角带来的电能消耗以及船体失稳等情况的发生。

下面具体介绍本发明提供的一种可风力发电及动力调控的装置，结合图1-2所示，包括：风帆1、桅杆2、支撑架3、两个垂直轴风力发电机4及两个发电机阻尼调节电路模块(图中未示出)；

其中，所述支撑架3包括上支撑板31、下支撑板32和若干根支撑柱33，若干根所述支撑柱33的两端分别与所述上支撑板31和所述下支撑板32固定连接；所述桅杆2的上端和下端分别固定在所述支撑架3的上支撑板31和下支撑板32上，所述风帆1的一侧与所述桅杆2连接；两个所述垂直轴风力发电机4对称分布于所述风帆1的两侧，所述垂直轴风力发电机4包括发电机41、风轮42和转动轴43，所述发电机41安装在所述下支撑板32上，所述转动轴43一端与所述发电机41连接，另一端可旋转地安装于所述上支撑板31上，所述风轮42固定在所述转动轴43上；两个所述发电机阻尼调节电路模块分别与两个所述发电机41一一对应电气连接，用于调节所述风轮42的叶片转速。

具体地，本发明实施例提供的所述上支撑板31的正中间位置设计有一个卡箍311，所述桅杆2的上端通过所述卡箍311固定在所述上支撑板31上，下端固定在所述下支撑板32上；通过使用所述卡箍311，使所述桅杆2与所述支撑架3相对固定，增加了整个结构的稳定性。

具体地，本发明实施例提供的所述若干根支撑柱33为4根支撑柱33，所述上支撑板31和所述下支撑板32平行，所述支撑柱33与所述上支撑板31垂直，所述桅杆2与所述支撑柱33平行，即所述桅杆2垂直于所述上支撑板31和所述下支撑板32。

更具体地，本发明实施例提供的所述上支撑板31设计有4个通孔，所述下支撑板32设计有4个螺纹孔321，4根所述支撑柱33的上端和下端分别设计有外螺纹，4根所述支撑柱33的下端分别通过4个所述螺纹孔321固定在所述下支撑板32上，4根所述支撑柱33的上端分别穿设于4个所述通孔，每个所述通孔312的上端和下端分别旋有螺母313固定(图中未示出所述通孔312上端的螺母)；需要说明的是，4根所述支撑柱33的下端设计的外螺纹分别和4个所述螺纹孔321匹配，4根所述支撑柱33的上端设计的外螺纹分别和所述螺母313匹配；通过2个旋在所述通孔312上端和下端的所述螺母313将每根所述支撑柱33的上端与所述上支撑板31固定，形成稳定的支撑架3结构。

具体地，本发明实施例提供的所述下支撑板32设计有对称的两个电机槽322，两个所述发电机41分别安装于两个所述电机槽322内；所述电机槽322下端为镂空结构，所述发电机41的正极线和负极线通过所述镂空结构引出，且所述正极线及负极线连接至所述发电机阻尼调节电路模块。具体地，本发明实施例提供的所述上支撑板31内嵌有一个轴承314，所述转动轴43的另一端穿设于所述轴承314，通过所述轴承314连接，使得所述转动轴43即可利用所述上支撑板31定位，又可在所述上支撑板31中旋转。

具体地，本发明实施例提供的所述风轮42包括3段小风轮，3段所述小风轮通过所述转动轴43连成一体，每段小风轮包括3片风机叶片421，所述风机叶片421为s型风机叶片，即savonius风机叶片；即对于每段小风轮来说，每两片风机叶片421之间的角度为120度，即3片所述风机叶片421在圆周范围内呈均匀分布；从图2的俯视视角来看，对于这3段所述小风轮包括的共9片风机叶片421来说，每两片风机叶片421之间的角度为40度，即3段所述小风轮的风机叶片421在圆周范围内呈均匀分布，该分布方式有利于实现风轮42低转矩启动；所述垂直轴风力发电机4的工作原理为：风力带动3段所述小风轮的风机叶片421转动，从而带动与所述小风轮连成一体的转动轴43转动，进而带动与所述转动轴43连接的所述发电机41发电。

具体地，所述发电机阻尼调节电路模块的基本电路单元结构为boost电路，如图3所示；所述boost电路包括电感l、p型mos管即场效应管、二极管vd、电容c和电阻r；所述电容c与所述电阻r并联之后的一端与所述二极管vd的负极连接，所述电容c与所述电阻r并联之后的另一端与所述mos管的源极连接及与所述发电机的负极连接，所述电感l的一端与所述二极管vd的正极及所述mos管的漏极连接，所述电感l的另一端与所述发电机的正极连接。

在boost电路中：

ei1(ton+toff)＝u0i1toff(1)

其中，(1)表示一个周期内从发电机侧传输到电阻侧的能量，toff为场效应管一个周期中的关断时间，ton为场效应管一个周期中的导通时间，t为场效应管开关周期，α为场效应管pwm波的占空比；因此，其等效阻抗为：

其中，是结合(4)和转换得到。从上式看出：只要调节占空比α就可以对直流电机的功率进行控制，等效于在dcmotor(直流电机)两端串联了一个滑动变阻器。该“滑动变阻器”无须手动，只需改变场效应管pwm波的占空比就能实现阻值的调节。当α＝100％时，等效为直流发电机短接(即发电机最重载)；当α＝0％时，等效为直流电机接大电阻，发电机开路(即发电机最轻载)；相应地风场条件下，发电机最重载，则风机叶片转速最慢；发电机最轻载，则风机叶片转速最快。

因此，本发明装置在海上运行时，风帆两侧的垂直轴风力发电机获取海上风能，将其转化为电能。同时，通过调节场效应管pwm波的占空比，来改变发电机“负载”；在同样的风场条件下，占空比α越大，发电机负载越重，转速越慢；反之，占空比α越小，发电机负载越轻，转速越快。垂直轴风力发电机的转速同样影响着风帆前后流场的速度，进而改变风帆前后的压力大小。故而，通过调节风力机阻尼可以实现风帆受力的调节；那么，一定范围内，通过这种调节风力机阻尼的方式可以减少无人帆船行进过程中对帆角的调整，及频繁调整帆角带来的电能消耗以及船体失稳等问题发生。

本发明还提供了一种无人帆船，包括船体，还包括上述的可风力发电及动力调控的装置，所述装置安装在所述船体上。

本发明提供的一种可风力发电及动力调控的装置、无人帆船，一方面，在无人帆船中引入垂直轴风力发电机，利用海上风能丰富的特点，发电储电，解决无人帆船控制系统的供电问题，提高其续航能力，满足长时间海上作业或者远洋航行需求；另一方面，通过在风帆两侧对称布置垂直轴风力发电机，使其对风帆前后流场产生影响，同时创新性引入风力发电机阻尼调控电路，通过改变占空比，调节两侧风力发电机的阻尼，从而调节风机叶片的输出转速，实现风帆受力的进一步调控；即可以实现不改变帆角情况下，对帆船受力的微调节，减少频繁调整帆角带来的电能消耗以及船体失稳等情况发生，增强了无人帆船的稳定性。

本发明提供的可风力发电及动力调控的装置可以搭载于各类帆船以及无人帆船之上，尤其适合于无人海上监测，无人海上巡航及无人远洋运输等方向的应用；另外，无人帆船具有节能、无污染等特点，其应用推广具有环境保护和能源节约等意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。