一种风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船的制作方法

本发明属于绿色船舶技术领域，尤其涉及一种风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船。

背景技术：

在全球能源问题日趋紧张的环境以及日益严格的国际海事公约体系下，绿色船舶逐渐成为大势所趋。绿色船舶具有降低能源消耗和减少排放的特点，已经成为了人们关注以及研究的热点。从绿色能源的角度出发，目前主要运用的可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能、温差能、波浪能、海流能、盐差能等。绿色能源的实现方式已经从单一的绿色能源到多种绿色能源的混合利用，绿色化程度在不断提高。但是，目前绿色能源仅仅作为辅助能源，并且绿色能源稳定性较差，传统非可再生能源依然作为主要能源，因而探索一种全绿色的船舶必将成为未来的研究重点，而且全绿色船舶具有环境友好的特点，全绿色船舶的实现必将惠及全人类。

双体船具有上甲板面积大和较好的稳定性等方面的特点，现已推出全电力驱动的双体船。如专利申请号为cn103264765a公开了“一种双体船用波浪能发电装置”，通过振荡浮子吸收转化波浪能方式实现波浪能到电能的转化。但是此发明存在一定的缺陷，波浪具有不稳定性，波浪的现时发电，不能保证船舶航行的连续性与持久性。风能作为清洁能源，具有取之不尽、用之不竭的特点。在船舶上安装风力发电机将会提高船舶重心，导致船舶稳定性变差。传统的风帆船为单体船，当风帆受到较大的横向力矩时，风帆船容易倾覆。太阳能发电装置用于双体船，一般都是平铺在上甲板上，此种方案做法简单，较为节约成本，但实际效益并不高。还有的太阳能发电装置与风帆相结合，实现风能、太阳能的混合利用，但成本较高，可实施性较差。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供了一种风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船，该双体太阳能船整体结构简单，成本投入低，实现了船舶航行的绿色化，解决了现有技术中各绿色能源结合无法具体实施到船舶中的问题；具体技术方案如下：

一种风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船，所述双体太阳能船包括船体、太阳能发电装置、风帆装置和波浪能转换装置，所述船体内部设置有一蓄电池组，用于存储电能并为整个所述船体提供动力源；所述太阳能发电装置装设在所述船体的上甲板表面，用于采集太阳能并将太阳能转化为电能存储至所述蓄电池组；所述风帆装置设置在所述船体的中央部位，用于定位所述船体的位置风向并调整所述船体上风帆的方向；所述波浪能转换装置装设在所述船体内部，且整体位于所述船体的船头位置处，用于将波浪能转化成势能后转换成电能并存储至所述蓄电池组；所述太阳能发电装置、风帆装置和波浪能转换装置结合为整个所述船体提供动力源。

进一步的，所述船体上还设置有螺旋桨、轴系和电动主机，所述螺旋桨通过所述轴系连接所述电动主机，所述电动主机连接所述蓄电池组，所述蓄电池组和所述电动主机均装设在所述船体的内部；

所述蓄电池组用于存储所述太阳能发电装置和波浪能转换装置产生的电能，并为所述电动主机提供动力源，所述电动主机用于通过驱动所述螺旋桨来驱动所述船体。

进一步的，所述太阳能发电装置包括太阳能电池组件、控制器和逆变器，所述控制器分别连接所述太阳能电池组件、所述蓄电池组和逆变器，所述太阳能电池组件用于采集太阳能并转换成电能，所述控制器用于控制并保护整个太阳能发电装置，所述逆变器用于电流类型的转变，所述太阳能发电装置用于为所述船体上负载供电。

进一步的，所述太阳能电池组件包括定向太阳能电池组件和变向太阳能电池组件，所述定向太阳能电池组件和所述变向太阳能电池组件根据预设位置装设在所述上甲板上。

进一步的，所述风帆装置包括舵机齿轮组、主帆和前帆、风帆固定系统、风向定向装置和电路控制系统，所述舵机齿轮组和所述电路控制系统装设在所述船体的内部，且所述电路控制系统连接所述舵机齿轮组，用于驱动所述舵机，所述主帆和前帆通过所述风帆固定系统固定在所述上甲板上，所述风向定向装置装设在所述主帆和前帆的正上方，用于定向所述船体的位置风向；其中：

所述舵机齿轮组包括舵机、传动齿轮和舵盘，所述舵盘通过所述传动齿轮连接所述舵机，所述舵机连接所述电路控制系统，所述电路控制系统通过控制所述舵机实现对舵盘的操控，实现对所述船体的航向控制；

所述风帆固定系统包括升降调节器、支索立柱、支索钢丝和桅帽，所述主帆和前帆分别连接一个所述升降调节器，且所述升降调节器连接所述电路控制系统，所述升降调节器用于调节所述主帆和前帆的高度位置和方向；所述支索立柱固定在所述上甲板，所述支索钢丝一端连接所述支索立柱，另一端连接所述风向定向装置，所述风帆固定系统通过所述桅帽连接所述风向定向装置；

所述风向定向装置包括固定盘、遮蔽盘、立柱、圆柱形滑槽和定位系统，所述遮蔽盘装设在所述固定盘正上方，且所述遮蔽盘通过所述立柱与所述固定盘相连；所述圆柱形滑槽设置于所述固定盘的上表面；所述定位系统包括风向标、轻型滑件和带孔立柱，所述带孔立柱装设在所述固定盘的圆心位置，所述带孔立柱上端部与所述风向标连接，下端与所述轻型滑件相切，且所述轻型滑件与所述圆柱形滑槽连接；所述定位系统还与所述电路控制系统连接；

所述定位系统用于对所述船体所在位置的风向进行定位并将定位结果发送至所述电路控制系统，所述电路控制系统根据风向定位结果发出控制命令至所述舵盘和升降调节器，所述舵盘根据所述风向控制所述船体的航行方向以及通过所述升降调节器调节所述主帆和前帆的方向与所述方向一致。

进一步的，所述固定盘上表面还环绕设置有预设数量的小灯，用于照明。

进一步的，所述波浪能转换装置包括振荡浮子单元和发电单元，所述振荡浮子单元通过软管与所述发电单元连接；其中：

所述振荡浮子单元包括筒形振荡浮子和弹簧回复液压缸，所述弹簧回复液压缸上端部通过钢索连接所述筒形振荡浮子，所述弹簧回复液压缸下端部连接所述船体的锚链；且所述弹簧回复液压缸内设置有一弹簧和活塞，所述弹簧通过所述活塞连接所述锚链；

所述发电单元包括储能器、储油箱、第一单向阀、第二单向阀、油路开关、调速阀和液压马达，所述第一单向阀、第二单向阀与所述软管之间通过一三通管件连接，所述第二单向阀连接所述储油箱，所述液压马达连接所述储油箱和所述调速阀，所述第一单向阀通过另一三通管件分别连接所述油路开关和储能器，且所述油路开关连接所述调速阀；所述储油箱用于存储液压油，所述第二单向阀用于控制所述液压油单向流向所述弹簧回复液压缸，所述第一单向阀用于控制所述液压油单向流向所述储能器。

进一步的，所述弹簧液压回复缸上设置有与所述活塞相适配的开孔，且在所述开孔位置处设置有密闭橡胶圈，用于增强整个所述弹簧液压回复缸的防水性。

本发明的风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船，通过太阳能发电装置实现了船舶对太阳能的充分利用，使用风帆装置可有效利用船舶所在环境的风能，使用波浪能转换装置可以在船舶停泊过程中将波浪能转换成势能，然后转换成电能存储，用于后续船舶的航行使用；同时，在有阳光作用下时，以太阳能为主要能源，风能为辅助能源，实现船舶的航行，整个船舶经济，能源利用率高，可实施性强；与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）解决了利用波浪能转换装置大，成本高等问题，并在一定程度上提高了波浪能装置的使用寿命的问题；且波浪能转换装置简单易行，不必在船体上开口，破坏船体结构，同时不必考虑应对台风等恶劣海况，降低了成本；

(2)在任何天气状况，风帆装置都能起到辅助推进船舶的作用，并且可和里控制风帆的转向，从而最大程度上提升船舶的推进力；并通过机械连接系统、电路控制系统使帆角展开成合理的角度，提升了航行的效率；

(3)结合太阳能发电装置、风帆装置和波浪能转换装置，提升了船舶的航行效率，实现船舶的绿色化航行；且可同时运用到双体无人艇上，提升无人艇的续航能力。

附图说明

图1为本发明实施例中所述风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船的结构图示意；

图2为本发明实施例中所述波浪能转换装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中所述风向定向装置结构示意图；

图4为本发明实施例中所述轻型滑件与圆柱形滑槽直接连接图示意；

图5为本发明实施例中所述风向定向装置的俯视图示意；

图6为本发明实施例中所述定向太阳能电池组件结构图示意；

图7为本发明实施例中所述变向太阳能电池组件结构图示意；

图8为本发明实施例中所述太阳能发电系统组成结构框图示意。

标识说明：10-船体、20-太阳能发电装置、30-风帆装置、40-波浪能转换装置；

101-上甲板、102-螺旋桨、103-轴系、104-电动主机、105-蓄电池组；201-定向太阳能电池组件、202-变向太阳能电池组件；301-舵机、302-舵盘、303-升降调节器、304-支索立柱、305-主帆、306-前帆、307-支索钢丝、308-桅帽、309-固定盘、310-遮蔽盘、311-立柱、312-圆柱形滑槽、313-小灯、314-定位系统；401-锚泊设备、402-锚链孔、403-筒形振荡浮子、404-弹簧回复液压缸、405-储能器、406-储油箱、407-软管、408-第一单向阀、409-第二单向阀、410-压力表、411-油路开关、412-调速阀、413-液压马达；

3141-风向标、3142-轻型滑件、4041-弹簧、4042-活塞、4044-锚链。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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、完整地描述。

结合图1，在本发明实施例中，提供了一种风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船，所述双体太阳能船包括船体10、太阳能发电装置20、风帆装置30和波浪能转换装置40，船体10内部设置有一蓄电池组105，用于存储电能并为整个船体10提供动力源；船体10上还设置有螺旋桨102、轴系103和电动主机104，螺旋桨102通过轴系103连接电动主机104，电动主机104连接蓄电池组105，蓄电池组105和电动主机104均装设在船体10的内部；蓄电池组105用于存储太阳能发电装置20和波浪能转换装置40产生的电能，并为电动主机104提供动力源，电动主机104通过驱动螺旋桨102来驱动船体10。

结合图1、图6、图7和图8，在本发明实施例中，太阳能发电装置20装设在船体的上甲板表面，用于采集太阳能并将太阳能转化为电能存储至蓄电池组105，其中，太阳能发电装置20包括太阳能电池组件、控制器和逆变器，控制器分别连接太阳能电池组件、蓄电池组和逆变器，太阳能电池组件用于采集太阳能并转换成电能，控制器用于控制并保护整个太阳能发电装置，逆变器用于电流类型的转变，太阳能发电装置20用于为所述船体上负载供电；在具体实施例中，太阳能电池组件包括定向太阳能电池组件201和变向太阳能电池组件202，定向太阳能电池组件201和变向太阳能电池组件202根据预设位置装设在上甲板101上，本发明为了提高太阳能发电装置20的电能采集效率，将定向太阳能电池组件201的太阳能板面固定设置，而在变向太阳能电池组件202与步进电机和减速电机连接，并在步进电机和减速电机上连接对应的控制电路，用以保证变向太阳能电池组件202可随着太阳光进行调整，实现对太阳能的最大化利用；同时，可根据蓄电池组105的充电情况进行控制是否开启变向太阳能电池组件202，例如，若蓄电池组105已充满电，则可调整变向太阳能电池组件202定向采集太阳光；同时，在本发明中，还设置一即可以对整个太阳能发电装置20进行控制，并对蓄电池组105进行过充电和过放电保护，例如电池开路或接反时切断开关；也可在温差较大环境进行温度补偿的太阳能控制器。

优选的，在本发明实施例中，控制器的主要功能是使太阳能发电装置始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率，而充电控制采用脉冲宽度调制技术即pwm控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点附近区域；蓄电池组105采用铅酸免维护蓄电池，在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，等到阴雨天气等需要的时候，再释放出来；逆变器为dc-ac逆变器，因为太阳能转化的电能为直流电，而船舶上的许多设备需要交流电，所以采用逆变器将蓄电池的直流电逆变成交流电；并通过全桥电路，采用spwm处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率，额定电压等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。

结合图1、图3、图4和图5，在本发明实施例中，风帆装置30设置在船体10的中央部位，用于定位船体10的位置风向并调整船体上风帆的方向，具体的，风帆装置30包括舵机齿轮组、主帆305和前帆306、风帆固定系统、风向定向装置和电路控制系统，舵机齿轮组和电路控制系统装设在船体的内部，且电路控制系统连接舵机齿轮组，用于驱动舵机齿轮组，主帆和前帆通过风帆固定系统固定在上甲板上，风向定向装置装设在主帆和前帆的正上方，用于定向所述船体的位置风向；其中，舵机齿轮组包括舵机301、传动齿轮和舵盘302，舵盘302通过传动齿轮连接舵机301，舵机301连接电路控制系统，电路控制系统通过控制舵机301实现对舵盘302的操控，进而对船体10的航向进行控制；风帆固定系统包括升降调节器303、支索立柱304、支索钢丝307和桅帽308，主帆305和前帆306分别连接一个升降调节器303，且升降调节器303连接电路控制系统，升降调节器303用于调节主帆305和前帆306的高度位置和方向；支索立柱304固定在上甲板101，支索钢丝307一端连接支索立柱304，另一端连接风向定向装置，用以保证整个桅杆的稳定性；风帆固定系统通过桅帽308连接风向定向装置；风向定向装置包括固定盘309、遮蔽盘310、立柱311、圆柱形滑槽312和定位系统314，遮蔽盘310装设在固定盘309正上方，且遮蔽盘310通过立柱311与固定盘310相连；圆柱形滑槽312设置于固定盘310的上表面；定位系统314包括风向标3141、轻型滑件3142和带孔立柱，带孔立柱装设在固定盘309的圆心位置，带孔立柱上端部与风向标3141连接，下端与轻型滑件3142相连，且轻型滑件3142与圆柱形滑槽312相切设计；定位系统314还与电路控制系统连接；定位系统314用于对船体10所在位置的风向进行定位并将定位结果发送至电路控制系统，电路控制系统根据风向定位结果发出控制命令至舵盘302和升降调节器303，舵盘302根据风向控制船体10的航行方向以及通过升降调节器303调节主帆305和前帆306的方向与方向一致；此外，本发明还在固定盘309上表面环绕设置有预设数量的小灯313，小灯313与所述电路控制系统相连，通过电路控制系统控制小灯313的亮灭；用于在黑暗环境中照明风向标3141的方向，便于识别。

优选的，本发明中设置有圆柱形滑槽312共18个，每一所述圆柱形滑槽312之间存在微小间隙，并在相邻的两个圆柱形滑槽312重点直线连线及相邻间隙处布置小型光敏传感器，在船舶航行过程中若有风，则风向标3141受风力的作用，会摆动直至与风向同向，由于风向标3141与带孔立柱、轻型滑件3142整体固定在一起，所以风向标3141的摆动会带动带孔立柱和轻型滑件3142同时转动相同角度，此时轻型滑件3142会遮挡住设置的小型光敏传感器，电路控制系统识别到遮挡信号，由电路控制系统控制小灯313的亮灭，并控制升降调节器303调节主帆305和前帆306与风向位置一致，提升航行的效率。

优选的，本发明设置有十八盏小灯313，并将位于船艏方向的记为l1，其余灯标记如图5，并将小灯分为三组，第一组为l1和l10，第二组为l2至l9，记录为右方向，第三组为l11至l18，记录为左方向；在船舶航行时，如遇到从船正前方或者正后方的灯亮，表面风向朝着船艏或船尾，此时不需要改变主帆305和前帆306的角度；如若遇到来自左方向的风，主帆305和前帆306应朝着船舯右侧方向摆动，以让风从帆面穿过，在帆面间形成高低气流，从而推动船舶向前航行；通过电路控制系统控制舵机301的运动可实现舵盘302转动，进而控制升降调节器实现对主帆305和前帆306的收线或放线操作，调整帆面角度，使得船舶获得最大的推进力；同样的，针对左方向不同方位的风，通过编写代码以调整舵机301转动的幅度，从而控制帆面达到合适的角度。

由于大海环境变化比较大，任意时刻风向不同，且可能存在多个方向的风同时作用在船体上；本发明通过设计圆柱形滑槽312与轻型滑件3142光滑相接，具体可参阅图4，当任意时刻风向作用，风向标都将快速地作出转动，从而带动带孔立柱的与轻型滑件3142的转动，进而由电路控制系统判断风向，反应时间较为快速，很好的解决了任意时刻风向不同的问题；优选的，为了使得风向标3141的转动可带动带孔立柱和轻型滑件3142转动，本发明中带孔立柱和轻型滑件3142的材料均为耐腐蚀的轻质量材料制备。

结合图1和图2，在本发明实施例中，波浪能转换装置40装设在船体10内部，且整体位于船体10的船头位置处，用于将波浪能转化成势能后转换成电能并存储至蓄电池组105；波浪能转换装置40包括振荡浮子单元和发电单元，振荡浮子单元通过软管407与发电单元连接；其中，振荡浮子单元包括筒形振荡浮子403和弹簧回复液压缸404，弹簧回复液压缸404上端部通过钢索连接筒形振荡浮子403，弹簧回复液压缸404下端部连接船体10的锚链4043；且弹簧回复液压缸404内设置有一弹簧4041和活塞4042，弹簧4041通过活塞4042连接锚链4043；本发明为了增强弹簧回复液压缸404的防水性，在弹簧液压回复缸404上开设有与活塞4042相适配的开孔，且在开孔位置处设置有密闭橡胶圈，以保证整个弹簧液压回复缸404不会因为所述开孔而进水；发电单元包括储油箱405、储能器406、第一单向阀408、第二单向阀409、油路开关411、调速阀412和液压马达413，第一单向阀408、第二单向阀409与软管407之间通过一三通管件连接，第二单向阀409连接储油箱406，液压马达413连接储油箱406和调速阀412，第一单向阀408通过另一三通管件分别连接储能器405和油路开关411，且油路开关411连接调速阀412；储油箱406用于存储液压油，第二单向阀409用于控制液压油单向流向弹簧回复液压缸404，第一单向阀408用于控制液压油单向流向储能器405；由于储能器405与油路开关411、调速阀412和液压马达413串联，可保证液压油能够通过管路稳定的对液压马达413做功，从而将波浪能转换成的势能转化成机械能；本发明还在第一单向阀408远离弹簧回复液压缸404的一侧装设有一压力表，用以测量通过第一单向阀408的液压油的压力值大小。

本发明在船体10船头位置设置有锚泊设备401以及锚链孔402，锚泊设备401用于船体10停泊使用，锚链孔402通过钢索连接筒形振荡浮子403。

在具体实施例中，筒形振荡浮子403由不锈钢薄壁水密外壳，并在内层充满不透水的橡胶，并将筒形振荡浮子403设计成较小直径，使其吃水较深，以增大波浪能；弹簧回复液压缸404外壳采用水密不锈钢外壳，里面的弹簧采用高性能弹簧，增加回弹性并提高使用寿命；在波浪到来时，筒形振荡浮子403受到浮力的作用，产生向上的作用力，通过钢索带动弹簧回复液压缸404做向上运动，而活塞4042与锚链4043相连接，且锚链4043固定于海底，所以活塞4042不能随液压缸外壳做向上运动，只能相对于海底静止；此时，形成活塞4042与弹簧回复液压缸404外壳的相对移动，从而挤压液压油做功；而在波浪下降时，筒形振荡浮子403受到浮力的作用，受到向下的作用力，通过钢索带动弹簧回复液压缸404做向下运动，而活塞4042与锚链4043相连接，而锚链4043固定于海底，所以活塞4042不能随弹簧回复液压缸404的外壳做向下运动，只能相对于海底静止，形成活塞4042与弹簧回复液压缸404的外壳的相对移动，从而吸收油箱里的油，形成吸油和挤压油的循环动作。

在本发明中，在振荡浮子单元做吸油动作时，液压油只从储油箱406通过第二单向阀409经过三通管件向振荡浮子单元流动，使振荡浮子单元完成吸油动作；而振荡浮子单元进行压油动作时，液压油只能通过第一单向阀408，流过压力表410，在流经三通管件时，应受油路开关411的阻挡，使液压油在不能满足一定压力条件时，不能流过液压马达413，并对其做功；故只能通过三通管件流向储能器405，将液压油的势能储存来，当压力达到一定条件时，油路开关411打开，储能器405里的液压油冲击液压马达413，对液压马达413做功，将液压能转为机械能，并通过液压马达413将机械能转化为电能。

筒形振荡浮子403漂浮在海平面上，在波浪作用下筒形振荡浮子403的垂直、纵荡、纵摇运动将吸收的波浪能转化为活塞4042的上下往复运动，从而形成吸油和排油的循环动作，使液压油的势能被不断储存在储能器405里，最后，在压力达到一定情况下，通过液压马达413将液压油的势能转化为电能，实现波浪能到势能再到电能的转化；本发明的波浪能转换装置40可保证船舶在大风大浪天气中，通过将波浪能转化成电能存储至蓄电池组10中可减少船舶横摇。

综上所述，本发明通过太阳能发电装置20、风帆装置30和波浪能转换装置40结合为整个所述船体提供动力源，有利于船舶的绿色航行。

本发明的风帆、波浪能辅助推进的双体太阳能船，通过太阳能发电装置实现了船舶对太阳能的充分利用，使用风帆装置可有效利用船舶所在环境的风能，使用波浪能转换装置可以在船舶停泊过程中将波浪能转换成势能，然后转换成电能存储，用于后续船舶的航行使用；同时，在有阳光作用下时，以太阳能为主要能源，风能为辅助能源，实现船舶的航行，整个船舶经济，能源利用率高，可实施性强；与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）解决了利用波浪能转换装置大，成本高等问题，并在一定程度上提高了波浪能装置的使用寿命的问题；且波浪能转换装置简单易行，不必在船体上开口，破坏船体结构，同时不必考虑应对台风等恶劣海况，降低了成本；

(2)在任何天气状况，风帆装置都能起到辅助推进船舶的作用，并且可和里控制风帆的转向，从而最大程度上提升船舶的推进力；并通过机械连接系统、电路控制系统使帆角展开成合理的角度，提升了航行的效率；

(3)结合太阳能发电装置、风帆装置和波浪能转换装置，提升了船舶的航行效率，实现船舶的绿色化航行；且可同时运用到双体无人艇上，提升无人艇的续航能力。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。