一种海洋可再生能源驱动的无人船

摘要

本发明涉及一种海洋可再生能源驱动的无人船。包括由甲板和船底构成的船体、三角帆、桅杆、船体内的控制与导航系统、电源和波浪驱动装置，其特征在于上述的船体的内部还包括有固定在甲板之下重块、固定在船底上的浮体以及重块与浮体之间有弹簧支撑，且船体是由甲板、船底与左侧软板、右侧软板、后侧软板构成的一个类皮囊状、楔形船体，所述的左侧软板、右侧软板和后侧软板是能够弯曲变形的软的弹性片体，并在甲板上设置太阳能电池板。充分利用太阳能、风能和波浪能，具有普适性，且清洁持久与长续航能力，解决了无人船续航时间短的问题，可用于长期海洋监测。其结构合理紧凑、成本低，也解决了大船无法进入海域的相关海洋测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋可再生能源驱动的无人船，该无人船的驱动能源为波 浪能、风能和太阳能，可作为一种海洋监测的传感器集成运动平台。

背景技术

在海洋监测领域，无人船是一种新型的搭载平台，其以小型船舶为基础， 具有控制与导航能力，可搭载多种海洋测量传感器，以遥控、自主的工作方式， 完成对用户感兴趣区域的相关海洋测量，可用于港口、污染海域、岛礁周边等 区域的多种要素同步测量，也可完成大范围海洋现场监测、取样和遥感现场定 标等任务，有效减少人力，提高测量效率。

无人船通常可分为船体、驱动、能源、控制与导航系统、传感器等部分。 现阶段绝大部分无人船使用燃油和电池作为能源，续航能力有限，这严重地限 制了其长期性的海洋测量能力。虽然目前可利用的海洋可再生能源主要有潮汐、 波浪、温差、盐度梯度、海流、风能、太阳能等，但现阶段并非所有能源都可 以作为驱动无人船的能源。例如，潮汐能发电比较成熟，但其装置巨大且固定 位置，并不适合用作无人船的能源；温差能利用不同水层温差作为能源，但航 行于海表面的无人船并不适用；利用盐度梯度发电是一种先进技术，但离实际 应用还比较远；海流能很大程度上受限于位置，转化装置也难以用于无人船。

通过分析这些海洋可再生能源转化装置的特点和技术要求，表明目前可能 适用于无人船的海洋可再生能源主要是波浪能、风能和太阳能。因此如何将这 三种海洋可再生能源应用于驱动无人船，构建一个具有长续航能力的无人船是 非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋可再生能源驱动的无人船，使用波浪能、风 能和太阳能，以提高无人船的续航能力，弥补现有无人船无法用于长期海洋测 量的不足。

在波浪驱动船舶方面，波浪直接转化为机械动力，已经有100多年的发展 历史，通常是利用弹簧或弹性板将波浪能转化为驱动板的弹性势能，进而以“踢 水”的方式，驱动船体前进。对于风能，通常以风帆的形式驱动船舶。太阳能 通常作为船舶的充电来源。

本发明以波浪能驱动无人船，是通过合理设计船体，采用一种类皮囊状、 楔形船体的形式，利用波浪实现船体支撑与压缩而实现吸水与喷水，利用喷水 的水动力驱动无人船。对于风能和太阳能，将风帆和太阳能板合二为一。

本发明的波浪驱动装置是一个包括船底前部设有的一个入水口，后侧软板 设有两个出水口的类皮囊状、楔形船体，以喷水的方式为无人船提供前进动力。 甲板和船底呈等腰三角形，甲板和船底的腰长与底边的比例均大于1.5而小于2， 底边长范围为1-1.5米，腰长范围为1.5-3米，船体的高度范围为0.3-0.5米。

本发明的左侧软板、右侧软板和后侧软板是橡胶片或PVC板。本发明的甲 板和船底是由玻璃钢或不锈钢板构成。本发明的船体呈中空状态，船体内重物 固定于甲板之下，浮体固定于船底之上，重物和浮体之间有弹簧连接。船底前 部设有一个入水口，船尾设有两个出水口，形成一个类似风箱的吸水喷水的楔 形船体，以吸水喷水的方式为无人船提供前进动力。当存在波浪时，在船体下 降过程中，弹簧将支撑起船体，完成船体吸水。当船体下落至海表面，重物起 到压缩船体的作用，完成船体喷水。浮体的作用是为无人船提供浮力。出水口 和进水口为圆形，考虑喷水效率，入水口和进水口的半径范围为3-5厘米，两 个出水口对称分布在船体尾部后侧软板上，以提供对称的喷水推进力，入水口 设置在船底前部，能够充分完成吸水。所述的船体甲板表面设置有太阳能电池 板，吸收太阳能，为无人船的电源供电。所述的船体船底装有舵，用于改变无 人船航行方向。

本发明的三角帆，材料采用玻璃钢或铝板等材料，其表面贴有太阳能电池 板，为无人船的电源供电。三角帆作为风帆，可绕其中心的桅杆旋转，改变三 角帆的方向，兼顾太阳直射方向和风向，以风帆形式辅助无人船前进。

本发明的无人船具有控制与导航功能，能够自动根据风向、风力和太阳光 强度自动调整三角帆方向；能够控制舵调整无人船的航向，实现无人船沿设定 方向前进。

本发明具有以下优点：

所述的海洋可再生能源驱动的无人船，使用波浪能、风能和太阳能这三种 海洋可再生能源，具有普适性，且清洁持久，能够在大部分海域应用，使无人 船具有长续航能力。本发明的皮囊状、楔形船体，充分利用波浪能实现船体的 吸水与喷水，不断推动无人船前进，原理上不消耗其它能量而实现船体驱动。 本发明使用装有太阳能电池板的三角帆，既实现风能利用，又可实现电力吸收， 一举两得。本发明是一种可用于长期海洋监测的平台，能够解决目前无人船续 航时间短的问题，有利于长期海洋观测任务的开展。其结构合理紧凑、成本低， 也解决了大船无法进入海域的相关海洋测量。

附图说明

图1是本发明的无人船主体示意图；

图2是本发明的船体总体结构示意图(不包括三角帆)；

图3是本发明的波浪驱动示意图；

图4是本发明的无人船受波浪作用示意图。

其中，1三角帆，2船体，3桅杆，4弹簧，5重块，6甲板，7左侧软 板，8排水口，9后侧软板，10船底，11浮体，12右侧软板，13入水口， 14电源，15控制与导航系统，16波浪驱动装置，17波浪，18波峰，19波 谷，20太阳能电池板

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2，本发明包括由甲板6和船底10构成的船体2、三角帆1、桅杆 3、船体2内的控制与导航系统15与电源14和波浪驱动装置16，其特征在于 上述的船体2的内部还包括有固定在甲板6之下重块5、固定在船底10上的浮 体11以及重块5与浮体11之间有弹簧4支撑，且重块5，弹簧4和浮体11的 连线中心与船体重心垂直轴重合，且船体2是由甲板6、船底10与左侧软板7、 右侧软板12、后侧软板9构成的一个类皮囊状、楔形船体，在波浪平静的情况 下，弹簧4能够支撑起重块5，使船体2呈支撑状态。

所述的左侧软板7、右侧软板12和后侧软板9是能够弯曲变形的软的弹性 片体，并在甲板6上放置太阳能电池板。

如图3所示，本发明上述的波浪驱动装置16是一个包括船底10前部设有 的一个入水口13，后侧软板9设有两个出水口8，以喷水的方式为无人船提供 前进动力。当波浪驱动装置16由压缩状态变为支撑状态时，水从入水口13沿 箭头方向进入，船体2内充满水。当波浪驱动装置16由支撑状态变为压缩状态 时，水从两个排水口8沿箭头方向喷出，形成推进力，推动无人船前进。

如图4，在存在波浪17的情况下，当船体2从波峰18向波谷19下落过程 中，由于弹簧4的作用，船体2呈现支撑状态，水从入水口13进入，完成吸水 过程。当船体下落至波谷19时，由于船体失重，以及重块5的惯性运动，波浪 对船底10的减速作用，完成对船体2的压缩，如图4所示，船体2的厚度减小， 水从后侧软板9的两个排水口8喷出，形成喷水推进，推动无人船前进。当船 体2波谷19运动到波峰时，因为波浪的升力和重块5的作用，船体2将保持挤 压状态，重新进入下一个吸水喷水周期。如此周而复始，波浪驱动装置16将利 用波浪势能转化为流体机械能，作为无人船动力驱动能源。甲板6上也覆盖有 太阳能电池板20，吸收太阳能存储于电源14。电源14和控制与导航系统15安 装于船底之上，并考虑平衡性，通常对称安装于船体内部。电源14和控制与导 航系统15安装于船底之上，并考虑平衡性，通常对称安装于船体内部。

本发明的甲板6和船底10呈等腰三角形，甲板6和船底10的腰长与底边 的比例均大于1.5而小于2，底边长范围为1-1.5米，腰长范围为1.5-3米，船体 2的高度范围为0.3-0.5米。

本发明的左侧软板7、右侧软板12和后侧软板9是橡胶片或PVC板制成。

本发明的甲板6和船底10是由玻璃钢或不锈钢板或硬塑料板制成。

本发明的三角帆1的表面的安装太阳能电池板20，吸收的太阳能存储于电 源14，为无人船的控制与导航系统15和搭载的其它传感器供电。又利用三角 帆1作为风帆，并可绕桅杆3改变与风的作用方向，辅助无人船前进。因为三 角帆1具有吸收太阳能和风力应用两种功能，所以其方向转动将兼顾太阳能和 风能的利用效率，具体控制策略为：当风速低于或等于3~4级，无人船控制与 导航系统15将控制三角帆1转向太阳方向，且兼顾不会增加风阻力，主要功能 是吸收太阳能；当风速高于3~4级时，无人船控制与导航系统15将根据风向控 制三角帆角度，利用风力驱动无人船。利用控制与导航系统15控制舵实现无人 船按预定航向前进。