[发明专利]一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船及其控制方法

权利要求书

1.一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，包括控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统、传感器组和船体，其特征在于：所述控制系统包括硬件控制器和上位机；所述风能动力系统包括可折叠太阳能翼帆、桅杆控制装置和桅杆；所述储能系统包括风力发电装置和电池组；所述电驱动系统包括驱动电机、螺旋桨和舵机；所述控制系统、风能动力系统、储能系统、电驱动系统均布置在船体上。

2.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于所述传感器组包括帆角检测仪、位姿检测仪、多普勒计程仪、风速感应器、风向感应器、光照度传感器、水流速度传感器、水流方向传感器和位置传感器；其中帆角检测仪设置在桅杆底部、位姿检测仪设置在船体艏部，光照度传感器、风速感应器和风向感应器设置在桅杆顶部上；水流速度和方向传感器设置在船底部；上述传感器与硬件控制器之间通过电连接或无线网络相连，实时上传数据。

3.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述太阳能翼帆为可折叠设计，由支撑层、光电转换层和透明保护层组成，用以捕获风能前进和转化太阳能为电能。

4.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述桅杆控制装置包括桅杆折叠机构和桅杆转向控制机构；桅杆折叠机构利用电机带动丝杠，使桅杆折叠和立起，同时实现太阳能帆的收帆和放帆；桅杆转向控制机构包括旋转底座和旋转电机，在硬件控制器的指令下执行动作。

5.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述桅杆的形式为塔形桅杆，桅杆的底部固连在旋转底座上，所述旋转底座转动设置在船体上，所述直流电机通过传动机构和旋转底座传动连接，控制桅杆的转向。

6.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述储能系统包括太阳能翼帆、风力发电装置和电池组；所述风力发电装置，设置在塔杆的顶部，塔杆固定连接在船艏；所述太阳能翼帆和风力发电装置通过逆变器与电池组的输入端电连接，使用太阳能和风能转化得到的电能给电池组充电；所述电池组的输出端分别与传感器组、电驱动系统和控制系统电连接，进行供电。

7.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述电驱动系统包括驱动电机、螺旋桨和舵机；所述驱动电机的转轴上设置螺旋桨。

8.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述船体包括甲板、船舱和上层建筑；甲板以下布置有电气设备舱和电机舱；船舱外面贴在太阳能薄膜。

9.根据权利要求8所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述船舱的底部设有电池舱和推进舱；推进舱设有驱动电机和舵机；电池舱放置锂电池组和电容，储存太阳能薄膜转化的电能，同时发挥压舱作用；锂电池的布置采用仿形设计，以达到在有限空间里尽可能多的布置电池的目的。

10.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于,所述硬件控制器通过电路桅杆控制装置、电驱动系统连接，通过电路或无线网络连接至传感器组。

11.根据权利要求1所述的一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船，其特征在于所述上位机与硬件控制器通过电连接或者网络连接，读取硬件控制器采集到传感器组上传的数据，给硬件控制器发送电机需要执行的指令。

12.一种使用风能太阳能复合驱动的新能源帆船的控制方法，应用于如权利要求1-11所述的新能源帆船，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

步骤1：上位机通过硬件控制器读取传感器组采集船的位姿位置信息、帆的朝向信息、水流、风的数据信息和当前的位置信息及设定的终点信息；

步骤2：上位机根据风速、风向、太阳照度、时间、水流速度、水流方向、当前位置信息和终点位置信息自主规划路径，通过控制桅杆和舵机，实现对新能源帆船的航迹、航速和能量的控制；

步骤3：通过风能动力系统、储能系统、电驱动系统进行新能源帆船动力供应：

步骤3-1：在顺风且风速较大时，上位机关闭电驱动系统，新能源帆船利用风能带动太阳能翼帆产生前进动力；利用传感器采集到的水流方向、水流速度、风向和风速及终点位置方向，使用力的平行四边形法则，确定最优的太阳能帆的方向；

步骤3-2：当新能源帆船前进时，剩余的风能带动风力发电装置发电，将所发的电能储存到储能装置中；同时太阳能翼帆吸收光能转化成电能，将电能储存到储能装置中；

步骤3-3：在顺风且风速较低时，利用太阳能翼帆吸收光能转化成电能，将电能储存到储能装置中；利用风能带动太阳能翼帆产生一定前进动力；通过储存的电能能来维持系统稳定航行；利用传感器采集到的水流方向、水流速度、风向和风速及终点位置方向，使用力的平行四边形法则，确定最优的太阳能帆的方向和舵机的方向；

步骤3-4：在无风或逆风时，收起太阳能帆，通过储存的电能能来维持系统稳定航行；上位机利用传感器采集到的水流方向、水流速度及终点位置方向，使用力的平行四边形法则，确定最优的舵机方向，然后通过硬件控制器控制舵机的转向。