無人艇風力推進/發電裝置的設計與試驗研究

柯赟 胡以懷 袁春旺

摘 要：水面無人艇在現代生活中扮演著不可或缺的角色，但其續航能力欠佳影響其發展進程。本文基于風力機轉化風能為機械能的模型，將風力機與盤式發電機相結合能夠高效利用風能。根據風速不同，無人艇可處于三種推進模式。通過風機和發電機將風能轉化成機械能和電能，并將風機與螺旋槳機械連接形成推進-發電裝置。通過控制系統，無人艇能夠在各種風速條件下運行，并且能夠保證無人艇有充足的續航能力，達到高效節能和環境友好的效果。

關鍵詞：無人艇；風力機；推進-發電；續航

中圖分類號：U675.5 文獻標識碼：A

Abstract： The water surface unmanned boat plays an indispensable role in modern life， but its endurance ability affects the task process. Based on the model of wind turbine converting wind energy into mechanical energy， the combination of wind turbine and disc generator can effectively utilize wind energy. According to the wind speed， the unmanned boat can be in three propulsion modes. Wind energy will be converted into mechanical energy and electricity by a fan and a generator， and the fan and propeller will be connected to form a propulsion-generating device. By a control system， the unmanned boat can run under various wind conditions， and uninterrupted task process can be ensured with plenty of battery life， and high efficiency， energy saving and environmental friendly results are achieved.

Key words： Unmanned boat； Wind turbine； Propulsion-power generation； Endurance

1 前言

水面無人艇（USV）發展至今雖然已有70多年的歷史，但相對于無人機、無人車系統，水面無人艇還是一個較為落后的無人系統平臺。水面無人艇是指可由水面艦船或者岸基布放回收，以半自主或全自主方式在水面航行的無人化、智能化作業平臺。與傳統水面艦船相比，水面無人艇具有如下的優勢[1-4]。

（1）小型輕量、反應快速。水面無人艇主要尺度和排水量均不大，總長在6～20 m的最為常見；

（2）機動靈活、適應性強。水面無人艇具有較小的排水量、較淺的吃水，特別適合在淺水區域活動作業，且可以更好地適應海況干擾所產生的影響；

（3）艦型豐富。由于無人艇不需要考慮船員的適居性設計問題，船型可以更加自由靈活；

（4）推進方式多樣。除了傳統的艦船推進方式，還可以采用全電力推進和利用太陽能、風能和海洋能等環保能源的推進方式。

目前，美、英、法、以色列、日本等國都在研發先進的水面無人艇。從發展現狀來看，無人艇的用途多種多樣，不局限于軍事用途，在民用上也凸顯出很大的優越性。

但是，現有的各種類型的無人艇都有一個共同的缺陷——續航能力欠佳。海上的風能取之不盡、用之不竭，利用風能可為無人艇提供持續不斷的能源，只要無人艇不出現故障就能夠一直執行任務，不需要進行燃料補給。本文提出利用升、阻組合式垂直軸風力機帶動發電機和螺旋槳，完全依靠風能進行推進，并且能夠發電供其它裝置所需。

2 裝置設計

采用達里厄型垂直軸風力機，可利用來自全方位的360°風能，大大提高風能利用率；并且利用永磁盤式發電機，使發電裝置體積降到最小，維修管理方便簡單；垂直軸風機的主軸與螺旋槳軸連接，風機直接帶動螺旋槳轉動。

因為要實現風力機發電與驅動兩個功能，故整個裝置分兩部分進行設計：（1）風力機發電部分，進行風能→機械能→電能轉換；（2）螺旋槳與尾軸傳動部分，將風力機主軸機械能或電動機提供的機械能→螺旋槳旋轉推力。

風力機固定在船舶主甲板，在甲板下風力機主軸上安裝盤式永磁發電機、制動裝置和連接斜齒；尾軸末端連接螺旋槳，中段由推力軸承支撐；前端安裝連接斜齒，與風力機主軸的連接斜齒進行嚙合，以此完成兩部分的結合，如圖1所示。

對風力發電機空載和負載兩種情況進行實驗，分如下三種運行模式：

（1） 推進——發電模式

當風力機轉速n>250 r/min時，此裝置切換至推進—發電模式。啟動制動裝置，使風力機停止，推動裝置推動連接齒輪下移與螺旋槳裝置部分斜齒嚙合；松開制動裝置，風力機恢復轉動，此時該裝置既能帶動盤式發電機進行發電向船舶供電，又能帶動螺旋槳旋轉使船舶產生推力航行。

（2） 發電模式

當風力機轉速：100 r/min

（3） 電力推進模式

當風力機轉速n<100 r/min時，此裝置切換至電力推進模式。啟動制動裝置，風力機停止，控制器使蓄電池電能反向輸入到發電機中；松開制動裝置，風力機恢復轉動，此時發電機變為電動機帶動螺旋槳推進，此時為低速模式。

自動控制系統組成，見圖2。

設計無人艇長L=6.00 m、艇寬B=2.08 m、型深D=1.60 m、設計吃水t=0.48 m，靜止在水中的滿載排水水量Δ=1.85 t。

3 試驗裝置

3.1 風機

垂直軸風力機和水平軸風力機相比，結構更加簡單、維護更加方便、風機噪音更小，形式更加優美，而風能利用率與水平軸風力機大致相同（約40%）。升力型垂直軸風力機相對于阻力型風力機轉速較高、旋轉慣性大、適用范圍廣、抗風能力強。

選用Φ型風機，由于其自啟動能力較差，需要再安裝一個阻力型風力機降低啟動風速。為了避免阻力型風力機在較高風速下對主體風機的影響，阻力型風力機需要通過超越離合器與主體風力機相連。

3.2 非接觸型超越離合器【6】

非接觸型超越離合器，如圖3，包含一內環及外環。螺旋形S型垂直軸風力機包含一風力機中心軸，并通過該中心軸與非接觸型超越離合器的內環連接；Φ型垂直軸風力機位于所述螺旋形S型垂直軸風力機的下方，其一端連接非接觸型超越離合器的外環，另一端連接盤式發電機和連接斜齒與螺旋槳連接。

在風力作用下，螺旋形S型垂直軸風力機帶動非接觸型超越離合器轉動，非接觸型超越離合器帶動Φ型垂直軸風力機啟動，Φ型垂直軸風力機在風速較大情況下會自動啟動，但其轉動不會影響到螺旋形S型垂直軸風力機的阻礙影響。

3.3 盤式永磁發電機[7]

盤式電機定轉子是圓盤式結構平行安裝，結構緊湊具有較大的定轉子半徑，容易設計成多極電機，適合低速大轉矩場合，轉矩密度大、軸向長度短，可以采用直接驅動方式。特別是隨著高性能永磁材料的發展，采用永磁體勵磁，無需額外的勵磁電流，適合獨立運行。因此，盤式永磁同步電機特別適合作為幾百瓦到幾千瓦的小型直驅風力發電機。

由于永磁盤式發電機結構簡單、可靠性高、啟動轉矩低、額定轉速低、體積小、重量輕、比功率大、效率高、中、低速發電性能好、采用自啟動式穩壓器無需外加勵磁電源，在功率等級相同的情況下，永磁式發電機比勵磁式發電機的輸出功率高一倍，因此永磁盤式發電機更適用于在垂直風力機使用。

采用雙外轉子、內定子的200 W的盤式發電機進行試驗，如圖4。

根據試驗結果分析得出：此裝置進行無人艇的推進—發電完全滿足要求。由圖5可以看出，單獨使用垂直軸風力發電機轉速比垂直軸風力機與盤式發電機聯合裝置高，因為盤式發電機發電時會給垂直風力機反向的阻力，使轉速減小。

風速與功率的關系式為

由圖6可以看出：單獨利用垂直軸風力機發電功率不如垂直軸風力機與盤式發電機聯合裝置發電總功率，因此聯合裝置能夠提供更充足的動力。

4 結論

通過對風力機的葉片轉速試驗，將不帶發電機裝置與帶發電機裝置進行對比，得出單獨垂直軸發電機的功率比風力機-盤式發電機聯合裝置的功率低。而且推進-發電裝置能夠根據風速的變化，相應的改變供能方式，確保在任意風速情況下無人艇能夠順利執行任務。改進之處是斜齒齒輪比需要進行重復試驗，確定最佳齒輪比，讓風力機的轉速更高效地轉化為推進的機械能。

另外，還可以考慮將固定槳替換成可調槳連接，適合風力大小多變的船舶航速控制，更有效地利用風能。

目前，無人艇在多個領域都發展迅猛，無論在環保、搜救、水產、軍用方面，無人艇的應用都取得了一定成功。未來，無人艇的應用領域將越來越廣泛，將扮演更加重要的角色。

但目前大多數無人艇的推進方式仍采用柴油機推進，需攜帶適量的燃料，續航能力難以保證。本裝置完全利用風能，沒有任何污染氣體或廢物排出，并且能夠有效處理續航問題，適用于無人艇今后的發展趨勢。

參考文獻

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[5]蘇紹禹，蘇剛.風力發電機組設計、制造及風電場設計、施工[M].北京機械工業出版社， 2013.

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