本發(fā)明屬于船舶節(jié)能技術領域，特別涉及一種太陽能風帆船用節(jié)能自動助航控制方法
，太陽能風帆船用節(jié)能自動助航控制方法是一整套集成系統(tǒng)，集成了多級可伸縮金屬或高分子材料鋼性太陽能風帆、船用級太陽能電池薄膜、儲能模塊、環(huán)境數(shù)據采集及處理和運轉控制計算機等，本系統(tǒng)的獨特功能是可以同時利用太陽能和風能，更大程度地減少對傳統(tǒng)的能源的依賴，使船舶進入可再生能源領域。
背景技術：
太陽能取之不盡、用之不絕，是重要的可再生能源，在后化石燃料時代太陽能將成為最主要的自然能源之一。而且，除核能以外，可以說地球上一切能源都直接或間接地來自太陽能。盡管太陽能技術在日常生活中已得到廣泛應用，但將其作為交通運輸工具的動力能源研究起步較晚，太陽能作為船舶航行的動力能源研究還較薄弱，其實際應用還不廣泛，可謂是剛起步，尤其是作為大型遠洋航行船舶的動力能源研究更是薄弱。
風力資源作為新能源的一種，具有儲量巨大、分布廣泛、清潔、可再生等諸多優(yōu)點。風動力作為船舶推進動力具有悠久的歷史，從帆船的產生到發(fā)展，風力資源一直扮演著重要的角色。如果現(xiàn)代遠洋船舶能夠合理地利用風能資源，則無疑會大幅降低船運油耗、減少CO2排放量，產生良好的經濟效益和社會效益。
太陽能目前在船舶領域的應用主要為大面積鋪設太陽能電池板，對船型有極為特殊的要求，普通貨船在滿足商業(yè)運行的前提下并沒有足夠的面積用來鋪設太陽能板，傳統(tǒng)風帆作為海上遠洋船舶推進手段時，存在效率較低、裝置收放不便、影響船舶駕駛、通航限制等諸多不利因素，大大制約了現(xiàn)代風帆船舶的工程應用前景。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明專利的目的就是在理論分析、模型試驗、數(shù)值計算分析的基礎上，開展太陽能電池薄膜與金屬鋼性風帆系統(tǒng)相結合的設計與制造關鍵技術、太陽能電池-儲能-風帆-推進-操縱系統(tǒng)聯(lián)合控制關鍵技術。太陽能風帆項目的完成可實現(xiàn)太陽能、風能在船舶節(jié)能助航領域關鍵技術的突破，并為太陽能、風能助推綠色船舶技術的發(fā)展、工程應用及產業(yè)化邁出重要的一步。
本發(fā)明在船舶左右舷或船舯各布置一臺或多臺風帆（布置可根據實船狀況確定），太陽能風帆為“天線”式可伸縮金屬鋼性帆，非晶硅太陽能電池薄膜包裹在風帆表面。
太陽能風帆船用節(jié)能自動助航控制方法中的太陽能電池薄膜持續(xù)產生電能，并存儲到儲能模塊用于啟動太陽能風帆系統(tǒng)及支持系統(tǒng)運行，系統(tǒng)中的航向、風速、風向感應器采集信號發(fā)送至上位機，上位機根據信號自動計算，若當前海況滿足風帆使用條件運轉控制計算機會自動開啟驅動泵組并優(yōu)先向應急操作系統(tǒng)充能，應急操作系統(tǒng)傳感器滿載壓力信號傳至上位機后，運轉計算機自動控制太陽能風帆由回收狀態(tài)轉向工作狀態(tài)，太陽能風帆逐級升高并回轉到上位機計算出的最佳角度位置后由抱閘及平衡閥等組件固定在工作位，驅動泵組高功耗設備自動停機以降低能耗。系統(tǒng)每10分鐘檢測一次航向、風速、風向等信號并自動計算分析，根據分析結論自動調整風帆角度。若系統(tǒng)傳感器傳輸?shù)较到y(tǒng)中的環(huán)境參數(shù)、當前海況不滿足風帆使用條件運轉控制計算機會自動控制太陽能風帆回收。若持續(xù)的惡劣天氣后儲能模塊不足以支持系統(tǒng)工作，運轉計算機會自動切換到船用電源。太陽能風帆中的應急控制系統(tǒng)可在失電或有突發(fā)狀況自動控制失效的情況下可用應急控制系統(tǒng)回收太陽能風帆。
本發(fā)明太陽能風帆為金屬或高分子材料的鋼性帆，其結構由承載梁、不銹鋼框體及耐腐蝕金屬材質為蒙皮構造而成，非晶硅太陽能電池薄膜貼附在太陽能風帆表面，采用大容量高輸出的儲能裝置儲存太陽能轉化的電能。 太陽能電池薄膜將太陽能轉化為電能并存儲在高輸出儲能模塊中，運轉控制計算機會根據環(huán)境參數(shù)啟動驅動泵組，在太陽能風帆運行到助航角度自動關閉驅動泵組，整套系統(tǒng)以“時間換能量”的方式運行，并能將多余電能供給船舶上其他設備。
具體實施方式
太陽能風帆船用節(jié)能自動助航控制方法，包括太陽能風帆、信號采集系統(tǒng)、應急操作系統(tǒng)、運轉控制計算機、上位機、驅動泵組以及儲能模塊，所述太陽能風帆布置在船舶左右舷或船舯位置，太陽能風帆為“天線”式可伸縮金屬鋼性帆，太陽能風帆表面包裹有非晶硅太陽能電池薄膜，太陽能電池薄膜持續(xù)產生電能，并存儲到儲能模塊；所述的信號采集系統(tǒng)包括航向感應器、風速感應器、風向感應器，采集的信號發(fā)送至上位機，上位機根據信號自動計算，若當前海況滿足太陽能風帆使用條件時，運轉控制計算機會自動開啟驅動泵組并優(yōu)先向應急操作系統(tǒng)充能，應急操作系統(tǒng)傳感器滿載壓力信號傳至上位機后，運轉控制計算機自動控制太陽能風帆由回收狀態(tài)轉向工作狀態(tài)，太陽能風帆逐級升高并回轉到上位機計算出的最佳角度位置后由抱閘及平衡閥等組件固定在工作位，驅動泵組自動停機以降低能耗。
所述的信號采集系統(tǒng)每10分鐘檢測一次航向、風速、風向等信號并以調整風帆角度。
所述的航向、風速、風向信號的參數(shù)不滿足太陽能風帆使用條件，運轉控制計算機會
自動控制太陽能風帆回收。
所述的儲能模塊經持續(xù)惡劣天氣不足以支持系統(tǒng)工作，運轉控制計算機會自動切換到
船用電源。
所述的應急控制系統(tǒng)在自動控制失效的情況下完成太陽能風帆的回收。
下面結合具體技術指標對本發(fā)明作進一步說明：
1）太陽能風帆氣動特性
太陽能風帆助航的主要內容包括升力、阻力、推力、側向力和橫傾力矩特性等氣動特性。影響太陽能風帆氣動特性的因素主要有太陽能風帆形狀、展弦比、拱度、前緣半徑、桅桿、船體上層建筑及大氣梯度等。太陽能風帆的氣動特性可通過試驗或理論計算確定。風帆的空氣動力性能在許多方面與機翼相仿，當風帆以某一攻角對風時，帆上作用有升力和阻力，它們隨攻角而變。升力與帆面拱度密切相關，阻力則與帆面質量、帆后流動分離等因素有關。小攻角時，升力隨攻角增加而增加，在某一攻角時達到最大值；此后，攻角的增加使得升力下降、阻力激增。風帆的推力是升力和阻力在船前進方向分力的合力，在某些情況下，如順風航行，帆的阻力表現(xiàn)為帆的推力。因此，不僅要使帆在中等攻角下有較大的升力，還要使帆在大攻角時有較大的阻力，才能使船舶獲得較大的推力
2）太陽能風帆材質
翼面材料為耐腐蝕金屬薄板或高分子材料，具有輕便及抗銹蝕作用，翼面光潔，外形美觀大方。風帆承載立柱滿足相應的力學強度要求。
3）太陽能電池薄膜
太陽能風帆表面太陽能電池薄膜為非晶硅太陽能電池薄膜，厚度、可彎曲性極適用于太陽能風帆帶線型的表面。非晶硅太陽能電池薄膜的高溫性能也非常適用在船舶甲板上的環(huán)境，最佳輸出功率受溫度影響較小。非晶硅材料的吸收系數(shù)在整個可見光范圍內，弱光響應好，充電效率高
4）儲能模塊
采用大容量高輸出功率的儲能裝置，且整個系統(tǒng)最高功耗的泵組的工作特性為響應啟動、短時工作，儲能模塊的應用為“以時間換取能量“，該模塊儲蓄的太陽能轉換而來的電能還能有富余供應給船舶其他設備。
5）承力
風帆要求在一定風速下能夠實現(xiàn)正常的收放、轉動作業(yè)。風帆表面壓力分布估算結果表明，風帆需承受局部風載一定壓強值。風帆樣機各部分構件強度、剛度的設計和加工根據上述風載特性，并留有一定的裕度，以滿足一定風速下，風帆樣機的正常作業(yè)要求。
選擇用于軸向伸縮的液壓缸布放位置時，液壓缸承力特性、有效收縮距離、液壓裝置的拆裝及維修等問題。安裝在風帆內部的液壓缸，僅用于軸向伸縮運動控制，不承受橫向力及扭力作用。由主、副升降立柱內置可調節(jié)導軌承載工作狀態(tài)下的橫向力及扭力作用。
根據風帆各伸縮段受力特點（抗彎、抗扭），設計了有效的承力機械結構，并設置了可靠的受力保護裝置。以避免由于風載作用力過大造成整個機械結構的變形，而影響整個風帆樣機的正常升降。
6）裝拆
風帆系統(tǒng)應為套桿結構具有較好的維護性能，各組件容易拆裝及更換，非晶硅太陽能
電池薄膜貼附簡單，且具有很好的彎曲性，更換也非常容易。
7）數(shù)據采集系統(tǒng)
風帆系統(tǒng)為計算機智能控制，在風帆機械上安裝了一定的數(shù)據采集裝置，以作為控制器的輸入信號。使控制器根據項目組預先編制的控制策略程序，輸出控制信號，實現(xiàn)風帆智能轉動、升降的目標。