无人艇风力推进/发电装置的设计与试验研究

柯赟 胡以怀 袁春旺

摘 要：水面无人艇在现代生活中扮演着不可或缺的角色，但其续航能力欠佳影响其发展进程。本文基于风力机转化风能为机械能的模型，将风力机与盘式发电机相结合能够高效利用风能。根据风速不同，无人艇可处于三种推进模式。通过风机和发电机将风能转化成机械能和电能，并将风机与螺旋桨机械连接形成推进-发电装置。通过控制系统，无人艇能够在各种风速条件下运行，并且能够保证无人艇有充足的续航能力，达到高效节能和环境友好的效果。

关键词：无人艇；风力机；推进-发电；续航

中图分类号：U675.5 文献标识码：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

水面无人艇（USV）发展至今虽然已有70多年的历史，但相对于无人机、无人车系统，水面无人艇还是一个较为落后的无人系统平台。水面无人艇是指可由水面舰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无人化、智能化作业平台。与传统水面舰船相比，水面无人艇具有如下的优势[1-4]。

（1）小型轻量、反应快速。水面无人艇主要尺度和排水量均不大，总长在6～20 m的最为常见；

（2）机动灵活、适应性强。水面无人艇具有较小的排水量、较浅的吃水，特别适合在浅水区域活动作业，且可以更好地适应海况干扰所产生的影响；

（3）舰型丰富。由于无人艇不需要考虑船员的适居性设计问题，船型可以更加自由灵活；

（4）推进方式多样。除了传统的舰船推进方式，还可以采用全电力推进和利用太阳能、风能和海洋能等环保能源的推进方式。

目前，美、英、法、以色列、日本等国都在研发先进的水面无人艇。从发展现状来看，无人艇的用途多种多样，不局限于军事用途，在民用上也凸显出很大的优越性。

但是，现有的各种类型的无人艇都有一个共同的缺陷——续航能力欠佳。海上的风能取之不尽、用之不竭，利用风能可为无人艇提供持续不断的能源，只要无人艇不出现故障就能够一直执行任务，不需要进行燃料补给。本文提出利用升、阻组合式垂直轴风力机带动发电机和螺旋桨，完全依靠风能进行推进，并且能够发电供其它装置所需。

2 装置设计

采用达里厄型垂直轴风力机，可利用来自全方位的360°风能，大大提高风能利用率；并且利用永磁盘式发电机，使发电装置体积降到最小，维修管理方便简单；垂直轴风机的主轴与螺旋桨轴连接，风机直接带动螺旋桨转动。

因为要实现风力机发电与驱动两个功能，故整个装置分两部分进行设计：（1）风力机发电部分，进行风能→机械能→电能转换；（2）螺旋桨与尾轴传动部分，將风力机主轴机械能或电动机提供的机械能→螺旋桨旋转推力。

风力机固定在船舶主甲板，在甲板下风力机主轴上安装盘式永磁发电机、制动装置和连接斜齿；尾轴末端连接螺旋桨，中段由推力轴承支撑；前端安装连接斜齿，与风力机主轴的连接斜齿进行啮合，以此完成两部分的结合，如图1所示。

对风力发电机空载和负载两种情况进行实验，分如下三种运行模式：

（1） 推进——发电模式

当风力机转速n>250 r/min时，此装置切换至推进—发电模式。启动制动装置，使风力机停止，推动装置推动连接齿轮下移与螺旋桨装置部分斜齿啮合；松开制动装置，风力机恢复转动，此时该装置既能带动盘式发电机进行发电向船舶供电，又能带动螺旋桨旋转使船舶产生推力航行。

（2） 发电模式

当风力机转速：100 r/min

（3） 电力推进模式

当风力机转速n<100 r/min时，此装置切换至电力推进模式。启动制动装置，风力机停止，控制器使蓄电池电能反向输入到发电机中；松开制动装置，风力机恢复转动，此时发电机变为电动机带动螺旋桨推进，此时为低速模式。

自动控制系统组成，见图2。

设计无人艇长L=6.00 m、艇宽B=2.08 m、型深D=1.60 m、设计吃水t=0.48 m，静止在水中的满载排水水量Δ=1.85 t。

3 试验装置

3.1 风机

垂直轴风力机和水平轴风力机相比，结构更加简单、维护更加方便、风机噪音更小，形式更加优美，而风能利用率与水平轴风力机大致相同（约40%）。升力型垂直轴风力机相对于阻力型风力机转速较高、旋转惯性大、适用范围广、抗风能力强。

选用Φ型风机，由于其自启动能力较差，需要再安装一个阻力型风力机降低启动风速。为了避免阻力型风力机在较高风速下对主体风机的影响，阻力型风力机需要通过超越离合器与主体风力机相连。

3.2 非接触型超越离合器【6】

非接触型超越离合器，如图3，包含一内环及外环。螺旋形S型垂直轴风力机包含一风力机中心轴，并通过该中心轴与非接触型超越离合器的内环连接；Φ型垂直轴风力机位于所述螺旋形S型垂直轴风力机的下方，其一端连接非接触型超越离合器的外环，另一端连接盘式发电机和连接斜齿与螺旋桨连接。

在风力作用下，螺旋形S型垂直轴风力机带动非接触型超越离合器转动，非接触型超越离合器带动Φ型垂直轴风力机启动，Φ型垂直轴风力机在风速较大情况下会自动启动，但其转动不会影响到螺旋形S型垂直轴风力机的阻碍影响。

3.3 盘式永磁发电机[7]

盘式电机定转子是圆盘式结构平行安装，结构紧凑具有较大的定转子半径，容易设计成多极电机，适合低速大转矩场合，转矩密度大、轴向长度短，可以采用直接驱动方式。特别是随着高性能永磁材料的发展，采用永磁体励磁，无需额外的励磁电流，适合独立运行。因此，盘式永磁同步电机特别适合作为几百瓦到几千瓦的小型直驱风力发电机。

由于永磁盘式发电机结构简单、可靠性高、启动转矩低、额定转速低、体积小、重量轻、比功率大、效率高、中、低速发电性能好、采用自启动式稳压器无需外加励磁电源，在功率等级相同的情况下，永磁式发电机比励磁式发电机的输出功率高一倍，因此永磁盘式发电机更适用于在垂直风力机使用。

采用双外转子、内定子的200 W的盘式发电机进行试验，如图4。

根据试验结果分析得出：此装置进行无人艇的推进—发电完全满足要求。由图5可以看出，单独使用垂直轴风力发电机转速比垂直轴风力机与盘式发电机联合装置高，因为盘式发电机发电时会给垂直风力机反向的阻力，使转速减小。

风速与功率的关系式为

由图6可以看出：单独利用垂直轴风力机发电功率不如垂直轴风力机与盘式发电机联合装置发电总功率，因此联合装置能够提供更充足的动力。

4 结论

通过对风力机的叶片转速试验，将不带发电机装置与带发电机装置进行对比，得出单独垂直轴发电机的功率比风力机-盘式发电机联合装置的功率低。而且推进-发电装置能够根据风速的变化，相应的改变供能方式，确保在任意风速情况下无人艇能够顺利执行任务。改进之处是斜齿齿轮比需要进行重复试验，确定最佳齿轮比，让风力机的转速更高效地转化为推进的机械能。

另外，还可以考虑将固定桨替换成可调桨连接，适合风力大小多变的船舶航速控制，更有效地利用风能。

目前，无人艇在多个领域都发展迅猛，无论在环保、搜救、水产、军用方面，无人艇的应用都取得了一定成功。未来，无人艇的应用领域将越来越广泛，将扮演更加重要的角色。

但目前大多数无人艇的推进方式仍采用柴油机推进，需携带适量的燃料，续航能力难以保证。本装置完全利用风能，没有任何污染气体或废物排出，并且能够有效处理续航问题，适用于无人艇今后的发展趋势。

参考文献

[1]尚燕丽. 海军发展无人作战平台的需求、现状与展望 [J].国防技术基础，2009.1.

[2]YAN R J ，PANG S ，SUN H B， ，development and missions of unmanned surface vehicle[J].Journal of Marine Science and Application.2010.9（4）.

[3]MANLEY J E .Unmanned surface vehicles 15 years of development [C]//Oceans Canada， 2008（1-4）.

[4]宋磊.國外无人艇未来发展及关键技术[J].军事文摘，2015.13.

[5]苏绍禹，苏刚.风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工[M].北京机械工业出版社， 2013.

[6]金浩，胡以怀，冯是全.一种电磁阻尼型风力制热装置.中国发明专利，201510296430.7[P].

[7]唐任远等著.现代永磁电机 理论与设计[M]，1997.