基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說(shuō)明書）
基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說(shuō)明書）,基于,可再生能源,海洋,載運(yùn),裝置,設(shè)計(jì),分析,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說(shuō)明書,仿單
波浪滑翔機(jī)：一種波浪驅(qū)動(dòng)的海洋自主運(yùn)載工具
Roger Hine, Scott Willcox, Graham Hine, and Tim Richardson
Liquid Robotics, Incorporated
1901 Embarcadero Rd., Suite 106
Palo Alto, CA 94303
摘要
波浪滑翔機(jī)是一種新型的自主海洋運(yùn)載工具，它的獨(dú)特性在于具有能利用海洋波浪能直接作為平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的能力。本文概述了波浪滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，并且提出了我們制造的幾種樣機(jī)和當(dāng)前一代的滑翔機(jī)產(chǎn)品通過(guò)大量海試得出的測(cè)試結(jié)果。裝置的表現(xiàn)情況在各種海洋環(huán)境條件下得到了描述。裝置完成長(zhǎng)時(shí)間大范圍任務(wù)的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性也已經(jīng)得到驗(yàn)證。裝置的自動(dòng)控制架構(gòu)，也可以解釋為監(jiān)測(cè)平臺(tái)作為外部控制和基于web的接口。最后，我們討論了幾種當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出的或者正在開發(fā)的這種裝置。
介紹
波浪滑翔機(jī)是一種新型的波浪驅(qū)動(dòng)、持續(xù)工作的海洋機(jī)構(gòu)。Roger Hine，這種機(jī)構(gòu)的主要發(fā)明人和Liquid Robotics公司的CEO，在2005年就開始了波浪滑翔機(jī)的開發(fā)工作，夢(mèng)想著設(shè)計(jì)一種新型的無(wú)需昂貴的深水錨或者船來(lái)運(yùn)作的海洋監(jiān)測(cè)裝置。受到起初樣機(jī)設(shè)計(jì)的立即成功的鼓勵(lì)，Hine先生和幾個(gè)同事建立了Liquid Robotics。在2007年，為了對(duì)此平臺(tái)在科研、商業(yè)和軍事方面的進(jìn)一步的發(fā)展。波浪滑翔機(jī)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于它能利用海洋中豐富的波浪能為機(jī)構(gòu)提供源源不斷的動(dòng)力。兩個(gè)太陽(yáng)能電池板為這個(gè)裝置的控制電路、信息傳輸系統(tǒng)和負(fù)載持續(xù)的充電。表一給出了第一代波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)能力等各方面的參數(shù)。
平臺(tái)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理
波浪滑翔機(jī)是由水下牽引機(jī)和通過(guò)柔性纜繩連接的水上浮體組成的雙體結(jié)構(gòu)。波浪滑翔機(jī)受到深水波浪能的驅(qū)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為向前運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力，且方向獨(dú)立于波浪運(yùn)動(dòng)的方向。圖2。波浪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純的機(jī)構(gòu)，中間沒有電能的收集與轉(zhuǎn)化。就像一架飛機(jī)在空中向前運(yùn)動(dòng)，機(jī)翼可以產(chǎn)生一個(gè)向上的升力。波浪滑翔機(jī)相對(duì)于深水的垂直運(yùn)動(dòng)可以讓它的翼板將這個(gè)向上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)向前的推動(dòng)力。當(dāng)波浪經(jīng)過(guò)其表面，水下滑翔機(jī)可以拖動(dòng)水上浮體沿著預(yù)定的方向運(yùn)動(dòng)。水上浮體與水下牽引機(jī)的分離是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。
工程樣機(jī)和第一代波浪動(dòng)力滑翔機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)完成了超過(guò)42000海里的運(yùn)動(dòng)和從2009年8月21號(hào)開始最長(zhǎng)持續(xù)247天的任務(wù)。
2.推進(jìn)性能和持續(xù)性
在海洋波浪中有易獲得的持續(xù)的能量，水下滑翔機(jī)利用這種能量可以在典型海域一到三英尺浪高的條件下保持1.5kts的平均速度。波浪滑翔機(jī)向前運(yùn)動(dòng)的速度取決于水面波浪的振幅，浮體提供的浮力和水下滑翔機(jī)的重量。波浪滑翔機(jī)的浮力和重力，纜繩的長(zhǎng)度調(diào)整保證了它無(wú)論是在平靜海域還是波浪較大的海域都可以獲得充足的波浪驅(qū)動(dòng)表現(xiàn)能力。
A.高海況
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到了承受極端海況的能力。最終，波浪滑翔機(jī)的承受能力只受它的翼板的限制，正如它的驅(qū)動(dòng)力是充分的不受限制的。在2007年的Flossie颶風(fēng)中，波浪滑翔機(jī)已經(jīng)證明了其可以承受10英尺的海浪和40+的風(fēng)速。當(dāng)時(shí)“Red Flash”號(hào)波浪滑翔機(jī)正在加利福尼亞海岸進(jìn)行調(diào)查。除了它的工程組件，波浪滑翔機(jī)同樣展現(xiàn)了它海錨的自然特性，這可以幫助它度過(guò)極端天氣。當(dāng)海面變得極度波蕩時(shí)，波浪滑翔機(jī)似乎在挖波浪一樣。浮體的浮力可以被水下滑翔機(jī)的垂直拖動(dòng)克服，并且?guī)?dòng)水上浮體穿過(guò)中間的大波浪。這種表現(xiàn)就像一個(gè)自然的統(tǒng)治者一樣把施加在機(jī)構(gòu)上的最大力限制住了。未來(lái)的設(shè)計(jì)可以通過(guò)加強(qiáng)翼板和提供一個(gè)可以限制水翼擺動(dòng)角度的機(jī)構(gòu)來(lái)突出這種特點(diǎn)?？偠灾禄铏C(jī)已經(jīng)展示了其可以在極端海況中正常運(yùn)行超過(guò)八個(gè)月的令人贊嘆的強(qiáng)度。
B.低海況
相反的非常平靜的海況也給波浪滑翔機(jī)成功的完成任務(wù)制造了挑戰(zhàn)。沒有了可以利用的波浪能，波浪滑翔機(jī)可能將不會(huì)維持制定航線，并且不可以保持它的位置。萬(wàn)幸的是，海洋極少情況下是平靜的，并且沒有多少時(shí)間可以保持這種平靜。正如在圖4里描述的一樣，波浪滑翔機(jī)已經(jīng)被設(shè)計(jì)成可以實(shí)現(xiàn)充分的前行速度，即使是在非常溫和的海況中（例如波高僅有幾英尺或更少）。即使在這些極端平靜的狀況下，波浪滑翔機(jī)也能夠維持0.25到0.5kts左右的前行速度。這個(gè)速度已經(jīng)充分允許裝置面對(duì)典型海綿狀況時(shí)保持自己的位置。
3.平臺(tái)功能
A．電池板和太陽(yáng)能
波浪滑翔機(jī)裝有665wh的可充電鋰電池用來(lái)提供勘察、控制、信息傳輸和負(fù)載等所需的能量。這個(gè)供電系統(tǒng)由七個(gè)互相隔離的智能電池組組成。只有兩個(gè)電池在任何時(shí)候都在使用，每個(gè)電池都有獨(dú)立的交換和控制模塊。波浪滑翔機(jī)的勘察、控制和信息傳輸系統(tǒng)僅需要平均約0.7w的持續(xù)的能量。波浪滑翔機(jī)在沒有電量供應(yīng)的最長(zhǎng)的任務(wù)持續(xù)時(shí)間是大約23天。如果搭載了更多負(fù)載的話，這個(gè)持續(xù)能力將會(huì)下降。
為了實(shí)現(xiàn)波浪滑翔機(jī)長(zhǎng)時(shí)序工作的設(shè)計(jì)要求，被導(dǎo)航、控制、信息傳輸所消耗的能量必須得到補(bǔ)充。為了滿足這個(gè)需求，波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝載有兩塊光伏太陽(yáng)能電池板，每塊估計(jì)可以輸出最高43w電能。但在實(shí)際中，太陽(yáng)能電池板所能輸出的電量遠(yuǎn)不足兩塊理想狀況下的86w的輸出之和。工作緯度和一年之中所處的季節(jié)對(duì)裝置中太陽(yáng)能電池板收集和轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的效率有明顯的影響。這些因素決定了一天之中太陽(yáng)光的時(shí)間和對(duì)電池板的入射角度。其他因素比如云層也會(huì)影響太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)化功率。圖5描述了一年之中和不同位置下總?cè)肷涮?yáng)能千瓦時(shí)/平方米/每天的可變的函數(shù)。（在每個(gè)位置都使用了平均氣候參考）。在低緯度地區(qū)，比如在Liquid Robotic海岸的公司中心夏威夷—整年都會(huì)保持極高的太陽(yáng)能入射總量。在高緯度地區(qū)，比如Nome, AK and Punta Arenas, Chile，一年之中會(huì)經(jīng)歷夏天的高峰值和冬天的低谷期。這里同樣也有一些其他的因素影響著太陽(yáng)能電池板的持續(xù)收集的平均能量，包括光級(jí)、溫度、著色、污垢和轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)效率等。當(dāng)把這些因素考慮在一起的時(shí)候，就顯著減少了負(fù)載可獲得的持續(xù)的能量供應(yīng)，下降了大約10瓦特。
但對(duì)于某些設(shè)備，雖然只有幾瓦特也足夠使用了—比如相機(jī)和接收器，其余的能量可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)波浪滑翔機(jī)平臺(tái)上搭載的負(fù)載的全部潛力和功能，尤其是當(dāng)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)在更高的緯度運(yùn)行的時(shí)候。Liquid Robotics公司正在開發(fā)一種機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)利用波浪能收集小規(guī)模能量（2—20W）的概念，用來(lái)滿足這些裝置的能量需求。正如在圖6中展示的那樣，這些平均的能量在海面波浪中是持續(xù)且易獲得的，即使是小的長(zhǎng)的波浪。另外，更大型號(hào)的光伏電池板也可以安裝在波浪動(dòng)力滑翔機(jī)上，通過(guò)增加波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。
B.航向和位置保持。
波浪滑翔機(jī)主要依賴擁有12個(gè)頻道的GPS接收器作為主要的導(dǎo)航傳感器，同時(shí)也帶有陀螺儀和三軸加速度計(jì)。一些新興的機(jī)構(gòu)也帶有水速度傳感器用來(lái)短期的航跡推算。波浪滑翔機(jī)典型的航行精度是高于3米。
波浪滑翔機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航來(lái)實(shí)現(xiàn)航跡和位置保持。它已經(jīng)展示了可以在開放海域保持位置或者在沿海誤差只有25米的能力。如圖6所示。這與在深海狀況下系泊工具保持能力形成了鮮明的對(duì)比。
C.信息傳輸、操作和控制。
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的信息傳輸和控制系統(tǒng)在圖7中展示了出來(lái)。波浪動(dòng)力滑翔機(jī)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的基于web的控制和指揮接口來(lái)實(shí)現(xiàn)操控。每一個(gè)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)通過(guò)銥調(diào)制解調(diào)器通訊會(huì)話來(lái)實(shí)現(xiàn)與海岸上基站的聯(lián)系，這些可以通過(guò)衛(wèi)星接收信息并且把數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)上去。這些傳輸發(fā)生在可配置的間隔時(shí)間段內(nèi)，通常是每隔五到十五分鐘左右。通過(guò)使用基于web的網(wǎng)絡(luò)控制和指揮接口，每一個(gè)操作者（被授權(quán)）可以從任何的可以網(wǎng)絡(luò)連接的電腦上、PDA、個(gè)人電話上控制任何波浪動(dòng)力滑翔機(jī)。類似的，用戶可以監(jiān)控裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和在需要的基礎(chǔ)上查看數(shù)據(jù)。
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)同樣攜帶者短范圍、高帶寬廣播的調(diào)制調(diào)解器，主要用來(lái)岸邊基站和裝置運(yùn)行之間的信息交流。射頻調(diào)制調(diào)解器給裝置指揮和控制提供了更快的更新速率，并且允許大量的裝置狀態(tài)和負(fù)載的數(shù)據(jù)從機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)化出來(lái)。最終，每周通訊調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)由波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝載著并進(jìn)行著試驗(yàn)應(yīng)用。
圖9展示了波浪滑翔機(jī)指揮和控制的交互界面。這個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的工具允許操作者利用單個(gè)程序?qū)讉€(gè)裝置實(shí)現(xiàn)命令和監(jiān)控。一個(gè)基于賬戶登錄的方案允許操作者利用各種方式進(jìn)行操作活動(dòng)，從任何可以連接的電腦，包括支持網(wǎng)頁(yè)瀏覽的手機(jī)。
D負(fù)載
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)已經(jīng)模塊化各種機(jī)械、電器和軟件來(lái)允許接受各種各樣的接口和有效負(fù)載模塊。圖10.所有的指揮、控制、信息傳輸和航行電器包含在一個(gè)核心的電力模塊之中，這個(gè)模塊也同樣安裝著電池和他們的傳輸設(shè)備。船頭和船尾安裝著大多數(shù)負(fù)載模塊，支持電子負(fù)載傳感器系統(tǒng)。
幾個(gè)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)上的負(fù)載模塊已經(jīng)被展示出來(lái)，包括被動(dòng)聲吶系統(tǒng)、拖水聽器陣列，海洋氣象站、相機(jī)、攝像機(jī)和聲學(xué)多普勒流速剖面儀。最近一代的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)拖一個(gè)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，其本身的聲學(xué)調(diào)制調(diào)解器拖曳著很長(zhǎng)的電纜。最近，支持電子已經(jīng)集成到波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的浮體上，未來(lái)計(jì)劃有效載荷包括水文傳感器,如電導(dǎo)率、溫度、和深度(供)傳感器和單波束基底分析聲波等。
在于PMEL實(shí)驗(yàn)室合作的過(guò)程中，我們正努力將二氧化碳分壓和海水PH傳感器裝置搭載到平臺(tái)上，這種裝置的發(fā)展和集成到波浪滑翔機(jī)平臺(tái)上的有效負(fù)載的描述、對(duì)于二氧化碳學(xué)科的發(fā)展將會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制這個(gè)機(jī)構(gòu)，并且在公司的文件中提供出來(lái)。
4.工程試驗(yàn)和測(cè)試能力。
在過(guò)去的兩年半的時(shí)間內(nèi)，Liquid Robotics公司在追求一個(gè)更好的海上速度性能,耐力和適航性作為主要驅(qū)動(dòng)力的樣機(jī)原型和裝置結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)劃。表3. 當(dāng)前一代的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)受益于超過(guò)五年的聯(lián)合海上時(shí)間和累計(jì)超過(guò)42000海里的任務(wù)。LRI已經(jīng)獲得許可，由美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)保持波浪滑行測(cè)試，范圍在中斷區(qū)域離岸從Puako到夏威夷島。這個(gè)測(cè)試范圍是毗鄰LRI附近的海洋作戰(zhàn)中心Kawaihae港口。所有最初的工程試驗(yàn)和操作都在 Puako內(nèi)部通過(guò)了驗(yàn)收測(cè)試。
一旦最初的試驗(yàn)已經(jīng)圓滿完成,額外的測(cè)試暴露出波滑翔機(jī)更廣泛的海洋條件進(jìn)行離岸更遠(yuǎn)的地方。例如,圖11(左)顯示的軌跡滑翔機(jī)車輛“紅色閃光”的浪潮，環(huán)顧夏威夷的大島在國(guó)際水域,2009年1月這9到18,2009年,敝中斷任務(wù)的車輛 在9天完成,2小時(shí)平均速度超過(guò)地面的1.57節(jié)。在此任務(wù)估計(jì)海洋條件10英尺海洋和15 kt風(fēng)(Ses狀態(tài)5),圖11(中)。類似的工程試驗(yàn)和示范是同時(shí)進(jìn)行的加州海岸,從莫斯蘭丁(蒙特雷灣)圣地亞哥17-28 4月,2009年,圖11(右)。這個(gè)任務(wù)持續(xù)了11天,2小時(shí),覆蓋403敝中斷,平均速度超過(guò)地面的1.53節(jié)。額外的長(zhǎng)期任務(wù)正在進(jìn)行中,包括數(shù)月,盆地規(guī)模的海洋運(yùn)輸。最后,作為一個(gè)工程持久試驗(yàn),一個(gè)波滑翔機(jī)進(jìn)行位置保持任務(wù)在我們的Puako測(cè)試范圍、使用頻繁的公海。到目前為止,這波滑翔機(jī)積累了6200多個(gè)敝中斷和八個(gè)月的連續(xù)操作。我們的目標(biāo)是證明波浪動(dòng)力滑翔機(jī)可以完成超過(guò)一整年的連續(xù)操作任務(wù)。
結(jié)論
通過(guò)廣泛的工程實(shí)驗(yàn)和示范，波浪動(dòng)力滑翔機(jī)可以在開放的海洋和沿岸海洋上進(jìn)行長(zhǎng)期獨(dú)立運(yùn)作的能力已經(jīng)牢固確立。我們堅(jiān)信波浪動(dòng)力滑翔機(jī)在經(jīng)濟(jì)、對(duì)于開放海域和沿海地帶的科學(xué)研究、商業(yè)、軍事工作等領(lǐng)域代表著一個(gè)重大的進(jìn)步。幾個(gè)能夠進(jìn)行科學(xué)研究和適用于軍事領(lǐng)域的負(fù)載裝置正處于集成到波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的過(guò)程之中。
參考文獻(xiàn)
[1] S. Willcox, C. Meinig, C. Sabine, N. Lawrence-Slavas, T. Richardson, R. Hine, and J. Manley, “An Autonomous Mobile Platform for Underway Surface Carbon Measurements in Open-Ocean and Coastal Waters,” to appear in Proceedings of MTS/IEEE Oceans 2009 Conference, Biloxi, MS, Oct 26-29, 2009
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