一种大型商船风帆和多涡轮发电的自适应组合装置的制作方法

1.本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种大型商船风帆和多涡轮发电的自适应组合装置。


背景技术：

2.随着国际范围内对船舶污染问题的普遍提高，船舶节能减排已成为当前航运业研究的热点之一。传统的大型商船航行需要燃烧燃油提供动力，燃烧燃油产生的no
x
、so
x
和co2气体以及pm2.5等污染物更是加剧了对环境的负担。当前，风能在船舶上的利用备受青睐，这不仅是因为风能是一种清洁无污染的可再生能源，而且由于大型商船航行的大部分海运海平面空旷，风能资源非常丰富。风能在船舶上的应用，可以减少化石燃料的使用，缓解能源危机、减少环境污染，实现船舶的节能减排。
3.基于此，专利号为cn 212386673 u的中国专利公开了一种风能辅助推进的散货船，该专利虽然实现了风能助推，但风力捕获装置固定朝向，当风向发生改变与装置产生夹角时，会导致装置对风能的利用率非常低；并且当船舶逆风航行时，风力捕获装置会产生一定的阻力，会出现利用风能产生的推力还不足以弥补因安装装置所产生的额外阻力，造成得不偿失。专利号为cn 201296368 y的中国专利公开了一种风力发电系统，该系统采用单个发电机捕获风能进行发电，与多个风力发电机(风力涡轮机)相比，风能的有效回收面积小，风能的利用率较低，发电效果差。专利号为cn 106536923 a的中国专利就公开了一种用于海上应用的多涡轮风力发电平台，利用多涡轮对风能进行回收，但此方法仅能定点安装，无法在航行船舶上进行应用产生能量来降低船舶的排放。专利号为cn 109667720 a的中国专利公开了一种船用风力助推与风力发电可切换的装置，该装置在船舶航行时进行风力助推，在船舶停航时利用风力发电，可以很大程度提高风能的利用率。但该装置在航行时只能单独使用风能助推模式，并不能发电，并且在船舶逆风航行时不可避免的会产生阻力，产生额外的燃油消耗。
4.风帆作为古老的船舶动力装置，至今在各类中小型船舶都有着重要的应用。帆船的最大动力来源是“伯努利效应”，当船舶顺风航行时，主要利用风对风帆的冲击产生的压力推动船舶前进；当船舶侧向来风时，由于风帆的弧形设计，气流通过帆时，帆前面的气流需要走更长的距离来和帆后面的气流汇合，使帆前后的气流会产生不同的流速，帆前面的气流的流速较快，根据伯努利原理“气体的流速越大，压强越小”可知，帆后面的压强比帆前面的压强大，这个压强差会对船舶产生向前的推力；逆风航行时，船舶航向与风向呈一定夹角，船舶采取“之”字型的路线航行，解决风帆无法利用逆向风的难题。大型商船可以实现燃油和风帆的共同推进，风帆可以为船舶提供部分推进力，节省燃油的消耗。但逆风航行时，大型商船无法采用“之”字航行实现风帆助推，原因是：大型商船因其较大的尺寸和总载重量，与海水的直接接触面积大，造成海水对船体产生非常大的阻力，风帆推进相对较小的推力只能作为船舶的辅助推进力，并不能作为大型船舶的主要推进力来源，如果大型商船采取“之”字型的路线航行，虽然能利用风帆实现助推，但是船舶的航线长度大大增加，燃油消
耗随之增加，会出现利用风帆助推可节省的燃油量远小于因航线改变使路程增加导致船舶产生额外的燃油消耗量，得不偿失。因此，风帆助推虽在大型商船顺风航行时能带来较大的助益，但逆风航行时并没有太多的可行性。
5.基于此，若是能在大型商船中提出一种风能利用装置，该装置不仅能够充分回收航行船舶周围所存在的大量风能，根据风向自适应调节迎风状态，而且在船舶逆风航行时能够克服上述风能利用装置因安装在船舶上产生额外的航行阻力所造成的得不偿失的现象，那么这种风能利用装置对大型商船利用风能有较好的实际应用意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种大型商船风帆和多涡轮发电的自适应组合装置。该装置安装于大型商船的船首甲板上，在船舶航行过程中，后向来风时装置可以利用风力涡轮机进行发电，产生的电能可以为船舶其他用电设备供电；侧向来风时，装置可将风帆升起利用风能实现船舶助推；正向来风时，装置可以呈90
°
向船尾卧倒，避免产生额外的航行阻力。本发明应用于大型商船上，有利于减少船舶的燃油消耗，实现了船舶的节能减排。
7.本发明装置包括：底座、底座顶盖、液压马达、风帆转轴、风帆底板、风帆支架、风帆、风机支架、风力涡轮机、风向传感器、上铰支座、下铰支座、液压油缸、卡扣、卡座。
8.所述底座固定在船首甲板上。
9.所述底座顶盖设置在底座上方，一端与底座通过转轴连接，底座顶盖可绕转轴翻转。
10.所述液压马达设置在底座中。
11.所述风帆转轴位于底座顶盖上，风帆转轴与液压马达的传动轴同轴心配合，利用液压马达的传动轴进行转动。
12.所述风帆底板固定在风帆转轴上。
13.所述风帆支架固定在风帆底板上，在本发明装置中风帆支架是由三根竖向布置的直杆和多根横向布置的弯杆组成曲面的结构，三根竖向直杆分别位于风帆底板两侧和中间部位。
14.所述风帆设置在风帆支架上，可沿着竖向的竖杆升起或收起，风帆升起时由横向弯杆将风帆撑起形成弧面。
15.所述风机支架固定在风帆底板上，风机支架是由若干的横杆、竖杆和斜杆组成的网状结构。
16.所述风力涡轮机包括数十个，分别均匀固定在风机支架上。
17.所述风向传感器安装在风帆支架上。
18.所述上铰支座设有两个，分别固定在底座顶盖上。
19.所述下铰支座设有两个，分别固定在底座内部。
20.所述液压油缸设有两个，设置在底座内，两端分别由上铰支座和下铰支座固定。
21.所述卡扣设有两个，分别固定在底座顶盖上。
22.所述卡座设有两个，位于底座顶端，可与卡扣配合。
23.风向传感器用于收集风向信息，船舶航行方向与风向的关系如下：设从船舶航行
方向沿逆时针方向到风向所转过的角度为θ，当θ∈[0
°
，45
°
]∪[315
°
，360
°
]时，则判断为船首方向来风，船舶逆风航行；当θ∈(45
°
，135
°
)∪(225
°
，315
°
)时，则判断为船舶侧向来风；当θ∈[135
°
，225
°
]时，则判断为船尾方向来风。风向传感器可以将收集的风向信息以电信号的形式传输给控制系统，控制系统根据接收的信号控制液压马达旋转，实现装置的自适应风向旋转。
[0024]
在船尾方向来风时，风帆为收起状态，根据风向传感器收集的风向信息，在液压马达的传动作用下控制风力涡轮机与风向垂直，利用风力涡轮机发电；在船舶侧向来风时，风帆升起，在液压马达的作用下控制风帆后侧形成的平面与风向平行，利用风帆实现船舶助推；在船首方向来风时，装置在液压油缸的推力作用下向船尾卧倒，减少航行阻力。
[0025]
本发明有益效果：
[0026]
1.本发明装置安装在大型航行商船上，在船舶航行时可根据风向实现风力发电和风帆助推的智能切换。本发明能够自适应风向的变化，在船舶各向来风时，能够调整装置的迎风状态，以求最大化的回收大型商船航行时周围的风能。当船尾方向来风时，风帆收起，调整风力涡轮机与风向垂直，最大可能地利用风能，提高发电量；当船舶侧向来风时，可将风帆升起，利用风帆实现船舶助推，调整风帆后侧平面与风向平行，提高推力。
[0027]
2.本发明装置利用风能采用多风力涡轮机的方式进行发电，与传统的单个风力发电机相比，能够增加装置的有效回收面积，极大地提高了风能的利用率。所以，本发明的风能利用率高，回收的风能巨大，发电效果理想。
[0028]
3.本发明装置在利用风力涡轮机发电时，涡轮机叶片的旋转会产生指向船舶前进方向的轴向推力，数十个风力涡轮机工作旋转产生的轴向推力也是巨大的，因此本发明装置在利用风能发电的同时也能为船舶提供有效的推进力。
[0029]
4.当船首方向来风时，为避免因安装本发明装置给船舶带来较大的额外航行阻力的问题出现，可以将装置呈90
°
向船尾卧倒，避免因阻力产生额外的燃油消耗。
附图说明
[0030]
图1本发明装置的示意图；
[0031]
图2本发明装置在船舶上的安装位置示意图；
[0032]
图3风帆升起时的位置示意图；
[0033]
图4风帆收起时风帆支架的空间结构示意图；
[0034]
图5底座顶盖绕转轴翻转后各部分结构的安装位置示意图；
[0035]
图6底座和底座顶盖的侧视图；
[0036]
图7风向与船舶航向关系示意图；
[0037]
图8风帆收起时风向与发电装置的位置关系侧视图；
[0038]
图9风帆收起时风向与发电装置的位置关系俯视图；
[0039]
图10本发明装置使用风帆状态示意图；
[0040]
图11风帆升起时风向与风帆的位置关系俯视图；
[0041]
图12本发明装置逆风航行时倒下的示意图；
[0042]
图13本发明装置安装在船舶上呈90
°
向船尾卧倒的示意图；
[0043]
图14不同风向的本发明装置利用方案示意图；
[0044]
附图中：1.底座；2.底座顶盖；3.液压马达；4.风帆转轴；5.风帆底板；6.风帆支架；7.风帆；8.风机支架；9.风力涡轮机；10.风向传感器；11.上铰支座；12.下铰支座；13.液压油缸；14.卡扣；15.卡座。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0046]
一种大型商船风帆和多涡轮发电的自适应组合装置，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，该装置包括：底座1、底座顶盖2、液压马达3、风帆转轴4、风帆底板5、风帆支架6、风帆7、风机支架8、风力涡轮机9、风向传感器10、上铰支座11、下铰支座12、液压油缸13、卡扣14、卡座15。
[0047]
如图1和图2所示，本发明装置将底座1固定在船首位置的甲板上，底座顶盖2一端通过转轴与底座1连接，可实现底座顶盖2绕一侧转轴进行翻转。液压马达3安装于底座1内部，是装置可以旋转的动力来源，液压马达3的传动轴与位于底座顶盖2上的风帆转轴4同轴心配合，风帆转轴4可利用液压马达3的传动实现旋转。风帆底板5刚性固定在风帆转轴4上，可与风帆转轴4共同旋转。风帆支架6与风机支架8固定在风帆底板5上，风帆7利用风帆支架6竖杆的导向作用实现升起或收起，风帆7升起时由风帆支架6固定，并使风帆7形成弧面，风帆7收起时放于风帆底板5上。发电部分由数十个风力涡轮机9组成，按一定间距均匀固定在风机支架8上。风向传感器10安装在风帆支架6顶部，用于检测风向。液压油缸13设有两个，位于底座1内部。
[0048]
图3为本发明装置风帆7升起的状态，风帆支架6的空间结构如图4所示。风帆7从风帆底板5处沿风帆支架6的竖杆升起，在风帆支架6横向布置的弯杆的作用下将风帆7向船舶航行方向撑起，形成弧面，从而风帆可利用“伯努利效应”产生向前的推力。
[0049]
如图5和图6所示，底座顶盖2绕一侧转轴翻转，液压油缸13安装于底座1内，是装置可以向船尾卧倒的动力源，液压油缸13的两端分别连接位于底座顶盖2上的上铰支座11和位于底座1内部的下铰支座12。本发明装置在使用状态时，位于底座顶盖2上的卡扣14和底座1上的卡座15扣合，保证本发明装置的稳定性；在风向不利于装置使用的情况下，卡扣14和卡座15的脱离配合，本发明装置在液压油缸13的推力作用下呈90
°
向船尾卧倒。
[0050]
船舶航向与风向的关系如图7所示：设从船舶航行方向沿逆时针方向到风向所转过的角度为θ，当θ∈[0
°
，45
°
]∪[315
°
，360
°
]时，则判断为船首方向来风，船舶逆风航行；当θ∈(45
°
，135
°
)∪(225
°
，315
°
)时，则判断为船舶侧向来风；当θ∈[135
°
，225
°
]时，则判断为船尾方向来风。
[0051]
当船尾方向来风时，使用本发明装置的风力发电部分进行发电，此时风帆7为收起状态，并未使用。如图8所示，当船舶正后方来风即θ＝180
°
时，风力涡轮机9与风向垂直，以提高风能的利用率，提高装置的发电效果。如图9所示，当θ∈[135
°
，180
°
)或θ∈(180
°
，225
°
]时，风向传感器10收集风向信息，以信号的形式传输给控制系统，控制系统根据接收的信号控制液压马达3带动风帆转轴4转动，实现本发明装置可以自适应风向旋转，保证在船尾方向的任意角度来风时风力涡轮机9都可以与风向垂直，最大限度地利用风能，发电效果理想。
[0052]
如图10和图11所示，当θ∈(45
°
，135
°
)∪(225
°
，315
°
)即船舶侧向来风时，此时发电部分与风向会产生夹角，装置对风能的利用率较低，发电效果变差。但本发明装置在船舶侧向来风时可将风帆7升起，利用风帆7实现船舶助推来取代风力发电。风向传感器10将收集的风向信息传输给控制系统，控制系统控制液压马达3带动风帆转轴4转动，使风帆7后侧形成的平面与风向平行，风帆7的弧面在船首一侧。根据伯努利原理“气体的流速越大，压强越小”，当气流通过风帆7时，由于风帆7前面的气流要走更长的距离来和风帆7后面的气流汇合，因此风帆7前面气流的流速大、压强小，后面气流的流速小、压强大，风帆7前后产生了压强差。风帆7前后的压强差会产生沿弧面法向的合力f
压力
，此合力沿船长方向会产生与船舶航行方向一致的向前分解力f
推动力
和沿船宽方向的向侧面分解力f
侧力
，向前分解力f
推动力
推动船舶前进，实现风帆助推。
[0053]
如图12和图13所示，当θ∈[0
°
，45
°
]∪[315
°
，360
°
]即船舶逆风航行时，大型商船不宜采用“之”字型的路线航行，风帆7助推没有太多的使用价值，为消除船舶航行时装置带来的额外阻力，装置可以呈90
°
向船尾卧倒。底座顶盖2上的卡扣14和底座1上的卡座15脱离配合，底座顶盖2在液压油缸13的推力作用下带动装置向船尾卧倒，因此本发明装置安装在大型商船上不会产生额外的航行阻力。
[0054]
综上所述，本发明装置应用于大型航行商船上，可以自适应风向，实现风能的最大利用。如图14所示，在船尾方向来风时，利用风力涡轮机9发电；在船舶侧向来风时，利用风帆7实现船舶助推；在船首方向来风时，装置可以在液压油缸13的作用下向船尾卧倒，不会产生额外的航行阻力。本发明装置可以利用船体两侧和船尾共270
°
范围内的风能，仅船首90
°
范围的风能未被利用，风能的利用范围非常大，因此，本发明装置具有较高的实际应用价值。
[0055]
风力发电装置捕获风能进行发电，风力涡轮机9距海平面的高度越高，风能资源越丰富，发电效果越好。但在大型航行商船上应用时，为了保证船舶航行过程中的稳性和安全性，风力涡轮机9的安装高度受到限制，安装位置不宜太高。因此，本发明装置采用多风力涡轮机9进行发电，提高装置的发电效果。
[0056]
以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。