一种船用风电混合驱动装置及控制方法

1.本发明涉及船用驱动装置技术领域，具体涉及一种船用风电混合驱动装置及控制方法。


背景技术：

2.现有利用风力驱动船舶前进的技术包括风帆驱动和风力发电驱动等。风帆驱动是通过风吹在软帆上形成的直接推力或风吹过硬帆由于伯努利效应形成的推力来驱动船舶前进，这种方案的缺点是只能顺风或斜顺风前进，不能直接逆风行驶，且帆面巨大，船舶稳定性差。风力发电驱动是通过风力发电机将风能转化成电能，再通过电动机将电能转化为螺旋桨的旋转机械能来驱动船舶前进，这种方案的缺点是经历两步机械能和电能的转化，能量损失太大，风能利用效率大大降低。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种船用风电混合驱动装置及控制方法，目的是针对上述现有船舶风力驱动技术中风帆驱动和风力发电驱动方案存在的不足，以解决船舶不能逆风行驶，航向受风向限制和风能利用效率低的问题。
4.本发明提供如下技术方案：
5.一种船用风电混合驱动装置，包括风能收集单元、传导单元、作为主电机使用的电动发电一体机、蓄电池、船主轴及螺旋桨；所述的风能收集单元包括上变速箱、风力涡扇桨及用以控制风力涡扇桨朝向的方向控制机构，所述的上变速箱的动力输入轴的端部设有风力涡扇桨，所述的上变速箱的动力输出轴与传导单元连接；所述的传导单元包括倒t型的下变速箱，所述的下变速箱的上输入轴通过上离合器与动力输出轴耦合，所述的下变速箱的前输出轴通过前离合器与电动发电一体机的主轴耦合，所述的电动发电一体机与蓄电池电性连接，所述的下变速箱的后输出轴通过后离合器和万向节与船主轴的前端耦合，所述的船主轴的后端通过轴套伸出船壳外，并与螺旋桨连接。
6.优选的，所述的上变速箱为l型变速箱，所述的动力输入轴沿水平方向设于上变速箱的前端，所述的动力输出轴沿纵向设于上变速箱的下端，动力输出轴的底端与上输入轴的顶端耦合。
7.优选的，所述的传导单元还包括垂直轴，所述的动力输出轴的底端与垂直轴的顶端传动连接，所述的垂直轴的底端与上输入轴的顶端之间通过上离合器耦合。
8.优选的，所述的传导单元还包括截面为圆形的中空支撑柱，所述的上变速箱的底端且位于动力输出轴的外周还固定连接有套管，所述的套管同轴套设于中空支撑柱的顶端，所述的套管与中空支撑柱的顶端通过外轴承转动连接，所述的中空支撑柱的底端设有外法兰，并通过外法兰与船体固定连接，所述的垂直轴通过内上轴承和内下轴承与中空支撑柱的内表面转动连接。
9.优选的，所述的方向控制机构包括设于上变速箱顶端的风向风速传感器、控制器、
转向电机及风向舵，所述的上变速箱远离动力输入轴的一端设有风向舵，所述的套管的内表面同轴设有圈齿轮，所述的转向电机固定安装于中空支撑柱的外表面，所述的转向电机的输出轴固定连接有柱齿轮，所述的柱齿轮与圈齿轮啮合连接，所述的风向风速传感器与控制器信号连接，所述的控制器与转向电机电连接，所述的控制器通过导线与蓄电池电连接。
10.优选的，所述的风力涡扇桨的前端中心处配置有导风罩。
11.一种船用风电混合驱动装置的控制方法，包括：按照风速大小，将风速设定为适中、较高、较低三个等级，当风速适中时，控制上离合器和后离合器闭合，前离合器断开，使风力涡扇桨带动螺旋桨旋转，推动船只前进；当风速较高时，控制上离合器、前离合器和后离合器全部闭合，使风力涡扇桨同时带动螺旋桨旋转和电动发电一体机发电，防止风力涡扇桨转速和船速过快，同时将多余的风能转化成电能储存在蓄电池中；当风速较低时，控制前离合器和后离合器闭合，上离合器断开，将存储在蓄电池中的电能供给电动发电一体机，电动发电一体机带动螺旋桨旋转，驱动船只前进。
12.优选的，当仅需要发电时，断开后离合器，闭合上离合器和前离合器，电动发电一体机以发电机模式工作，将电能存储在蓄电池内。
13.优选的，所述的控制方法还包括控制风力涡扇桨朝向的方法，包括：当风速适中且风向相对风力涡扇桨的指向发生改变时，上变速箱在转向电机的作用下发生旋转，带动风力涡扇桨重新指向来风方向，使风能接收效率最大化，在此过程中，风向舵协助转向，并减少转向电机的能耗；当风速较高时，转向电机控制上变速箱发生旋转，带动风力涡扇桨偏离来风方向，以减小风力涡扇桨转速，防止发生装置损坏；当需要时，转向电机锁止上变速箱及风力涡扇桨的朝向。
14.优选的，所述的风速适中指的是风速为3m/s～30m/s；所述的风速较高指的是风速为30m/s以上；所述的风速较低指的是风速为3m/s以下。
15.本发明一种船用风电混合驱动装置及控制方法的有益效果：
16.1.本发明可以针对不同的风速实现风能、船舶动能、电能三者之间的合理转化，能量利用率更高；
17.2.在微风或无风的情况下也可以实现船舶的驱动；
18.3.通过风能与电能共同作用，可以实现船舶逆风航行；
19.4.在台风等强风情况下，通过转向电机控制风力涡扇桨偏离来风方向，可以降低转速，防止装置转速过高而发生损坏。
20.5.本发明结构简单，可靠，对风能利用率高，可以充分利用清洁能源，减少碳排放，增加船舶的航程，在小型船舶领域有广阔的应用前景。
附图说明
21.图1、本发明的正视结构示意图；
22.1.风力涡扇桨；2.导风罩；3.动力输入轴；4.上变速箱；5.动力输出轴；6.风向舵；7.外轴承；8.内上轴承；9.柱齿轮；10.圈齿轮；11.转向电机；12.垂直轴；13.中空支撑柱；14.内下轴承；15.上离合器；16.上输入轴；17.下变速箱；18.前输出轴；19.前离合器；20.电机主轴；21.电动发电一体机；22.电缆；23.蓄电池；24.后输出轴；25.后离合器；26.万向节；
27.船主轴；28.轴套；29.螺旋桨。
具体实施方式
23.以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
24.本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.实施例1：
26.一种船用风电混合驱动装置，如图1所示：包括风能收集单元、传导单元、作为主电机使用的电动发电一体机21、蓄电池23、船主轴27及螺旋桨29；所述的风能收集单元包括上变速箱4、风力涡扇桨1及用以控制风力涡扇桨1朝向的方向控制机构，所述的上变速箱4的动力输入轴3的端部设有风力涡扇桨1，所述的上变速箱4的动力输出轴5与传导单元连接；所述的传导单元包括倒t型的下变速箱17，所述的下变速箱17的上输入轴16通过上离合器15与动力输出轴5耦合，所述的下变速箱17的前输出轴18通过前离合器19与电动发电一体机21的主轴耦合，所述的电动发电一体机21与蓄电池23电性连接，所述的下变速箱17的后输出轴24通过后离合器25和万向节26与船主轴27的前端耦合，所述的船主轴27的后端通过轴套28伸出船壳外(轴套28的作用是防止水通过船主轴27所在通道进入船舱)，并与螺旋桨29连接。
27.如图1所示，所述的上变速箱4为l型变速箱，所述的动力输入轴3沿水平方向设于上变速箱4的前端，所述的动力输出轴5沿纵向设于上变速箱4的下端，动力输出轴5的底端与上输入轴16的顶端耦合。
28.本实施例中，风力涡扇桨1接受风能旋转，通过旋转将风能转化为机械能并存储在上变速箱，上变速箱通过传导单元将机械能传导给下变速箱，下变速箱则可进一步将机械能传导给船主轴和/或作为主电机使用的电动发电一体机21，当作为发电机使用时，电动发电一体机21将机械能传递给蓄电池成为可供日常使用的电能。
29.实施例2：
30.在实施例1的基础上，本实施例进一步改进为：
31.如图1所示，所述的传导单元还包括垂直轴12，所述的动力输出轴5的底端与垂直轴12的顶端传动连接，所述的垂直轴12的底端与上输入轴16的顶端之间通过上离合器15耦合。所述的动力输出轴5与垂直轴12传动比优选为1：1。
32.如图1所示，所述的传导单元还包括截面为圆形的中空支撑柱13，所述的上变速箱4的底端且位于动力输出轴5的外周还固定连接有套管(图中未标示)，所述的套管同轴套设于中空支撑柱13的顶端，所述的套管与中空支撑柱13的顶端通过外轴承7转动连接，所述的中空支撑柱13的底端设有外法兰，并通过外法兰与船体固定连接，所述的垂直轴12通过内上轴承8和内下轴承14与中空支撑柱13的内表面转动连接；上输入轴16与前输出轴18的传动比优选为1：1，上输入轴16与后输出轴24的传动比优选为1：6。
33.实施例3：
34.在实施例2的基础上，本实施例进一步改进为：
35.如图1所示，所述的方向控制机构包括设于上变速箱顶端的风向风速传感器(图中未画出)、控制器(图中未画出，控制器可根据需要安装在驱动装置上或船体上)、转向电机11及风向舵6，所述的上变速箱4远离动力输入轴3的一端设有风向舵6，所述的套管的内表面同轴设有圈齿轮10，所述的转向电机11固定安装于中空支撑柱13的外表面，所述的转向电机11的输出轴固定连接有柱齿轮9，所述的柱齿轮9与圈齿轮10啮合连接，所述的风向风速传感器与控制器信号连接，所述的控制器与转向电机11电连接，所述的控制器通过导线与蓄电池电连接。
36.本实施例中，控制器根据风向风速的变化控制转向电机11动作，使转向电机及时调整风力涡扇桨1的朝向，其中转向电机优选使用步进电机或伺服电机。
37.实施例4：
38.在实施例3的基础上，本实施例进一步公开了：
39.如图1所示，所述的风力涡扇桨1的前端中心处配置有导风罩2，导风罩2能够使风力涡扇桨1更高效地利用风能，并减小流体阻力。
40.实施例5：
41.在实施例4的基础上，本实施例进一步公开了：
42.一种船用风电混合驱动装置的控制方法，如图1所示，包括：按照风速大小，将风速设定为适中、较高、较低三个等级，当风速适中时，控制上离合器15和后离合器25闭合，前离合器19断开，使风力涡扇桨1带动螺旋桨29旋转，推动船只前进；当风速较高时，控制上离合器15、前离合器19和后离合器25全部闭合，使风力涡扇桨1同时带动螺旋桨29旋转和电动发电一体机21发电，防止风力涡扇桨1转速和船速过快，同时将多余的风能转化成电能储存在蓄电池23中；当风速较低时，控制前离合器19和后离合器25闭合，上离合器15断开，将存储在蓄电池23中的电能供给电动发电一体机21，电动发电一体机21带动螺旋桨29旋转，驱动船只前进。
43.实施例6：
44.在实施例5的基础上，本实施例进一步公开了：
45.当仅需要发电时，断开后离合器，闭合上离合器和前离合器，电动发电一体机以发电机模式工作，将电能存储在蓄电池内。
46.实施例7：
47.在实施例6的基础上，本实施例进一步公开了：
48.如图1所示，所述的控制方法还包括控制风力涡扇桨1朝向的方法，包括：当风速适中且风向相对风力涡扇桨1的指向发生改变时，上变速箱4在转向电机11的作用下发生旋转，带动风力涡扇桨1重新指向来风方向，使风能接收效率最大化，在此过程中，风向舵6协助转向，并减少转向电机11的能耗；当风速较高时，转向电机11控制上变速箱4发生旋转，带动风力涡扇桨1偏离来风方向，以减小风力涡扇桨1转速，防止发生装置损坏；当需要时，转向电机11锁止上变速箱4及风力涡扇桨1的朝向。
49.实施例8：
50.在实施例7的基础上，本实施例进一步公开了：
51.所述的风速适中指的是风速为3m/s～30m/s；所述的风速较高指的是风速为30m/s以上；所述的风速较低指的是风速为3m/s以下。
52.本发明的工作原理：
53.本发明的工作原理是，风力涡扇桨由风力推动，将风能转变为风力涡扇桨的旋转机械动能，水平方向的风力涡扇桨轴的旋转动能输入上变速箱，驱动垂直方向的垂直轴旋转，垂直轴通过上离合器将旋转动能输入下变速箱，驱动水平向前的前输出轴和水平向后的后输出轴旋转，前输出轴通过前离合器与主电机联动，后输出轴通过后离合器带动船主轴和螺旋桨旋转，进而推动船舶前进。
54.当需要风力推动船航行时，闭合上离合器和后离合器，断开前离合器，则风吹风力涡扇桨产生的旋转动能沿动力输入轴-》垂直轴-》上输入轴-》后输出轴-》船主轴-》螺旋桨的路径传递，将风能转化为船舶前进的动能；当需要风力发电时，闭合上离合器和前离合器，断开后离合器，此时主电机以发电机模式工作，风吹风力涡扇桨产生的旋转动能沿动力输入轴-》垂直轴-》上输入轴-》前输出轴-》主电机的路径传递，将风能转化为电能存储在蓄电池中；当需要风力同时推动船航行和发电时，闭合上离合器、前离合器和后离合器时，上述两个路径的能量传递同时发生；当需要用蓄电池存储的电能来推动无人船航行时，闭合前离合器和后离合器，断开上离合器，此时主电机以电动机模式工作，主电机将蓄电池中的电能转化为旋转动能，并通过电机主轴-》前输出轴-》后输出轴-》船主轴-》螺旋桨的路径传递，将电能转化为船舶前进的动能。
55.上变速箱下方安装有转向电机，可以控制风力涡扇桨的扇面始终面向来风方向，上变速箱后方安装有风向舵，可以协助转向电机，减少电能消耗；当风速过大时，转向电机可以控制风力涡扇桨的扇面偏离来风方向并锁止，以降低风力涡扇桨的转速，防止发生飞车，损坏装置。