CN102001431B - 三叶型推进发电两用式风帆 - Google Patents

Abstract

一种三叶型推进发电两用式风帆，它主要由固定在船体甲板(10)上的发电机组(1)和风帆转动机构(9)，与风帆转动机构(9)转动连接的且只朝设计方向转动的风帆桅杆(2)，设在风帆桅杆(2)上部通过第一推进发电帆面连接杆(4)与之相连的第一推进发电帆面(3)，通过第二推进发电帆面连接杆(11)与之相连的第二推进发电帆面(5)，通过第三推进发电帆面连接杆(7)与之相连的第三推进发电帆面(8)，以及装在所述的风帆桅杆顶部的风力风向采集及分析系统(6)构成。本发明能使常规风帆的效率提高20％到40％，采用“主推进辅发电”的运行方式使三叶型推进发电两用式风帆在任何风向情况下均可运行，节省船舶主机或发电机油耗的6％以上。

Description

三叶型推进发电两用式风帆

技术领域

本发明涉及船用风帆，特别是一种三叶型推进发电两用式风帆。

背景技术

风能是具有大规模发展潜力的可再生能源，上世纪70年代的石油危机使人们意识到在船舶上开展风能利用的重要性。现代化风帆船舶研究已经成为一些发达国家，如德国、日本、瑞典、丹麦等的研究重点。

国外实践证明：把风帆作为辅助动力用于船舶航行，能够把船舶主机油耗降低10％～30％，而船舶工程师们绞尽脑汁也很难把发动机和螺旋桨的效率提高1％～2％。对于油费已经占运营成本的40％-60％的船舶运输而言，风帆助推技术无疑有极大的诱惑力。因此，也有人认为：“风帆辅助技术是目前已知的降低船舶油耗的最佳方法”；“使用风力推进的船舶并不是怀古情绪的复活，而是船舶动力的改革”。

上世纪90年代，日本在一些吨位不太大的远洋船舶上开展了硬质风帆的实船试验，后因石油价格下跌、技术不完善和操作复杂等原因，没有得到推广。这种风帆的形式和操纵相对较简单，但效率不能让人完全满意，对风的利用受风向限制较大。尽管如此，日本政府自2001年以来，一直在支持新型风帆助航船舶的研究。

2006年，德国研发了风筝型(伞翼型)风帆，并在15000吨级远洋船舶上进行了实船试验。风筝型风帆成本较低，结构简单，对船体改造要求低，占用船舶空间较小，但其释放与控制难度高，对风向的要求更高。

以上硬质风帆和风筝型风帆统称为现代风帆，装备现代风帆的船舶称为现代风帆船，现代风帆船与传统风帆船有巨大的区别。

我国从80年代初期开始，在武汉、广东、浙江、上海等地区相继开展了风帆助航的研究，并取得了可喜的成果。其中，由华南理工大学、广东省水产局、广东省航运研究所共同研制的小型渔船风帆助推装置在广东省各渔区近千艘渔船上推广应用，但是均为小吨位的渔船，风帆装置和操帆系统都较为简单。武汉水运工程学院(现武汉理工大学)与江苏、湖南航运部门共同研制了多艘小型风帆助推货船，由708和711所设计、宁波海运公司承建的2500DWT风帆助航综合节能多用途集装箱船“明州22号”轮于1996年2月14日首航日本。

综上，上述几种“现代帆型”技术，或则节能效果欠佳，或则建造和运行费用高昂，或则对航线要求严苛，都难有较满意的结果。因此，有必要对现有技术进行创新，设计一种推进效率高、工作时间稳定、节能效果明显的新型帆型。

对于可应用于船舶上的风帆装置，目前已经公开了一些专利，但基本上都主要是针对辅助船舶推进而设计的，而对可采用推进和发电两种用途使用的风帆研究却很少。公开号为CN101209752A(申请号200610148105.7)公开了一种以风帆为辅助动力的远洋货轮，包括远洋货轮和一套辅助风帆，其特征在于辅助风帆由船尾帆和船侧帆两部分组成；该装置主要是利用了与船舶行驶方向较为一致的风向，即船后来风，所能利用的风向角度较小。公开号为CN101314397A(申请号200810048212.1)公开了一种母子风帆船，它包括母船体、子船体、风帆以及风帆与船体连接物，其特征在于：母船体与子船体的纵中剖面在船舶前方的交角小于20度；在子船体内设置至少一套给水排水系统；该装置的主要是利用子船体为母船体提供额外的稳性，使母船体能够采用面积巨大的日式硬帆，进而为船舶推进提供辅助动力。公开号CN101486375A(申请号200910060732.9)公开了一种子船体可移动式母子风帆船，它包括母船体、子船体、风帆以及风帆与船体的连接物，结构连接物与母船体及子船体的连接，是一种可水平转动的连接。使用风帆时，可伸缩传动物收缩，子船体远离母船体，能使船舶获得巨大的恢复力矩。与母子风帆船相比，子船体可移动式母子风帆船主要优点是可在航道宽度受限制、航道繁忙时航行。公开号为CN101497369A(申请号200910071582.1)公开了一种空心帆船桅杆，它为解决现有帆船桅杆截面的对称性带来的承载侧的材料强度不足、不承载侧的材料强度没有得到完全的发挥及下粗上细的大型桅杆不便于在桅顶上装三角帆的问题。该装置的上桅杆和下桅杆的截面形状设计为空心且大半椭圆形，这种截面形状使得装置在受风时，承载侧的材料得到充分利用；上桅杆和下桅杆的等截面设计，保证了桅杆顶部有一个较大的截面和一定的负载量，使桅顶能够安装大三角帆。

上述公开专利都是基于给船舶提供辅助推进动力的出发点而提出的，但由于船舶远洋航行时所面临的风向变化不定，船舶在面临相对不利风向时风帆便不能对船舶推进产生有利作用甚至对船舶前进产生阻力，因此风向的变化对船舶的节能效果影响很大。另外，由于海洋环境、航道和桥梁的限制，船舶使用风帆的面积不能过大。为更加有效地利用海洋环境的风能资源，需要设计一种可灵活、高效利用风能的风帆装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为现代船舶提供一种具有合理构造、启动快捷的三叶型推进发电两用式风帆，该风帆可在不良风速风向条件下取得较大经济收益，并且可作为船舶的辅助和备用动力。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

一种三叶型推进发电两用风帆，它主要由固定在船体甲板上的发电机组和风帆转动机构，与风帆转动机构转动连接的且只朝设计方向转动的风帆桅杆，设在风帆桅杆上部通过第一推进发电帆面连接杆与之相连的第一推进发电帆面，通过第二推进发电帆面连接杆与之相连的第二推进发电帆面，通过第三推进发电帆面连接杆与之相连的第三推进发电帆面，以及装在所述的风帆桅杆顶部的风力风向采集及分析系统构成。

本发明提供的三叶型推进发电两用风帆，其作为船舶的辅助和备用动力。

本发明提供的三叶型推进发电两用式风帆(简称风帆)，其工作过程如下：

当船舶行驶方向与相对风向的夹角为40°～180°时，三个推进发电帆面先分别通过与其相连的推进发电帆面连接杆转动合成一个整体帆面，然后，风帆转动机构将风帆桅杆与整体帆面转动到设计角度固定，风作用在三个推进发电帆面上产生的推力通过风帆桅杆传递到船体，产生辅助船舶前进的推力，此时，降低船舶主机转速以达到减少燃油消耗量的目的；

当船舶航行方向与来风方向的角度为0°～40°时，三个推进发电帆面先分别通过与其相连的推进发电帆面连接杆转到固定位置，在此位置时，两个相邻的推进发电帆面连接杆之间的角度为120°，推进发电帆面在风力的作用下产生一个离心力，风帆桅杆在离心力的作用下绕一个固定方向转动，发电机组被带动进行发电，进而为船舶电力系统提供部分电能。

本发明提供的三叶型推进发电两用风帆与现有技术相比具有以下的主要优点：

1.与单纯采用推进式风帆的船舶相比的主要优点：

传统推进式风帆采用空气动力学性能最佳的帆型，其推进性能较好；但在迎风向-40°～40°之间时，风帆的推进性能不佳，甚至会对船舶正常航行产生额外的阻力。

三叶型推进发电两用风帆在迎风向-40°～40°之间时采用发电模式运行，不会对船舶正常航行产生影响，为船舶的电力系统提供部分能源；相对传统风帆，本发明减少了不利风向下传统风帆对船舶的阻力，并将不利风向下的风能转化为电能，实现了风向的全方位利用，使风帆对风能的利用效率极大地提高。

2.与传统的岸基垂直轴风力发电机相比的主要优点：

海上风力资源丰富，三叶型推进发电两用风帆所能得到的节能收益更多。

传统岸基垂直轴风力发电机的启动风速需要达到2m/s以上，在微风环境下无法工作。而三叶型推进发电两用风帆是固定于船舶甲板以上的，即使是海上无风的情况下，由于船舶的航行所带来的气流相对运动，都能使本发明风帆可以在发电模式下正常运行。

3.与基于远洋船舶的传统垂直轴风力发电机相比的主要优点：

三叶型推进发电两用风帆的推进模式直接转化风能为船舶前进方向上的动能，而基于远洋船舶的传统垂直轴风力发电机需要将风能转化为发电机转动的机械能，然后将机械能转化为船舶电力系统的部分电能，其中还有电能存储过程中会带来的损耗问题，因此三叶型推进发电两用风帆利用风能的效率将比基于远洋船舶的传统垂直轴风力发电机的利用效率高上一个数量级以上；在船舶面临有利风向(船后来风或船侧来风)时，基于远洋船舶的传统垂直轴风力发电机只采用一种工作模式，无法得到更高的节能收益，而采用三叶型推进发电两用风帆的船舶可采用更加灵活和高效的节能方式。

4.实用性强：

本发明提供的三叶型推进发电两用风帆在适宜情况下采用风帆助航模式，船舶得到推力；在风帆提供的船舶推力小于一定程度时，可将帆面收起，采用发电模式运行。因此该三叶型推进发电两用风帆除极恶劣情况下可全天候适用，其得到的节能效果将是同样面积传统帆无法相比的。当船舶失去动力时，只要海面上有风的存在，三叶型推进发电两用风帆可作为船舶的备用动力使船舶前进，提高了船舶的安全性。

附图说明

图1为本发明三叶型推进发电两用式风帆发电模式下的主视图。

图2为图1的左视图。

图3为图1的俯视图。

图4为图1的后视图。

图5为本发明三叶型推进发电两用式风帆推进模式下的主视图。

图6为图5的左视图。

图7为图5的俯视图。

图8为图5的后视图。

图9为本发明电动转攻角装置示意图。

图中：1.发电机组；2.风帆桅杆；3.第一推进发电帆面；4.第一推进发电帆面连接杆；5.第二推进发电帆面；6.风力风向采集及分析系统；7.第三推进发电帆面连接杆；8.第三推进发电帆面；9.风帆转动机构；10.船体甲板；11.第二推进发电帆面连接杆；12.第一推进发电帆面支撑杆；13.第二推进发电帆面支撑杆；14.第三推进发电帆面支撑杆；15.第一电动机；16.第一蜗杆；17.第一齿轮；18.第一涡轮；19.第一扇形齿弧；20.第一纵向旋转柄；21.第一缓冲弹簧。

具体实施方式

本发明提供的三叶型推进发电两用式风帆，该风帆通过结构连接物与船体甲板10连接成一个整体，并且通过推进帆面受力为船体提供推进动力；结构连接物为包括桅杆2、转动机构及其发电机组1的底座支撑物；整个风帆以桅杆2为中轴线旋转，风帆可随桅杆2固定在最佳角度辅助船舶推进，也可随桅杆转动进而提供发电系统的动力；发电机组1的位置在风帆底部。这样的结构允许船舶在迎风向40°～320°之间时采用风帆辅助船舶推进，在另外的迎风向-40°～40°之间时进行风力发电。由于营运船舶的吨位、用途、航速、航区等有着巨大的差别，应选择相应的技术措施。

所述的船舶自设有：主机、螺旋桨、发电机，在船舶驾驶甲板以上设置风速风向采集系统6，在船舶驾驶室内设置风帆自动控制系统，主要控制推进发电帆面的收放、桅杆2的转动和发电机组1的工作监控。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的三叶型推进发电两用式风帆(简称风帆)，其结构如图1和图2所示，包括发电机组1、风帆桅杆2、风帆转动机构9、第一推进发电帆面3、第二推进发电帆面5、第三推进发电帆面8。

所述的风帆转动机构9固定装在船体甲板10上，风帆转动机构9与风帆桅杆2转动连接，风帆桅杆2只朝设计方向转动。风帆转动机构9可通过船舶本身提供的动力转动，并带动风帆桅杆的转动与方向固定。该风帆转动机构由卷扬机、离合器和转盘组成，其中，转盘安装在风帆桅杆2的底部，离合器连接转盘的内外转轴，转盘的内转轴与发电机组1连接，卷扬机通过转盘外绕的钢丝绳与转盘的外转轴连接。风帆处于推进模式时，离合器为分离状态，风帆转动机构9通过钢丝绳传动，用可逆转的卷扬机来回牵引钢丝绳转动转盘，使风帆桅杆2转动和固定，风帆桅杆的转动不对发电机组产生影响；风帆处于发电模式时，离合器为接合状态，第一推进发电帆面3、第二推进发电帆面5和第三推进发电帆面8在风的作用下产生使风帆桅杆2旋转的离心力，风帆桅杆的旋转进而带动发电机组1发电。

所述的风帆桅杆2内部为空心结构，设置内部骨架，在脚点和应力集中处设有加强构件。所述骨架为钢质桁架结构。所述加强构件为钢质三角形角钢。

所述的推进发电帆面有三个，分别是第一推进发电帆面3、第二推进发电帆面5和第三推进发电帆面8。所有的推进发电帆面下沿底部高于船舶驾驶甲板1.6m以上。所述的推进发电帆面可分别控制其攻角大小。其中：第一电动机15带动第一蜗杆16和第一涡轮18转动；第一电动机15由中央控制系统控制；第一齿轮17和第一涡轮18同轴，随第一涡轮18的转动带动第一扇形齿弧19；第一扇形齿弧19的转动牵拉缓冲弹簧21而推动第一纵向旋转柄20；第一纵向旋转柄20用键套在第一推进发电帆面支撑杆12上，第一推进发电帆面支撑杆12内嵌在第一推进发电帆面3内，所以第一纵向旋转柄20的转动就使第一推进发电帆面3偏转。第二推进发电帆面支撑杆，第三推进发电帆面支撑杆，采用与第一推进发电帆面支撑杆相同方式分别和第二纵向旋转柄，第三纵向旋转柄，第二推进发电帆面，第三推进发电帆面连接。

上述的三个推进发电帆面的材料可以采用碳纤维、轻质金属或合成材料，其具有一定拱度比。拱度比在0.10～0.15之间，建议拱度比为0.10或0.12。三个推进发电帆面横剖面呈翼型形状。

本发明的三叶型推进发电两用式风帆的最大宽度小于或等于船体甲板(10)的宽度。

所述的推进发电帆面连接杆有三个，分别是第一推进发电帆面连接杆4、第二推进发电帆面连接杆11和第三推进发电帆面连接杆7，第一推进发电帆面连接杆4连接第一推进发电帆面3和风帆桅杆2，第二推进发电帆面连接杆11连接第二推进发电帆面5和风帆桅杆2，第三推进发电帆面连接杆7连接第三推进发电帆面8和风帆桅杆2。所述的三个推进发电连接杆通过设置在风帆桅杆2内的液压转动机构进行转动到某一方向上固定，以达到推进或发电的目的，所述的液压转动机构可通过市场购买。

所述的风力风向采集及分析系统6可通过市场购买，装在风帆桅杆2的顶部。该风力风向采集及分析系统组成是：包括风速测量仪、风向测量仪及其分析系统。

上述的风力风向采集及分析系统6，其工作过程是：将采集分析的风力风向信息转换成信号传达至驾驶台的风帆控制系统，风帆控制系统根据信号自动控制所述的三个推进发电帆面进行攻角改变、转向、固定等动作。

所述的发电机组1可以由市场上购买，该发电机组位于风帆转动机构9的底部，与船体甲板10固定连接。在第一推进发电帆面3、第二推进发电帆面5和第三推进发电帆面8受风力作用转动时，该发电机组将机械能转换为电能，向船舶电网输送同频率同电压的电功率。

本发明提供的三叶型推进发电两用式风帆(简称风帆)，其工作过程如下：

当船舶行驶方向与相对风向的夹角为40°～180°时，三个推进发电帆面先通过连接杆的转动合成一个整体帆面，然后，风帆转动机构9将风帆桅杆2与整体帆面转动到设计角度固定，风作用在三个推进发电帆面上产生的推力通过风帆桅杆2传递到船体，产生辅助船舶前进的推力，船舶主机进而降低转速以达到减少燃油消耗量的目的；

当船舶航行方向与来风方向的角度为0°～40°时，三个推进发电帆面通过连接杆转到固定位置，在此位置时，两个相邻的推进发电帆面连接杆之间的角度为120°，推进发电帆面在风力的作用下产生一个离心力，风帆桅杆2在离心力的作用下绕一个固定方向转动，发电机组1被带动进行发电，进而为船舶电力系统提供部分电能。

本发明提供的三叶型推进发电两用式风帆，其作为船舶的辅助和备用动力。

本发明能使常规风帆的效率提高20％到40％，采用两种节能方式可使三叶型推进发电两用式风帆在任何风向情况下均可运行，并且至少节省船舶主机或发电机总燃油消耗的6％。具有较大的经济性、实用性和社会价值。

Claims (3)

1.一种三叶型推进发电两用式风帆的用途，所述的风帆它主要由固定在船体甲板（10）上的发电机组（1）和风帆转动机构（9），与风帆转动机构（9）转动连接的且只朝设计方向转动的风帆桅杆（2），设在风帆桅杆（2）上部通过第一推进发电帆面连接杆（4）与之相连的第一推进发电帆面（3）,通过第二推进发电帆面连接杆（11）与之相连的第二推进发电帆面（5），通过第三推进发电帆面连接杆（7）与之相连的第三推进发电帆面（,8），以及装在所述的风帆桅杆顶部的风力风向采集及分析系统（6）构成；

所述的风帆转动机构（9）由卷扬机、离合器和转盘组成，其中：转盘与风帆桅杆（2）连接，离合器连接转盘的内外转轴，转盘的内转轴与发电机组（1）相连，卷扬机通过钢丝绳与转盘的外转轴相连；风帆桅杆（2）内部为空心结构，设置内部骨架，在脚点和应力集中处设有加强构件；所述的骨架为钢质桁架；所述的加强构件为钢质三角形角钢；

所述的风力风向采集及分析系统（6）将采集分析的风力风向信息转换成信号传达至驾驶台的风帆控制系统，风帆控制系统根据信号自动控制所述的第一推进发电帆面（3）, 第二推进发电帆面（5）以及第三推进发电帆面（8）的攻角，并且自动控制所述的三个推进发电帆面进行攻角改变、转动发电或固定推进的动作；

所述的第一推进发电帆面连接杆（4）、第二推进发电帆面连接杆（11）、第三推进发电帆面连接杆（7），通过桅杆上设置的液压转动机构进行相对位置变化与固定，以达到推进或发电的目的；在所述的三个推进发电帆面连接杆上设置有电动变攻角装置来改变推进发电帆面的迎风攻角，达到其最佳工作状况；其推进发电帆面采用轻质金属或合成材料制成，其横剖面呈翼型形状；

所述的三叶型推进发电两用式风帆的最大宽度小于或等于船体甲板（10）的宽度。

2.根据权利要求1所述的三叶型推进发电两用式风帆的用途，其特征是：所述的三个推进发电帆面受风力作用转动带动发电机组发的电能，向船舶电网输送同频率同电压的电功率；所发的电能作为船舶的辅助和备用动力。

3.根据权利要求1所述的三叶型推进发电两用式风帆的用途，其特征是：

当船舶行驶方向与相对风向的夹角为40°~ 180°时，三个推进发电帆面先分别通过与其相连的推进发电帆面连接杆转动合成一个整体帆面，然后，风帆转动机构（9）将风帆桅杆（2）与整体帆面转动到设计角度固定，风作用在三个推进发电帆面上产生的推力通过风帆桅杆（2）传递到船体，产生辅助船舶前进的推力，此时，降低船舶主机转速以达到减少燃油消耗量的目的；

当船舶航行方向与来风方向的角度为0°~ 40°时，三个推进发电帆面先分别通过与其相连的推进发电帆面连接杆转到固定位置，在此位置时，两个相邻的推进发电帆面连接杆之间的角度为120°，推进发电帆面在风力的作用下产生一个离心力，风帆桅杆（2）在离心力的作用下绕一个固定方向转动，发电机组（1）被带动进行发电，进而为船舶电力系统提供部分电能。

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