CN101786498A - 用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置 - Google Patents

Abstract

用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置，含有充气伞帆，伞帆放收装置，伞帆拉索。伞帆放收装置具有伸缩、仰角角度调节、随风向进行旋转角度调节以及伞帆在无风时进行悬挂的功能，可以充气的伞帆形状具有多种形式。本发明的充气型风能伞帆装置通过充气与抽气来实现伞帆的施放与收回。对于侧向风的情况，可以采用侧向施放伞帆，以及采用方向舵的综合调节方式来进行风向及航向的调节。所提出的风能伞帆装置具有伞帆位置稳定、伞帆形状固定、受风面积大、受风位置较高、风能利用率高、放收操作简便等特点，既可以作为船舶航行的风力装置，也可以作为现有燃油动力船舶航行时的一个风力补充动力装置。

Description

用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置

技术领域

本发明涉及一种利用海洋风能作为船舶航行动力的伞帆结构及装置，属于船舶动力及风能利用技术领域。

背景技术

当今的大部分能源来源是化石燃料：煤、石油以及天然气，以现在的使用速度，已知的剩余煤矿矿藏将在约200年后被用完，而石油和天然气将在不到100年内使用殆尽。化石燃料在使用时会造成大量的环境污染，其中包括导致全球变暖的温室气体。

当太阳能辐射到地球表面上时，由于受热不均，将引起大气的流动，加上季节的不同以及地球的自转，在海洋上将形成有规律的季风，这些风为船舶的航行提供了无尽的能源。早在5000多年前，就出现了大型的帆船，开始穿越于地中海之间；为适应各种类型的自然风，帆船的帆、桅杆以及船体逐渐向着精细化、专业化方向发展。在“大航海时代”的15世纪到19世纪中期，快速帆船、纵帆船、战舰以及各种各样的多帆帆船遍及了全球的海洋，人们充分利用帆船及风能探索海洋、发现新大陆，为推动人类的文明发展做出了重要的贡献。

风能是可再生或可持续的能源，在各种风能资源中，海上的风能具有较强的规律性，当然在风力大小以及风向上也具有一定的随机性，因此，可以将风能作为现有船舶动力的一个重要补充，可以节约大量的燃油。在现代船舶中，也出现了带动力的帆船，其结构都是在船体上安装固定桅杆及布帆，并根据风向及航向来控制帆布展开的方向。如1980年下水的“新爱德丸号”货轮，该船在甲板上树立着高高的桅杆，桅上的支架撑起布帆，采用计算机分析风力和天气的情况，并计算出帆和发动机的最佳使用方案，当风力较大以及风向合适时，就可以完全依靠风能来拉动船舶进行航行，当风力及方向不适时，可以综合利用船舶上的内燃机动力以及风力来进行航行，即使将风力仅作为燃油发动机的“额外”补充，就能够节省至少20％的燃料。

目前，国际上的货物流通主要通过海上运输来完成的，每年由于海上运输所消耗的燃油能源占到相当大的比重，如何充分利用海上的风能来驱动船舶、或作为现有燃油船舶的动力补充，是目前所应当考虑的问题。

对于固定桅杆的帆船，一般都有较高的桅杆，当风力较大时，会产生较大的倾翻力矩，固定的桅杆及布帆将在船舶甲板上占据较大的空间。对于风速来说，随着高度的变化将有明显的不同，该现象称为风切变；一般情况下，因风切变现象产生的风速为高度的幂函数关系；因此，较高位置的风速大，具有较高的风能利用率。因此，具有固定桅杆的帆船因施放布帆的空间较低，造成受风效率较低；若增加固定桅杆的高度以及布帆的面积，也将带来一系列的安全隐患，并且，在船舶进出港口时会由于较高的桅杆带来较大的问题。

海上风能为可再生的一次能源，若能够直接利用作为动力，无需能量的转换(如发电就需要进行多次的转换)，这本身就可以提高风能利用的效率，若能够利用较高位置的风能，则还能进一步提高利用率，因此，将海上的风能作为现有动力船舶的补充将是一个重要发展的方向，关键是需要设计并制造出安全可靠、使用方便、成本较低的风能利用装置。

近年来，出现了一些利用风能的发明设想，如“伞状风帆船”(200810036632.8)(公开号CN101565100)，它包括风帆、钛合金圆环、液氢罐等复杂装置，但没有放收装置，其稳定性、伞状风帆的可实施性存在较大问题。另一专利文献“在具有风力驱动装置的船舶中用于飞出的筝帆式迎风部件的张开系统”(200580020233.7)(公开号CN1968850)中，采用垂直固定装置进行施放，施放平台不能同时进行仰角及自旋转的调整，该装置不具有筝帆回收的功能，筝帆回收仅通过主拉索的回收来完成，在遇到风力较小或无风的情况下，若拉索回收不及时，施放后的伞帆将会掉入水中，况且，风力具有一定随机性，也不能频繁地采用主拉索的回收来进行操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于船舶航行的充气型风能伞帆装置，使其具有伞帆位置稳定、伞帆形状固定、风能利用率高、放收操作简便等特点，因而既可以作为船舶航行的风力装置，也可以作为现有燃油动力船舶航行时的一个风力补充动力装置。

本发明的技术方案如下：

一种用于船舶航行的收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：所述装置含有带气流孔的充气型第一伞帆、伞帆放收装置、伞帆主充气软管、非受力放收悬挂拉索、充气抽气装置、伞帆第一主拉索及伞帆第二主拉索；所述的充气型第一伞帆采用收放气的扩撑伞环，充气型第一伞帆通过伞帆第一主拉索及伞帆第二主拉索与所述的伞帆放收装置连接；所述的伞帆主充气软管的一端与收放气的扩撑伞环连通，另一端与所述的充气抽气装置连通；所述的非受力放收悬挂拉索的一端与收放气的扩撑伞环连接，另一端与伞帆放收装置(2)连接。

本发明的技术特征还在于：所述的伞帆放收装置由伞帆放收的前端支架、可伸缩的放收主支架、调整仰角的支架、具有旋转功能的放收装置底座、充气软管限位环、悬挂拉索限位套、悬挂拉索放收滑轮、悬挂拉索放收装置以及伞帆拉索放收及受力装置组成；所述的充气型第一伞帆通过伞帆第一主拉索及伞帆第二主拉索与伞帆拉索放收及受力装置连接；所述的伞帆主充气软管的一端与收放气的扩撑伞环连通，另一端穿过充气软管限位环与所述的充气抽气装置连通；所述的非受力放收悬挂拉索的一端与收放气的扩撑伞环连接，另一端通过伞帆放收前端支架的悬挂拉索放收滑轮以及悬挂拉索限位套与悬挂拉索放收装置连接。

本方面的另一技术特征是：在所述的充气型第一伞帆上设有充气水平翼和充气垂直翼。所述的充气型第一伞帆的形状为圆型、长方型或椭圆型。

本发明的又一技术特征是：所述装置还包括与充气型第一伞帆相串联的两级以上的充气型伞帆，后一级伞帆的主拉索及充气软管穿过前一级充气伞帆上的气流孔分别与前一级充气伞帆所对应的主拉索和充气软管连接。

本发明与现有技术相比，具有以下特点及突出性效果：①采用具有收放功能的充气型风能伞帆装置，在使用上具有较大的灵活性，②在风力较小或无风时，伞帆将悬挂在伞帆放收装置上，伞帆的位置较为稳定，③充气后的伞帆具有较固定的形状和刚度，还有充气水平翼和充气垂直翼，伞帆受风时的稳定性较好，④伞帆在施放时进行充气，在收回时进行抽气，伞帆成为紧缩的纺织物，操作过程简单可靠，⑤伞帆的施放装置在船体上所占用的空间较少，对船体的空间布置影响不大。

附图说明

图1为本发明提供的用于船舶航行的充气型风能伞帆装置示意图。

图2为利用充气型风能伞帆装置进行航向调节的示意图。

图3为伞帆放收装置的前端支架结构。

图4为充气型风能伞帆的三种形状的示意图。

图中：1-充气型第一伞帆；2-伞帆放收装置；3-伞帆第一主拉索；4-伞帆第二主拉索；5-帆面拉索；6-气流孔；7-充气水平翼；8-充气垂直翼；9-充气伞面；10-充气扩撑伞环；11-非受力放收悬挂拉索；12-伞帆主充气软管；13-伞帆放收的前端支架；14-可伸缩的主支架；15-调整仰角的支架；16-充气、抽气装置；17-伞帆拉索放收及受力装置；18-船体；19-船体建筑；20-动力螺旋桨；21-方向舵；22-充气型串联第二伞帆；23-第二伞帆充气软管；24-船体中部的位置；25-船体左侧的位置；26-船体右侧的位置；27-侧向风；28-航向；29-放收装置底座；30-悬挂拉索放收装置；31-充气软管限位环；32-悬挂拉索限位套；33-悬挂拉索放收滑轮；34-前端支架上的悬挂叉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构及具体实施方式作进一步的说明：

图1是本发明提供的用于船舶航行的充气型风能伞帆装置示意图。所述装置包括带气流孔6的充气型第一伞帆1、伞帆放收装置2、伞帆主充气软管12、非受力放收悬挂拉索11、充气抽气装置16、伞帆第一主拉索3及伞帆第二主拉索4。伞帆的外缘为具有空腔、可充气的扩撑伞环10；充气型第一伞帆1通过伞帆第一主拉索3及伞帆第二主拉索4与所述的伞帆放收装置连接；所述的伞帆主充气软管12的一端与收放气的扩撑伞环10连通，另一端与所述的充气抽气装置16连通；所述的非受力放收悬挂拉索11的一端与收放气的扩撑伞环10连接，另一端与伞帆放收装置2连接。伞帆放收装置2由伞帆放收的前端支架13、可伸缩的放收主支架14、调整仰角的支架15、具有旋转功能的放收装置底座29、充气软管限位环31、悬挂拉索限位套32、悬挂拉索放收滑轮33、悬挂拉索放收装置30以及伞帆拉索放收及受力装置17组成。充气型第一伞帆1通过伞帆第一主拉索3及伞帆第二主拉索4与伞帆拉索放收及受力装置17连接；所述的伞帆主充气软管12的一端与收放气的扩撑伞环10连通，另一端穿过充气软管限位环31与所述的充气抽气装置16连通；所述的非受力放收悬挂拉索11的一端与收放气的扩撑伞环10连接，另一端通过伞帆放收前端支架13的悬挂拉索放收滑轮33以及悬挂拉索限位套32与悬挂拉索放收装置30连接。

图2为利用充气型风能伞帆装置进行航向调节的示意图，伞帆放收装置的位置布置包括船体中部的位置24、船体左侧位置25以及船体的右侧位置26。当有侧向风27时，应在偏侧向风的船体一侧施放伞帆，也可以在中部施放伞帆，再利用方向舵21的调节作用，使得船舶指向航向28。

图3为伞帆放收装置的前端支架结构，包含悬挂拉索放收滑轮33和前端支架上的悬挂叉34；充气软管限位环31固定在支架上，将对充气软管的走向起到限位的作用，悬挂拉索限位套32固定在支架上，将对非受力放收悬挂拉索11的走向起到限位的作用。

图4为充气型风能伞帆的三种形状的示意图。伞帆形状可以为圆型29、长方型30或椭圆型31，可以采用具有密封性能的纺织材料，伞帆的外缘为具有空腔的、可以充气的扩撑伞环10，伞帆上还有充气水平翼7及充气垂直翼8，在充气的伞面上留有密封隔离后的气流孔，作为串联伞帆主拉索的通过孔，同时，可以起到稳定伞帆气流的作用。

本发明提供的用于船舶航行的收放的充气型风能伞帆装置还可以包括与充气型第一伞帆相串联的两级以上的充气型伞帆，后一级伞帆的主拉索及充气软管穿过前一级充气伞帆上的气流孔分别与前一级充气伞帆所对应的主拉索和充气软管连接。

在施放伞帆前，根据风力及风向，首先，调整好伞帆放收装置2的仰角角度及放收装置底座29的角度，将主支架伸出，通过伞帆放收的前端支架13，由非受力放收悬挂拉索11将伞帆的纺织物挂起，通过第一伞帆充气软管12及第二伞帆充气软管23，由充气抽气装置16进行充气，所用气体为空气，当充气型第一伞帆1及充气型串联第二伞帆22的充气扩撑伞环10、充气水平翼7、充气垂直翼8以及伞面9的腔体充满气后，伞帆就具有固定的外形，在充气过程中通过悬挂拉索放收装置30逐渐放松非受力放收悬挂拉索11，伞帆由于风力的作用会升高到一定的位置，这时伞帆第一主拉索3及伞帆第二主拉索4逐渐拉紧并受力，成为主承载拉索，并将所受的风载传递到伞帆拉索放收及受力装置17上，伞帆第一主拉索3及伞帆第二主拉索4的长度应与伞帆放收装置2的最大伸出长度相当，以使得在风力较小或无风时，伞帆可以通过非受力放收悬挂拉索11悬挂在伞帆放收装置2的前端支架13上，保持伞帆的位置较为稳定。当需要收回伞帆时，通过第一伞帆充气软管12及第二伞帆充气软管道23，由装置16进行抽气，这时伞帆将成为紧缩的纺织物，再由伞帆放收装置2缩回主支架。

充气型伞帆的使用应在风力及风向稳定、空间较为宽阔的环境中使用，在进入港口、或遇大风浪等不便使用时，应通过伞帆放收装置2收回伞帆。在使用过程中，当遇到紧急情况下，或伞帆放收装置2出现故障时，可以割断伞帆的拉索3、4以及非受力放收悬挂拉索11，放弃伞帆，以保证船舶的安全。伞帆的形状可以设计成圆型、长方型、椭圆形、或其他形状，应根据船舶的要求、风力的大小及利用率来进行设计。伞帆可以采用具有密封性能的纺织材料，所充气体为空气，由于伞帆的体积较大，会出现局部区域气体的泄漏，在使用过程中可以通过充气装置16对伞帆进行连续充气，以保证有一定的气压。充气扩撑伞环10、充气水平翼7及充气垂直翼8在充气后，因内腔具有一定的气压，将具有一定的刚度，会起到支撑骨架的作用，当内腔气体被抽掉后，充气扩撑伞环10、伞面9、充气水平翼7及充气垂直翼8将成为紧缩状态。

伞帆放收装置应具有承力、伸缩、仰角角度调节以及随风向进行旋转角度调节的功能，可以进行自动操作，也具有手动操作的功能，以增加伞帆操作的可靠性。连接在扩撑伞环上边的拉索要短于下边拉索，使伞面成一个倾斜姿态，具有升力的作用；伞帆放收装置2中的可伸缩的主支架14可以采用多级的液压套筒，调整仰角的支架15采用液压作动筒，在伞帆放收的前端支架13上面分别连有非受力放收悬挂拉索11，在风力较小或无风的时刻，位于伞帆放收前端支架13上的非受力放收悬挂拉索11将起到悬挂伞帆的作用。由于采用双排主拉索，不但增加伞帆的稳定性，还防止主拉索的缠绕。

Claims (5)

1.一种用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：所述装置含有带气流孔的充气型第一伞帆(1)、伞帆放收装置(2)、伞帆主充气软管(12)、非受力放收悬挂拉索(11)、充气抽气装置(16)、伞帆第一主拉索(3)及伞帆第二主拉索(4)；所述的充气型第一伞帆采用收放气的扩撑伞环(10)，充气型第一伞帆(1)通过伞帆第一主拉索(3)及伞帆第二主拉索(4)与所述的伞帆放收装置连接；所述的伞帆主充气软管(12)的一端与收放气的扩撑伞环(10)连通，另一端与所述的充气抽气装置(16)连通；所述的非受力放收悬挂拉索(11)的一端与收放气的扩撑伞环(10)连接，另一端与伞帆放收装置(2)连接。

2.按照权利要求1所述的一种用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：所述的伞帆放收装置(2)由伞帆放收的前端支架(13)、可伸缩的放收主支架(14)、调整仰角的支架(15)、具有旋转功能的放收装置底座(29)、充气软管限位环(31)、悬挂拉索限位套(32)、悬挂拉索放收滑轮(33)、悬挂拉索放收装置(30)以及伞帆拉索放收及受力装置(17)组成；所述的充气型第一伞帆(1)通过伞帆第一主拉索(3)及伞帆第二主拉索(4)与伞帆拉索放收及受力装置(17)连接；所述的伞帆主充气软管(12)的一端与收放气的扩撑伞环(10)连通，另一端穿过充气软管限位环(31)与所述的充气抽气装置(16)连通；所述的非受力放收悬挂拉索(11)的一端与收放气的扩撑伞环(10)连接，另一端通过伞帆放收前端支架(13)的悬挂拉索放收滑轮(33)以及悬挂拉索限位套(32)与悬挂拉索放收装置(30)连接。

3.按照权利要求1或2所述的一种用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：在所述的充气型第一伞帆上设有充气水平翼(7)和充气垂直翼(8)。

4.按照权利要求3所述的一种用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：所述的充气型第一伞帆的形状为圆型、长方型或椭圆型。

5.按照权利要求3所述的一种用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：所述装置还包括与充气型第一伞帆相串联的两级以上的充气型伞帆，后一级伞帆的主拉索及充气软管穿过前一级充气伞帆上的气流孔分别与前一级充气伞帆所对应的主拉索和充气软管连接。

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