CN101844614A - 用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置 - Google Patents

Abstract

用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，含有悬浮型伞帆、伞帆放收装置、充气抽气装置和伞帆拉索。悬浮型伞帆通过伞帆拉索与所述的伞帆放收装置。伞面内设有伞面充气气囊和伞顶充气气囊，还设有充气方向翼和充气稳定翼，可以充填比空气轻的气体，如氦气、氢气等。还可以具有多个的伞帆串联结构。本发明的悬浮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。本发明所提出的远程悬浮型风能伞帆装置具有伞帆悬浮的位置稳定、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远程悬浮型风能伞帆装置

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可收放的远程悬浮型伞帆结构及装置，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，已知的剩余煤矿矿减将在约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及动力。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也会带来较多的问题。

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、成本较低的风能驱动装置。

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。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)提出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。专利文献“一种利用浮动式风帆产生推动力的船用装置”(200810034057.8)(公开号CN101519114)也提出一个了一个浮动式风帆的设想，对于施放和回收方式、空中漂浮结构、漂浮稳定性等，均未提出具有可实施的方案。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，当充填有较轻的气体时，使其能够进行较高空间位置上的远程施放，而且伞帆位置稳定、伞帆形状固定、风能利用率高、放收操作可靠等特点，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可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：所述装置含有带气流孔的悬浮型第一伞帆、伞帆放收装置、伞帆充抽气软管、充气抽气装置以及伞帆拉索；所述的悬浮型第一伞帆包括充气伞面和充气扩撑伞环，该悬浮型第一伞帆通过伞帆拉索(与所述的伞帆放收装置连接，所述的充气扩撑伞环通过帆面拉索连接到所述的伞帆拉索上；所述的伞帆充抽气软管的一端与充气扩撑伞环连通，另一端与所述的充气抽气装置连通，该充气抽气装置所充气体为氦气或氢气；所述的悬浮型第一伞帆的形状为圆型、长方型或椭圆型。

本发明的技术特征还在于：在所述的悬浮型第一伞帆的充气伞面内设有伞面充气气囊和伞顶充气气囊，这些气囊与伞帆充抽气软管相连。

本发明的另一技术特征在于：在所述的悬浮型第一伞帆上设有充气方向翼和充气稳定翼，所述的充气方向翼设置在迎风面的后侧方，当悬浮型第一伞帆的形状为长方型或椭圆型，所述的充气方向翼对称布置两个；所述的充气稳定翼对称设置在悬浮型第一伞帆的两侧；在所述的充气方向翼内设有方向翼充气气囊，该充气气囊与伞帆充抽气软管相连。

本发明所述的伞帆放收装置由伞帆放收前端支架、可伸缩的主支架、调整仰角的支架、放收装置底座以及伞帆拉索放收及受力装置组成，所述悬浮型第一伞帆通过伞帆拉索与所述的伞帆拉索放收及受力装置连接。

本发明的又一技术特征还在于：在所述的悬浮型第一伞帆的迎风面上设有导风口；当悬浮型第一伞帆的形状为长方型时，所述的导风口采用两个且对称布置。

本发明所述的一种用于船舶航行的可收放的悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：所述的远程悬浮型风能伞帆装置还包括与第一悬浮型结构相同且与第一伞帆相串联的两级以上的悬浮型伞帆，后一级悬浮型伞帆拉索及充抽气软管穿过前一级悬浮伞帆上的气流孔分别与前一级悬浮伞帆所对应的拉索和充抽气软管连接。

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悬浮型风能伞帆装置，在使上具有较大的灵活性，②悬浮型伞帆具有内腔结构，含有充气气囊，可以充进比空气轻的气体(如氦气、氢气等)，也可以抽出所充填的气体，并存储起来重复使用，可以实现较高空间位置的远程施放，即使在风力较小或无风时，伞帆也会悬浮在空中，位置较为稳定，③充气后的伞帆具有较固定的形状和刚度，还有充气方向翼和充气稳定翼，由于有充气方向翼及导风口，可以使得伞帆的受风状态更为稳定，④伞帆在施放时进行充气，在收回时进行抽气，并通过伞帆拉索放收装置进行拉索的收回，由前端支架的两叉及铰接机构将其固定，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可收放的远程悬浮型风能伞帆装置实施例的结构示意图。

图2为漂浮型伞帆结构的示意图。

图3为漂浮型风能伞帆的三种形状的示意图。

图中：1-漂浮型第一伞帆；2-伞帆放收装置；3-伞帆拉索；4-充抽气软管限位环；5-帆而拉索；6-气流孔；7-充气方向翼；8-充气稳定翼；9-充气伞面；10-导风口；11-充气扩撑伞环；12-伞帆充抽气软管；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-后一级漂浮型伞帆；23-后一级悬浮型伞帆拉索；24-伞面充气气囊；25-方向翼充气气囊；26-伞底充气气囊；27-放收装置底座；28-风向。

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为本发明提供的用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置实施例的结构示意图。所述装置包括带气流孔6的悬浮型第一伞帆1、伞帆放收装置2、伞帆充抽气软管12、充气抽气装置16以及伞帆拉索3。悬浮型第一伞帆包括充气伞面9和充气扩撑伞环11伞帆；悬浮型第一伞帆1通过帆面拉索5与伞帆拉索3连接，伞帆拉索3再与所述的伞帆放收装置2连接；所述的伞帆充抽气软管12的一端与收放气的扩撑伞环11连通，另一端与所述的充气抽气装置16连通。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27以及伞帆拉索放收及受力装置17连接，前端支架13具有两叉和铰接机构，可以实现张开与合并的功能，用于伞帆的施放与回收。悬浮型第一伞帆1通过伞帆拉索3与伞帆拉索放收及受力装置17连接；所述的伞帆充抽气软管12的一端与收放气的扩撑伞环11连通，另一端穿过充抽气软管套环4与所述的充气抽气装置16连通。

图2为漂浮型伞帆的结构，伞帆形状可以为圆型、椭圆型或长方型。在悬浮型第一伞帆的充气伞面内设有伞面充气气囊24和伞顶充气气囊26，这些气囊与伞帆充抽气软管12相连。在悬浮型第一伞帆上还设有充气方向翼7和充气稳定翼8；充气方向翼设置在迎风面的后侧方，当悬浮型第一伞帆的形状为长方型或椭圆型，所述的充气方向翼对称布置两个；充气稳定翼对称设置在悬浮型第一伞帆的两侧。充气方向翼内设有方向翼充气气囊25，该充气气囊与伞帆充抽气软管12相连。充气方向翼和充气稳定翼能使伞帆在空中起到较好的稳定作用。伞面充气气囊24、方向翼充气气囊25、伞底充气气囊26可以充进比空气轻的气体(如氦气、氢气等)，也可以抽出所充填的气体，并存储起来重复使用。为了是伞帆的受风状态更加稳定，在悬浮型第一伞帆的迎风面上还设有导风口10。

图3(a)、(b)、(c)为悬浮型伞帆的三种形状的示意图。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11，伞帆上还有充气方向翼7、充气稳定翼8及导风口10，对于伞面较扁的椭圆型或长方型伞帆，可以采用两个充气方向翼7，或两个导风口10，在充气的伞面上留有密封隔离后的气流孔6，作为串联伞帆拉索的通过孔，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远程悬浮型风能伞帆装置还可以包括与悬浮型第一伞帆的结构相同且相串联的两级以上的悬浮型伞帆，后一级悬浮型伞帆拉索23及充抽气软管穿过前一级悬浮伞帆上的气流孔分别与前一级悬浮伞帆所对应的拉索和充抽气软管连接。

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27的角度，将主支架伸出，通过伞帆放收的前端支架13作为支撑，将伞帆的纺织物挂起，通过伞帆充抽气软管12由充气抽气装置16进行充气，所用气体为比空气轻的气体，如氦气、氢气等，当悬浮型第一伞帆1及后一级漂浮型伞帆22的充气扩撑伞环11、伞面充气气囊24、方向翼充气气囊25、伞底充气气囊26的腔体充满气后，伞帆就具有固定的外形，将前端支架13的两叉机构张开，以释放出充气后的伞帆，伞帆由于充填有较轻的气体，将使得它悬浮在空中，通过伞帆拉索放收及受力装置17对伞帆拉索3及充抽气软管12的逐步放出，可以将伞帆释放到更高的位置；当在一定风向28的风力的作用时，由于伞帆的充气方向翼8以及导风口10的共同作用，将使得伞帆受到风的拉力作用，并通过帆面拉索5传递到伞帆拉索3上，再通过伞帆拉索放收及受力装置17传递到船体上。当风力较小或无风时，伞帆将悬浮在船体的上方；当有风力的作用时，伞帆及拉索将顺着风向倾斜。

当需要收回伞帆时，通过伞帆拉索放收及受力装置17对伞帆拉索3及充抽气软管12进行逐步回收，调整伞帆放收装置2的方向及仰角，将伞帆放收的前端支架13的两叉机构张开，并扑捉伞帆拉索3，然后两叉机构合并将其固定在伞帆放收装置2上，并由充气抽气装置16进行抽气，将所填充的较轻气体回收，存储起来重复使用，这时伞帆将成为紧缩状态，最后由伞帆放收装置2缩回主支架。

悬浮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，可以割断伞帆的伞帆拉索3以及充抽气软管12，放弃伞帆，以保证船舶的安全。伞帆的形状可以设计成圆型、椭圆形、长方型或其他形状，应根据船舶的要求、风力的大小及利用率来进行设计。伞帆各个部位的充气气囊应采用具有密封性能的纺织材料，所填充气体为较轻的气体，如氦气、氢气等。导风口10、充气方向翼7以及充气稳定翼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11、充气伞面9、充气方向翼7及充气稳定翼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。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。悬浮伞面具有迎风口、稳定翼以及用于定向风向翼，使得伞帆具有较好的悬浮性及风向受力性。

Claims (7)

1.一种用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：所述装置含有带气流孔(6)的悬浮型第一伞帆(1)、伞帆放收装置(2)、伞帆充抽气软管(12)、充气抽气装置(16)以及伞帆拉索(3)；所述的悬浮型第一伞帆包括充气伞面(9)和充气扩撑伞环(11)，该悬浮型第一伞帆(1)通过伞帆拉索(3)与所述的伞帆放收装置连接，所述的充气扩撑伞环通过帆面拉索(5)连接到所述的伞帆拉索(3)上；所述的伞帆充抽气软管(12)的一端与充气扩撑伞环(11)连通，另一端与所述的充气抽气装置(16)连通，该充气抽气装置所充气体为氦气或氢气；所述的悬浮型第一伞帆的形状为圆型、长方型或椭圆型。

2.按照权利要求1所述的一种用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：在所述的悬浮型第一伞帆的充气伞面内设有伞面充气气囊(24)和伞顶充气气囊(26)，这些气囊与伞帆充抽气软管(12)相连。

3.按照权利要求1所述的一种用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：在所述的悬浮型第一伞帆上设有充气方向翼(7)和充气稳定翼(8)，所述的充气方向翼设置在迎风面的后侧方，当悬浮型第一伞帆的形状为长方型或椭圆型，所述的充气方向翼对称布置两个；所述的充气稳定翼对称设置在悬浮型伞帆的两侧。

4.按照权利要求3所述的一种用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：在所述的充气方向翼内设有方向翼充气气囊(25)，该充气气囊与伞帆充抽气软管(12)相连。

5.按照权利要求1所述的一种用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：所述的伞帆放收装置(2)由伞帆放收前端支架(13)、可伸缩的主支架(14)、调整仰角的支架(15)、放收装置底座(27)以及伞帆拉索放收及受力装置(17)组成，所述悬浮型第一伞帆通过伞帆拉索(3)与所述的伞帆拉索放收及受力装置连接。

6.按照权利要求1～5任一权利要求所述一种用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：在所述的悬浮型第一伞帆的迎风面上设有导风口(10)；当悬浮型第一伞帆的形状为长方型时，所述的导风口采用两个且对称布置。

7.按照权利要求6所述的一种用于船舶航行的可收放的悬浮型风能伞帆装置，其特征在于：所述的远程悬浮型风能伞帆装置还包括与悬浮型第一伞帆的结构相同且相串联的两级以上的悬浮型伞帆，后一级悬浮型伞帆拉索(23)及充抽气软管穿过前一级悬浮伞帆上的气流孔分别与前一级悬浮伞帆所对应的拉索和充抽气软管连接。

Images