CN102152846B - 带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置 - Google Patents

Abstract

带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，含有伸出式可收放受力支架、充气的伞帆、充气抽气装置、伞帆拉索、反面拉索收放器、支架控制器以及支撑平台。伸出式可收放受力支架具有伸缩、仰角角度调节、悬挂伞帆以及承受拉力的功能，支撑平台具有随风向进行旋转角度调节的功能，受力支架还具有可以悬挂多个伞帆的多级结构的功能。本发明通过对伞帆的充气与抽气、反面拉索收放器以及受力支架的伸缩来实现伞帆的施放与收回。所提出的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，具有很高的可靠性，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

带有双支架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带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，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。

专利文献“用于船舶航行的可收放的充气型风能伞帆装置”(201010131058.1，公开号101786498A)，给出的伞帆放收装置为单独的支架，仅能起到悬挂伞帆的作用，且与伞帆之间为分离状态，靠非受力放收悬挂拉索进行连接，在施放伞帆时，伞帆充气后仅通过风力的吹动来进行施放，由于施放后伞帆与支架之间没有紧密的拉索连接，特别是没有反向拉索，在有侧向风时、甚至有反向风时，伞帆受风的影响，其位置将变得非常不稳定；在回收时，仅靠伞帆的抽气来进行，然后悬挂在放收装置的支架上，同样，也受到风吹的严重影响，也就是放收装置的支架对伞帆稳定性所起的作用很小，在伞帆施放与收回的可操作性、稳定性方面具有明显的不足。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，可以通过双支架的伸出以及对伞帆的充气，使得伞帆得以施放，具有伞帆位置稳定、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：

一种带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，含有充气型第一伞帆、充气型串联第二伞帆、第一伞帆正面拉索、第二伞帆正面拉索、充气伞面、充气扩撑伞、充气抽气装置以及伞帆充气软管，其特征在于：所述装置含有第一伸出式可收放支架、第二伸出式可收放支架、调整仰角的支架和放收装置支撑平台；在充气型第一伞帆上设有与该伞帆中心线对称布置的第一伞帆的第一气流孔和第一伞帆的第二气流孔，在充气型串联第二伞帆上设有与该伞帆中心线对称布置的第二伞帆的第一气流孔和第二伞帆的第二气流孔，所述的第一伸出式可收放支架的一端与放收装置支撑平台铰连接，另一端穿过第一伞帆的第一气流孔及第二伞帆第一气流孔，所述的第二伸出式可收放支架的一端与放收装置支撑平台铰连接，另一端穿过第一伞帆的第二气流孔和第二伞帆的第二气流孔；

在所述的第一伸出式可收放支架连接和第二伸出式可收放支架上分别设有正面拉索收放器，所述的第一伞帆正面拉索通过正面拉索收放器与所述的第一伸出式可收放支架连接，第二伞帆正面拉索通过正面拉索收放器与所述的第二伸出式可收放支架连接；

两个伸出式可收放支架之间通过横向连接装置相连接；所述的调整仰角的支架的两端分别通过铰连接与放收装置支撑平台和横向连接装置相连。

该装置还包括伞帆反面拉索和反面拉索收放器，充气型第一伞帆的反面通过第一伞帆的反面拉索与第一伞帆反面拉索收放器相连，充气型串联第二伞帆的反面通过第二伞帆的反面拉索与第二伞帆反面拉索收放器相连，所述的第一伞帆反面拉索收放器和第二伞帆反面拉索收放器固定在横向连接装置上。

在所述的第一伸出式受力支架和第二伸出式受力支架上分别设有至少两个充气软管限位环，所述的伞帆充气软管通过充气软管限位环附着在伸出式受力支架上。

所述带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置还包括对支撑平台旋转角度以及伞帆的仰角进行控制的支架控制器，该支架控制器位于支撑平台上，通过液压管线和控制线路与调整仰角的支架相连。

本发明所述的充气型第一伞帆和充气型串联第二伞帆上上均设有充气翼，该包括充气水平翼和充气垂直翼。

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双支架，既有直接施放伞帆的作用，还有悬挂伞帆的作用，在使用上具有较大的方便性及灵活性，②风力将作用在伞帆上，伞帆将拉力通过双支架作用在船体上，作用在双支架上的拉力主要是沿着支架的轴向，拉力对船体的作用点位置较低，所产生的倾覆力矩非常小，牵引船舶的航行较为稳定，③充气后的伞帆具有较固定的形状和刚度，伞帆受风时的稳定性较好，④充气型伞帆具有双向拉索，由于使用了伞帆的反面拉索以及反面拉索收放器，使得在有侧向风时、甚至有反向风时，伞帆也具有很好的稳定性，⑤伞帆在施放时，由双支架的伸出，并结合对伞帆的充气，将直接带动两级伞帆的施放，使得施放更直接、更可靠，⑥在回收时，也是由双支架的缩回，并结合对伞帆的抽气，将直接通过反面拉索收放器将伞帆收回，并使得伞帆成为紧缩状态，操作过程简单可靠，⑦对于侧向风，可以在船体上安装两套本发明的装置，并使得两个装置所施放的伞帆形成一个夹角，以得到一个航行角度的矫正力矩，⑧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为本发明提供的带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置的结构示意图。

图2为可收放双支架示意图。

图3为双向拉索结构示意图。

图4为装置布置的示意图。

图中：1-充气型第一伞帆；2-充气型串联第二伞帆；3-第一伸出式可收放受力支架；4-第二伸出式可收放受力支架；5-第一伞帆正面拉索；6-第二伞帆正面拉索；7-第一伞帆反面拉索；8-第二伞帆反面拉索；9-第一伞帆第一气流孔；10-第一伞帆的第二气流孔；11-充气伞面；12-充抽气扩撑伞环；13-横向连接装置；14-调整仰角的支架；15-充气抽气装置；16-伞帆充气软管；17-充气软管限位环；18-放收装置支撑平台；19-支撑平台旋转角度；20-支架仰角；21-第一伞帆反面拉索收放器；22-第二伞帆反面拉索收放器；23-第二伞帆的第一气流孔；24-第二伞帆的第二气流孔；25-充气翼；26-船体；27-动力螺旋桨；28-方向舵；29-位于船体中部的放收装置；30-位于船体后部的放收装置；31-两个放收装置放置的夹角；32-风向；33-航向；34-正面拉索收放器；35-支架控制器。

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是本发明提供的带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置示意图。该装置含有充气型第一伞帆1、充气型串联第二伞帆2、第一伞帆正面拉索5、第二伞帆正面拉索6、充气伞面11、充气扩撑伞环12、充气抽气装置15、伞帆充气软管16，第一伸出式可收放支架3、第二伸出式可收放支架4、调整仰角的支架14和放收装置支撑平台18等；在充气型第一伞帆上设有与该伞帆中心线对称布置的第一伞帆的第一气流孔9和第一伞帆的第二气流孔10；在充气型串联第二伞帆上设有与该伞帆中心线对称布置的第二伞帆的第一气流孔23和第二伞帆的第二气流孔24，所述的第一伸出式可收放支架3的一端与放收装置支撑平台18铰连接，另一端穿过第一伞帆的第一气流孔9及第二伞帆第一气流孔23；所述的第二伸出式可收放支架4的一端与放收装置支撑平台18铰连接，另一端穿过第一伞帆的第二气流孔10和第二伞帆的第二气流孔24。

在所述的第一伸出式可收放支架连接和第二伸出式可收放支架上分别设有正面拉索收放器34，所述的第一伞帆正面拉索5通过正面拉索收放器34与所述的第一伸出式可收放支架连接，第二伞帆正面拉索6通过正面拉索收放器34与所述的第二伸出式可收放支架连接。

两个伸出式可收放支架之间通过横向连接装置13相连接；所述的调整仰角的支架14的两端分别通过铰连接与放收装置支撑平台18和横向连接装置13相连。

两个伞帆的外缘为充气扩撑伞环12，该伞环为空腔结构，伞帆充气软管16一端与充气抽气装置15连通，另一端分别与充气型第一伞帆1和充气型串联第二伞帆2的充气扩撑伞环连通；所述的第一伸出式受力支架和第二伸出式受力支架上分别设有至少两个充气软管限位环17，所述的伞帆充气软管通过充气软管限位环17附着在伸出式受力支架上。

本发明所述装置还包括对支撑平台旋转角度以及伞帆的仰角进行控制的支架控制器35，该支架控制器35位于支撑平台18上，通过液压管线和控制线路与调整仰角的支架14相连。可以根据要求，采用液压控制的方式或其他方式，对支撑平台旋转角度19以及伞帆的仰角20进行控制。

图2为可收放双支架示意图，第一伸出式可收放支架3的一端与放收装置支撑平台18铰连接，另一端穿过第一伞帆第一气流孔9及第二伞帆第一气流孔23，第二伸出式可收放支架4的一端与放收装置支撑平台18铰连接，另一端穿过第一伞帆第二气流孔10及第二伞帆第二气流孔24，并且具有多级伸出式结构，两个支架之间由横向连接装置13相连，伸出式受力支架具有多级伸出式结构，两个伸出式可收放支架之间由横向连接装置13相连，横向连接装置将双支架连接固定在一起，横向连接装置可以采用多个，分别位于两个伞帆的正面和反面。

调整仰角的支架14通过铰接与放收装置支撑平台18及横向连接装置13相连。

图3是伞帆的双向拉索结构示意图，第一伞帆正面拉索5的一端连接在第一伸出式受力支架3和第二伸出式受力支架4上的正面拉索收放器34上，另一端连接在第一伞帆的充气扩撑伞环12上；第一伞帆反面拉索7的一端连接在第一伞帆反面拉索收放器21上，另一端连接在充气型第一伞帆的反面上；同样，第二伞帆反面拉索8的一端连接在第二伞帆反面拉索收放器22上，另一端连接在充气型串联第二伞帆2的反面上，正面拉索收放器34、反面拉索收放器21和反面拉索收放器22具有收放拉索的功能。

为了使伞帆受风时具有更好的稳定性，在充气型第一伞帆和充气型串联第二伞帆上均设有充气翼26，该包括充气水平翼和充气垂直翼。

图4为装置布置的示意图。将带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置的位置布置在船体的中部与船体的后部，当有侧向风32时，调节位于船体中部的伞帆装置29和位于船体后部的伞帆装置30，使得两装置成一定的角度31，可以得到一个转向力矩，从而部分或全部抵消单个伞帆放收装置造成的航向偏转问题；再通过方向舵28的调节作用，使得船舶指向航向33前进。

本发明提供的带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置还可以包括单级伞帆单独布置在所述伸出式可收放受力支架上，也可以将多级伞帆串联布置在所述伸出式可收放受力支架上。后一级伞帆的充气软管穿过前一级伞帆的气流孔与后一级伞帆的充气扩撑伞环连通。

施放伞帆前应当根据风向与风力确定伞帆的施放角度及高度等参数；转动位于船体中部的伞帆装置29和位于船体后部的伞帆装置30，使所述两个装置的相对角度31符合所述施放角度以产生转向力矩；调整装置的仰角支架14，同步伸出第一受力支架3和第二受力支架4，充气抽气装置15通过伞帆充气软管16向充气扩撑伞环12充入气体，使充气扩撑伞环具有一定的刚度并保持所需要的外形，最终使得充气型第一伞帆1和充气型串联第二伞帆2保持固定形状，并在稳定风力作用下逐步张开，并与伞帆反面拉索共同作用下使得伞帆更加稳定；伞帆所承受的风力通过第一伞帆正面拉索5和第二伞帆正面拉索6直接传递到第一伸出式可收放受力支架3及第二伸出式可收放受力支架4上；以上所述伞帆施放过程可同步进行并且相互促进，也可以根据风力和风速逐步有序进行。

由第一伞帆正面拉索5、第二伞帆正面拉索6、第一伞帆反面拉索7和第二伞帆正面拉索8组成的双向拉索，在除为船舶提供动力外，通过正面拉索收放器34及反面拉索收放器对拉索的施放及收回，还具有以下功能：控制伞帆的施放高度，正面拉索的施放和反面拉索的收回可使伞帆上升，正面拉索的收回和反面拉索的施放可使伞帆下降；通过第一伸出式可收放受力支架3及第二伸出式受力支架4来调节相应伞帆正面拉索的长短，来改变伞帆的空中姿态；第一伞帆反面拉索7和第二伞帆反面拉索8控制伞帆的空中姿态，由于使用了伞帆的反面拉索以及反面拉索收放器，使得在有侧向风时、甚至有反向风时，伞帆也具有很好的稳定性。

当无风、风力较小、海面风力条件恶劣、进出港口等因素导致需要对伞帆进行收回时，应当通过支架控制器35，同步缩回第一伸出式可收放受力支架3和第二伸出式可收放受力支架4；通过充气抽气装置15抽除充气扩撑伞环内部的气体，可以使伞帆体积减小、有序的折叠；在伞帆正面拉索和反面拉索的控制下，伞帆帆面有序收起以便于重复使用。

带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置具有承力、伸缩、仰角角度调节以及随风向进行旋转角度、伞帆帆面形状控制、伞帆帆面姿态控制的功能。所述的控制与调节可以通过自动控制来实现，并保留手动控制的功能，以增强装置的可靠性。

Claims (5)

1.一种带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，含有充气型第一伞帆(1)、充气型串联第二伞帆(2)、第一伞帆正面拉索（5）、第二伞帆正面拉索（6）、充气伞面(11)、充气扩撑伞环(12)、充气抽气装置(15)以及伞帆充气软管(16)，其特征在于：所述装置含有第一伸出式可收放受力支架(3)、第二伸出式可收放受力支架(4)、调整仰角的支架(14)和放收装置支撑平台(18)；在充气型第一伞帆上设有与该伞帆中心线对称布置的第一伞帆的第一气流孔（9）和第一伞帆的第二气流孔（10），在充气型串联第二伞帆上设有与该伞帆中心线对称布置的第二伞帆的第一气流孔（23）和第二伞帆的第二气流孔（24），所述的第一伸出式可收放受力支架(3)的一端与放收装置支撑平台（18）铰连接，另一端穿过第一伞帆的第一气流孔(9)及第二伞帆第一气流孔(23)，所述的第二伸出式可收放受力支架(4)的一端与放收装置支撑平台铰连接，另一端穿过第一伞帆的第二气流孔（23）和第二伞帆的第二气流孔(10)；

在所述的第一伸出式可收放受力支架连接和第二伸出式可收放受力支架上分别设有正面拉索收放器(34)，所述的第一伞帆正面拉索（5）通过正面拉索收放器(34)与所述的第一伸出式可收放受力支架连接，第二伞帆正面拉索（6）通过正面拉索收放器(34)与所述的第二伸出式可收放受力支架连接；两个伸出式可收放受力支架之间通过横向连接装置(13)相连接；所述的调整仰角的支架(14)的两端分别通过铰连接与放收装置支撑平台(18)和横向连接装置(13)相连。

2.按照权利要求1所述的一种带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：该装置还包括伞帆反面拉索和反面拉索收放器，充气型第一伞帆的反面通过第一伞帆的反面拉索(7)与第一伞帆反面拉索收放器(21)相连，充气型串联第二伞帆的反面通过第二伞帆的反面拉索（8）与第二伞帆反面拉索收放器（22）相连，所述的第一伞帆反面拉索收放器(21)和第二伞帆反面拉索收放器(22)固定在横向连接装置上。

3.按照权利要求1所述的一种带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：在所述的第一伸出式可收放受力支架（3）和第二伸出式可收放受力支架（4）上分别设有至少两个充气软管限位环（17)，所述的伞帆充气软管通过充气软管限位环(17)附着在伸出式可收放受力支架上。

4.按照权利要求1所述的一种带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置，其特征在于：所述带有双支架的可收放的充气型风能伞帆装置还包括对支撑平台旋转角度以及伞帆的仰角进行控制的支架控制器(35)，该支架控制器位于支撑平台(18)上，通过液压管线和控制线路与调整仰角的支架(14)相连。

5.按照权利要求1～4任一权利要求所述的一种带有双支架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(1)和充气型串联第二伞帆(2)上均设有充气翼（25），该包括充气水平翼和充气垂直翼。

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