CN104210634A - 候鸟型新能源自供给船 - Google Patents

Abstract

传统船舶主要以运输为目的，由柴油机产生动力，本发明的候鸟型新能源自供给船无需推进动力装置和燃油，而是利用风力发电机产生的推力加上风帆实现机动移泊；特别是借助东亚季风，像候鸟一样秋冬往南，春夏往北航行，以享受最好的气候条件和最佳的生产环境，以新能源发电产生的丰富的电力制造淡水，开展工农渔业生产，自给自足，避免岛礁环境污染和生态改变，同时为发展海洋经济，拓展远离陆地的海域的种植业和养殖业，创造了丰厚物质基础。

Description

候鸟型新能源自供给船

技术领域

本发明属于船舶动力技术领域，具体来说是利用海上可再生能源，在提供船舶电能解决生活生产所需能源的同时，通过自然风和季风为船舶提供推进动力的船舶动力系统。

背景技术

在实用新型201320201701.2《新能源自供给船》所提出的船舶中，为节约能源和造船成本，新能源自供给船不设置驱动动力，船舶必须靠拖轮移泊，从而大大限制了新能源自供给船的机动性和使用范围，但如果在该类型船舶中设置主动动力装置，又必然会增加造船成本和燃料成本，不符合发展绿色海洋经济和保护海洋环境的宗旨。

发明内容

本发明的目的是使新能源自供给船借助自然风的力量，而不是在船上配备的动力装置实现移泊，利用季风的候鸟型新能源自供给船，则能更好地利用自然风的力量，实现长距离航行。候鸟型新能源自供给船由被称为新能源自供给船(1)的船舶组成，船上安装有风力发电机(2)，其特征为，新能源自供给船(1)能够在船上开展制淡水和食物的农工渔业生产，满足驻船人员的用水和除粮食外的基本食品需要；安装在船舶甲板上的风力发电机(2)能提供至少50％以上的电力需求为船舶供电；由普通或特定设置构成的风力发电机(2)能在风力作用下，在发电供应船舶电力需要的同时，还可以利用风轮机的风阻力和侧推力，推动船舶航行，实现借风移泊的目标。

本发明的候鸟型新能源自供给船的效果是很明显的，首先通过风力发电可以供应船舶电力需要，在满足驻船人员生活用电的同时，进行农渔工业生产，提供海上稀缺的淡水、食物等驻船人员生活生存必需品；其次，与非候鸟型新能源自供给船相比，候鸟型新能源自供给船可以自由移泊而不必依靠或不必完全依靠拖轮的协助，更可能实现远航；与普通船舶相比，可以省却推进设备，节省新能源自供给船的建造成本和移泊服务成本；第三，借风移泊，不需要任何燃料消耗，包括拖轮的燃料的节约，使新能源自供给船更节能环保。

附图说明

图1、本发明的候鸟型新能源自供给船的原理图；

图2、带有一台风力发电机的自供给船船型和甲板平面布置简图；

图3、带有三台风力发电机的自供给船甲板布置简图；

图4、带有风力发电机和风帆的自供给船甲板布置简图；

图5、扩展型甲板的候鸟型新能源自供给船的甲板布置图。

具体实施方式

新能源自供给船，是在2010年上海世界博览会造船馆展出的农业船的基础上，通过船舶甲板上安装风力发电机和太阳能光伏电池等新能源发电设备所产生的电力，作海水淡化，并增设农场、鱼舱、禽舱等场所生产蔬菜水果和动物性食物，为船载人员提供丰富的食品，为把陆地生产扩展到海洋、解决陆地土地资源不足的目标而开发的新型生产型船舶。

新能源自供给船采集海域中丰富的风能、太阳能和海洋能，构建带储能设施的独立微电网，为驻船人员供电并生产淡水、食物。而在本发明中，风力发电机扮演着非常重要的二大角色，第一重任是作为主供电源，提供船舶50％以上的用电量，第二任务是借助风力，可以在不设置船舶推进动力装置和不依赖外界动力船舶协助，实现本船舶移泊和航行。这二大重任，在通常的运输型船舶中，分别由电站发电机和主推进柴油机担纲，是船舶的关键性设备，在新能源自供给船中，将由风力发电机担任主角。

图1为本发明的新能源自供给船借助风力推动航行的原理图。图中，风力发电机(2)可以是上风向水平轴风轮机，也可采用下风向水平轴风轮机，后者的稳定性比较好，是首选机型。在风力W的推动下，不但能够从风中获得能量发电供船舶使用，风力发电机对风所呈现的阻力F，又成为推动船体前进的动力，使船体以速度V前进。由于新能源自供给船的船体庞大，航行速度很慢，所以在航行过程中对风力发电机的相对风速的影响很小。例如，当船速在3节时(相当于1.54m/s)，假定海风风速为12m/s，则作用在风力发电机叶片的相对发电风速为10.46m/s，发电机的发电能力只比船舶停泊时的发电量降低24％，影响不大，而船舶将无须自设动力装置仅借助顺风实现移泊或航行。

所以，本发明的新能源自供给船，其特征为，利用船舶甲板上安装的风力发电机(2)，在风力作用下，一边发电，一边利用风轮机的风阻力，与风对船体推力一起作用，推动船舶行走，实现借风移泊。

图2为装有一台风力发电机的新能源自供给船的一种船型和甲板布置简图。图中，在新能源自供给船(1)的甲板上有1台风力发电机(2)，甲板大部分面积为种植水果蔬菜的温室(11)和鱼舱、禽舱。

为了增加发电量和借风推进的力量，实际上，新能源自供给船上往往有多台风力发电机。

图3为带有三台风力发电机的自供给船甲板布置简图。图中风力发电机(2)有3座，分别安装于船甲板互相远离的三个点上，以避免相互遮风，影响发电能力，船头一台风机，船尾二台风机，三台风力发电机呈对称分布。在海风吹来时，如在船头处抛锚，如不考虑洋流影响，则风力发电机产生的风阻力使船头自动对向来风方向。

可以预见，船舶风力发电机在发电的同时，由海风的推力作用，施加对风力发电机的推力和对船体的推力，使船舶产生推进动力，如果此时起锚，船舶将比装备1台风力发电机的船舶以较快的速度航行。

利用新能源自供给船安装的多台风力发电机，还可以获得与风向不一致的侧推力和转向能力。以图3为例，忽略洋流的影响，假定甲板上的3台风力发电机A、B和C为相同性能的水平轴风轮机，同时以相同速度和发电量运行，那么他们所受合力，与船的中轴线一致，船舶只能按照风向航行。如果这时候使B风机停止运行，甚至使其叶轮偏转90度，与风向平行，则其所受风阻力将大大减小，这时，由风对3台风轮机的总合力将偏左，合力将使船舶向左偏转。反之，B正常运行而C执行像刚才B一样的操作，则船体向右偏转。所以，通过对风机执行不一样的运行方式，可以获得一个侧向分力，改变船舶的航向。

如果将图3风力发电机(2)中左右二台风机改用相同的垂直轴风轮机，垂直轴风轮机在运转发电过程中，会对船体施加一个水平面内的旋转力矩，所以二机应选择转向相反的机型，即一台顺时针运转，另一台则逆时针运转，以相互抵消对船体的力矩。如果二者工况不同，例如一个不转而另一个旋转发电，风轮机对船体施加一个旋转力矩，可利用二台发电机的不同工况产生船舶的转向力，如果加上二者不同的风推力，则转向的效果将更显著。所以，本发明的新能源自供给船具有更大的机动性，其特征为，船舶甲板上安装的数台风力发电机(1)为左右前后分隔分布的水平轴涡轮发电机或垂直轴涡轮发电机，在风力作用下，一边发电，一边利用风轮机间的不平衡风阻力或旋转力，对船体施加侧向推力或转向力，使船舶获得转向动力实现机动航行。

季风是在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风，强大的风能量不但有利于风力发电，而且历来为航海所利用，借助季节的力量，更借用候鸟的“智慧”，就构成了本发明的候鸟型新能源自供给船，其特征为，借助世界广袤海域中盛行的季风，使船舶像候鸟迁徙一样借助风力远航，实现无动力低碳绿色航海。

中国东部和南部海域处于东亚季风带，季风向来一直成为候鸟迁徙的好帮手。候鸟迁徙是鸟类为获得更多食物、更好生存环境条件而长途跋涉飞行的适应行为，在东亚，通常在每年秋季由北方飞向南方，春季再由南方飞回北方，候鸟的迁徙是生物进化、生态自适应的合理选择。

本发明的新能源自供给船，也可以像候鸟一样，借助季风迁徙移泊，通常可在每年秋季，借助盛行的北风作用，由北方向南方航行；来年春季，锚泊在南方海域的新能源自供给船，又可以借助春夏盛行的南风，由南方飘向北方海域开展生产活动，迁徙使候鸟型新能源自供给船的海域活动范围更大、生产效率更高。

候鸟型新能源自供给船在春夏季节，向北方移泊，可以在北方较凉爽的气候环境条件下从事农业、渔业生产，避免南方炽热太阳的光照和高温酷暑，不但提高生产能力，减轻空调能源的大消耗，更能规避台风的侵袭，消除夏季热带风暴所带来的危害，有利于促进生产力的发挥。在冬季，北方冰雪严寒，海水冰冻封港，气温太低，也不适宜进行农业、渔业生产，候鸟型新能源自供给船通过季风移泊到南方，并长期锚泊在南方海域，温暖舒适，非常适宜进行农业、渔业生产。使候鸟型新能源自供给船可以在一年四季都处于气候条件舒适、生产条件优越的环境中，不管对驻船员工的生活，或所从事的生产活动，都非常合适，都能创造最佳的环境条件和活动空间。

采用风力发电机使本发明的候鸟型新能源自供给船获得移泊能力的同时，应该借助船锚的收放配合达到航行安全性的要求。因为在通常的运输船舶中，既具备推进动力又具备制动动力，动力应用安全自如，但在本发明的船舶中，缺省了制动动力，为了及时制动避险，可以通过侧推力或转向力矩使船舶转向，转向后的船体处于逆风行走，就可以利用庞大船体的迎风阻力减速，减速到一定速度就可以用抛锚的操作使船舶停止航行。由于本发明的宽体船舶不需要很高的航速，也不怕风浪摇摆产生的船舶稳性和安全问题，所以采用风力发电机获得机动自航力是可行的。

如果在船舶的两舷配置更多风机，航行的动力可以增加，但是太密的风机安装在有限的甲板面积，紧邻风机间会产生紊流，相互干扰反而可能降低发电量，风机价格高，在经济上得不偿失。为此，可以在候鸟型新能源自供给船甲板离开风机较远的部位，例如中部农业舱(11)设置风帆，平时收帆，不影响生产，在移泊或航行过程中升帆，以增强船舶的驱动动力和航行能力。

船帆和帆船航行是成熟的技术，是一项绿色、低碳、节能的技术方法，很适合候鸟型新能源自供给船采用。船帆可分为船首帆、船尾帆、上帆、斜帆、四角帆和三角帆(主帆)等等不同类型，这其中根据作用的不同大致又可分横帆和纵帆(拉丁帆)。相比之下，横帆适于顺风航行，纵帆适于稍微斜一点的风向航行，也就是说在顺风时候横帆的速度快一点，在逆风情况下纵帆的效果比横帆好。所以本发明的特征是，在船舶甲板上，还配置有船帆(12)，船帆可以与风力发电机(2)一起产生更多的航行动力和更好的航行机动性。

图4为在船尾和其他位置设置的风帆示意图。图中，在船尾的锚机附近，树了一根帆桅，在桅杆上悬挂单帆，如果需要借助单帆来增加船速，则可通过帆机，在控制器的作用下，挂出船帆，帆的操作由计算机控制器计算后由帆机操作，单帆可以调角度以使帆能更好利用风向和风速，但是，单帆的推力较小。

在图4中的农业区(11)间安装的是一种双帆(121)，双帆一般安装在面积较大的农业区舱室之间，一张双帆(121)有两根帆桅，在两根帆桅间伸张出的双帆，双帆面积大，可以获得更大推力，助航能力较单帆强，适合顺风航行。双帆除了做成固定的外，也可以做成活动的，活动的双帆可以通过帆桅位置的移动，改变帆角，获得较大的侧推力，有利于船舶的机动航行。

图5为一种扩展型甲板的候鸟型新能源自供给船的甲板布置图。在船型不作重大改变的基础上，扩展甲板面积有利于低成本增加船舶生产规模，从而增加温室、鱼舱、禽舱面积，也有利于布置更多的风力发电机和太阳能电池板，生产更多的能源；也有更强的提供航行动力的风机和船帆，增加候鸟型新能源自供给船舶的航行速度和移泊机动性。

Claims (10)

1.一种称为新能源自供给船(1)的船舶，船上安装有风力发电机(2)，其特征为，新能源自供给船(1)能够在船上开展制淡水和食物的农工渔业生产，满足驻船人员的用水和除粮食外的基本食品需要；安装在船舶甲板上的风力发电机(2)能提供至少50％以上的电力需求为船舶供电；由普通或特定设置构成的风力发电机(2)能在风力作用下，在发电供应船舶电力需要的同时，还可以利用风轮机的风阻力和侧推力，推动船舶航行，实现借风移泊的目标。

2.权利要求1所述的新能源自供给船，其特征为，风力发电机(2)可以是上风向水平轴风轮机，也可采用下风向水平轴风轮机，后者的稳定性比较好，是首选机型；风力发电机在风力作用下，一边发电，一边利用风轮机的风阻力，与风对船体推力一起作用，推动船舶行走，实现借风移泊。

3.权利要求1所述的新能源自供给船，其特征为，借助多台风力发电机(2)不同运行操作下呈现的不同风阻力，使船舶获得与风向不一致的侧推力和转向能力。

4.权利要求2所述的新能源自供给船，其特征为，左右二边采用垂直轴风轮的风力发电机(2)，而且二机的转向相反；二机工况不同，则对船体施加一个旋转力矩，可利用二台发电机的不同工况产生船舶的转向力。

5.权利要求3或权利要求4所述的新能源自供给船，其特征为，船舶甲板上安装的数台风力发电机(1)为左右前后分隔分布的水平轴涡轮发电机或垂直轴涡轮发电机，在风力作用下，一边发电，一边利用风轮机间的不平衡风阻力或旋转力，对船体施加侧向推力或转向力，使船舶获得转向动力实现机动航行。

6.权利要求1所述的新能源自供给船，其特征为，借助世界广袤海域中盛行的季风，使船舶像候鸟迁徙一样借助风力远航，实现无动力低碳绿色航海。

7.权利要求1和权利要求6所述的新能源自供给船，其特征为，在船舶甲板上，还配置有船帆(12)，船帆可以与风力发电机(2)一起产生更多的航行动力和更好的航行机动性。

8.权利要求7所述的新能源自供给船，其特征为，船帆可采用船首帆、船尾帆、上帆、斜帆、四角帆和三角帆(主帆)等等不同类型，也可采用横帆和纵帆，单帆和双帆(121)。

9.权利要求8所述的新能源自供给船，其特征为，甲板上装置有活动桅杆的双帆，以获得更大推力，也可通过活动桅杆获得较大的侧推力，有利于船舶的机动航行。

10.权利要求1所述的新能源自供给船，其特征为，采用扩展型甲板的布置，在船型不作重大改变的基础上，扩展甲板面积有利于低成本增加船舶生产规模，从而增加温室、鱼舱、禽舱面积；也有利于布置更多的风力发电机和太阳能电池板，生产更多的能源；也有更多的能产生航行动力的风机和船帆，增加候鸟型新能源自供给船的航行能力和移泊机动性。