CN105015749A - 太阳能与风能混合动力船舶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能与风能混合动力船舶，其包括风能推进系统、太阳能推进与供电系统和专门设计船型的船舶。风能推进系统由太阳能风帆、风帆90°俯仰机械装置、风帆360°旋转装置和风帆控制系统组成。太阳能推进与供电系统由太阳能发电系统、电力管理系统、锂电池组、船舶电力推进系统组成。专门设计船型的船舶主要是指为了最大化太阳能板的面积，以获得大的太阳能功率，可采用专门设计的双体船、三体船等多体船，也可是单体船结构。本发明利用风能和太阳能等无污染、可再生和不需购买的能源代替燃料油在船舶上的应用，对于提高经济效益、节能降耗和减少环境污染具有重要意义。

Description

太阳能与风能混合动力船舶

技术领域

本发明涉及采用新型绿色能源作为船舶推进动力和供电的节能减排领域，更具体地说，涉及一种应用太阳能和风能作为混合主推进动力和供电的船舶。

背景技术

当前世界上石油资源日益紧缺，2009年全球石油剩余探明储量为1855.23亿吨，仅可开采50年，天然气、煤炭也仅可开采100余年，而新能源的利用要落后52年。近年来国际油价节节攀升，而全年我国的原油消耗量为3.79亿吨，其中一半以上依赖进口，我国石油资源形势紧张。2005年，我国交通运输业的石油消耗总量约占全社会石油消耗量的29.8%，营业性运输船舶的燃油消耗总量为1356.4万吨， 2012年预计达到2220万吨左右。而我国的船舶燃油利用得并不经济，平均油耗比发达国家高出10%左右。2008年6月18日，交通运输部提出的运输行业能耗指标中指出：与2005年相比，到2010年和2020年，营运船舶单位运输量能耗分别下降10%和20%，而实际上至2010年底，营运船舶单位运输量能耗仅下降了7%，船舶节能减排是我国建设资源节约型社会的迫切需要。

目前世界上船舶所排放的CO2已达到11.2亿吨，约占全球主要温室气体排放量的4.5%。有预测认为，到2020年全球航运业将消耗4亿吨燃油，温室气体的排放量将在目前基础上增加75%，同时船舶排放的NO和SO也将造成臭氧层的破坏和大气污染造成更严重的影响。我国交通运输业的CO2排放量预计到2015年和2030年将分别达到5.22亿吨和11.08亿吨，其中将有1/4会由船舶产生，2009年，哥本哈根全球环境会议中指出，中国政府承诺：到2020年实现单位GDP的CO2排放比2005年下降40%至45%目标。为此，中国将把控制温室排放纳入经济可持续发展总体规划中，交通运输业是全社会仅次于制造业的燃油消耗大户，是建设资源节约型、环境友好型社会的重要领域之一，水运行业作为交通运输业的重要组成部分，大力推进节能减排，发展绿色航运，是时代赋予我们的使命。

自从2009年金融危机以来，船舶运输行业每况愈下，企业普遍处于微利或者亏损的状态，其中的一个重要原因便是由于燃油成本越来越高导致营运成本持续走高造成的。节能降耗成为航运企业降低营运成本的最重要的需求。

本发明利用风能和太阳能等无污染、可再生和不需购买的能源代替燃料油在船舶上的应用，对于提高经济效益、节能降耗和减少环境污染具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用新型绿色能源作为主推进动力和供电的船舶，该装置由于采用了没有任何污染的可再生的太阳能和风能作为船舶的能源，能够减少传统能源船舶排气对大气环境的影响，减少船舶对海洋的油污水污染、噪音污染和燃油泄漏污染，同时减少了对传统能源的消耗，减少了航运企业的经营成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：其包括风能推进系统、太阳能推进与供电系统和专门设计船型的船舶。所述的风能推进系统由太阳能风帆、风帆90°俯仰机械装置、风帆360°旋转装置和风帆控制系统组成。

所述的太阳能风帆是一个截面类似机翼的固体帆，风吹过帆后由于流体动力作用对帆形成一个推力，推动船舶前进，同时在帆的表面布置太阳能板吸收太阳能。

所述的风帆90°俯仰装置指的是风帆与圆形风帆座采用铰链联接，风帆与圆形风帆座的90°范围内的相对俯仰转动由活塞式液压机构驱动（或者也可采用电机系统驱动）。

所述的风帆360°旋转装置指的是在风帆座的底部圆周中心圆区域与端面滑动轴承相配合，以实现风帆的重量支撑和相对转动，在风帆座的底部边缘外圆环形区域是端面轮轮与一个小的轴齿轮相啮合，两齿轮轴相互垂直，从而实现转动小轴齿轮驱动风帆360°旋转。

所述的风帆控制系统由检测系统、中央处理系统和风帆控制执行系统组成。

所述的检测系统包括风帆俯仰角检测传感器、风帆与船舶中轴线水平面内夹角检测传感器、船舶航向检测传感器、风力检测传感器、风向检测传感器和光照传感器，以及数据采集线、信号调整器、电源、数据采集卡组成。

所述的中央处理系统指的是根据检测系统采集的信号，综合考虑风力、风向、光照和风帆旋转角与俯仰角等因素，进行建模分析，通过计算给出最大化综合利用风能和太阳能需转动的旋转角和俯仰角，并转化成控制电信号输出。

所述的风帆控制执行系统主要是通过接收控制电信号，控制活塞式液压机构和小轴齿轮运动，以便自动调整风帆到最佳姿态。同时该风帆控制系统也可手动输入指令，可调整风帆至任意想要的姿态。

所述的太阳能推进与供电系统由太阳能发电系统、电力管理系统、锂电池组、船舶电力混合推进系统组成。

所述的太阳能发电系统主要是由众多的吸收太阳光转换太阳能为电能的太阳能板（由光电池或太阳能电池构成）联接而成，这些太阳能板安装在风帆和船舶的露天甲板上。

所述的电力管理系统主要是根据风能驱动的充足程度和太阳能的充足程度，调度太阳能发电系统是进行完全蓄电、部分蓄电部分推进供电、还是全部用于推进供电，调度蓄电池进行蓄电还是供电推进。

所述的锂电池组主要用于蓄电和供电与电力推进。

所述的船舶电力混合推进系统，主要是电力推进系统，或者是电力推进与传统的柴油机或LNG发动机混合推进。

所述的专门设计船型的船舶主要是指为了最大化太阳能板的面积，以获得大的太阳能功率，可采用专门设计的双体船、三体船等多体船，或者根据不同需要也可采用传统的单体船。

本发明由于采用了上述装置，故其具有以下由于效果：相对于目前的传统能源船舶，本发明通过太阳能与风能两种绿色能源来进行船舶推进和全船供电，减少了传统能源船舶对大气环境的污染，减少了对海洋的油污水污染、噪音污染和燃油泄漏污染，同时减少了对传统能源的消耗，减少了航运企业的经营成本；相对于传统的帆船，用360°旋转和90°俯仰的固态帆代替了传统的布帆，便于风帆的自动控制和布置太阳能板。

在结合附图阅读本发明的实施方式的详细描述后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

 附图说明

图1是本发明的实施例一的结构示意图；

图2是本发明的风帆90°俯仰装置示意图；

图3是本发明的风帆360°旋转装置示意图；

图4是本发明的风帆控制系统示意图；

图5是本发明的太阳能推进与供电系统示意图；

图6是本发明的实施例二的结构示意图。

 具体实施方式

下面对本发明作进一步详细的说明，但应当说明，本发明的保护范围不仅仅限于此。

实施例一：

参阅图1、图2、图3，图4，图5

一种太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：其包括风能推进系统1、太阳能推进与供电系统2和专门设计船型的船舶3。

所述的风能推进系统1由太阳能风帆11、风帆90°俯仰机械装置12、风帆360°旋转装置13和风帆控制系统14组成。

所述的太阳能推进与供电系统2由太阳能发电系统21、电力管理系统22、锂电池组23、船舶电力推进系统24组成。

所述的专门设计船型的船舶3主要是指为了最大化太阳能板的面积，以获得大的太阳能功率，可采用专门设计的双体船、三体船等多体船31。

所述的太阳能风帆11是一个截面类似机翼流体型的固体帆，风吹过帆后由于流体动力作用对帆形成一个推力，推动船舶前进，同时在帆的表面布置太阳能板211吸收太阳能。

所述的风帆90°俯仰装置12指的是风帆11与圆形风帆座121采用铰链122联接，风帆11与圆形风帆座121在90°范围内的相对俯仰转动由活塞式液压油缸123驱动。

所述的风帆360°旋转装置13指的是在风帆座121的底部边缘外圆环形区域131与船体座132滑动配合，以实现风帆的重量支撑和端面间的相对转动，底部圆周中心圆区域为一凸出的圆柱体133，圆柱体的末端安装推力轴承134和轴齿轮135，该齿轮与一个驱动齿轮136相啮合，从而实现风帆360°旋转。

所述的风帆控制系统14由检测系统141、中央处理系统142、风帆控制执行系统143和人机界面器144组成。

所述的检测系统141包括风帆俯仰角检测传感器1411、风帆与船舶中轴线水平面内夹角（旋转角）检测传感器1412、船舶航向角检测传感器1413、风力检测传感器1414、风向检测传感器1415和光照传感器1416，以及信号调整器1417、数据采集卡1418、电源、数据采集线组成。

所述的中央处理系统142指的是根据检测系统采集的信号，综合考虑风力、风向、光照和风帆旋转角与俯仰角等因素，进行建模分析，通过计算给出最大化综合利用风能和太阳能需转动的旋转角和俯仰角，并转化成控制电信号输出。

所述的风帆控制执行系统143主要是通过接收控制电信号，控制活塞式液压机构和小轴齿轮运动，以便自动调整风帆到最佳姿态。同时该风帆控制系统也可手动输入指令，可调整风帆至任意想要的姿态。

所述的太阳能发电系统21主要是由众多的吸收太阳光转换太阳能为电能的太阳能板211（由光电池或太阳能电池构成）联接而成，这些太阳能板安装在风帆11和船舶的露天甲板上。

所述的电力管理系统22主要是根据风能驱动的充足程度和太阳能的充足程度，调度太阳能发电系统是进行完全蓄电、部分蓄电部分推进供电、还是全部用于推进供电，调度蓄电池进行蓄电还是供电推进。

所述的锂电池组23主要用于蓄电和供电与电力推进。

所述的船舶电力推进系统24，主要是电力推进系统，或者是电力推进与传统的柴油机或LNG发动机混合推进。

本发明根据所设计的船型、吨位、航速不同，技术人员可以根据所需产生功率的大小和船舶稳性自行调整本发明的太阳能风帆的尺寸和太阳能板的布置面积，所做的调整仍属于本发明的保护范围之内。

本实施例一的工作过程如下所述：

风帆控制系统14通过风帆俯仰角检测传感器1411、风帆与船舶中轴线水平面内夹角（旋转角）检测传感器1412、船舶航向角检测传感器1413、风力检测传感器1414、风向检测传感器1415和光照传感器1416检测出风帆俯仰角、旋转角、船舶航向角、风力、风向和光照方向与强度信号，通过信号调整器1417的调理，经过数据采集卡1418，采集到中央处理系统142中，中央处理系统142通过对这些信号的模数转换和建模分析，通过计算给出最大化综合利用风能和太阳能需转动的旋转角和俯仰角，并转化成控制电信号输出到风帆控制执行系统143，风帆控制执行系统143根据接收的控制电信号，控制活塞式液压机构和小轴齿轮运动，自动调整风帆到最佳姿态。风吹到太阳能风帆上在船舶舵的配合使用下，推动船舶前进。

在船舶过桥或者大风瀑等特殊情况下，可在风帆控制系统14中手动输入指令，把风帆放下或调整至其它任意想要的姿态。

电力管理系统22通过预设的模式程序，根据太阳能发电系统21产生的功率的大小、锂电池组23的电量情况和船舶电力推进系统24所需的功率，决定太阳能发电系统21是单独向船舶电力推进系统24供电、与锂电池组23联合向船舶电力推进系统24供电，还是单独向锂电池组23充电，或者由锂电池组23单独向船舶电力推进系统24供电。

其中锂电池组23可以分成两组，交替备用。太阳能发电系统21除了给船舶推进装置供电外，也可用于全船照明等所有其它用途的供电。本发明的太阳能与风能混合动力系统也可与其它传统的船舶动力方式（如柴油动力、蒸汽动力）联合应用。

 实施例二：

参阅图2、图3，图4，图5、图6

本实施例与实施例一的区别在于：本发明装置中，专门设计船型的船舶3采用的是单体结构32，并且使用了多个太阳能风帆11（见图6）。其它情况与实例一相同。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域的技术人员可以在所附权利要求的范围之内作出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：其包括风能推进系统（1）、太阳能推进与供电系统（2）和专门设计船型的船舶（3）；所述的风能推进系统（1）由太阳能风帆（11）、风帆90°俯仰机械装置（12）、风帆360°旋转装置（13）和风帆控制系统（14）组成；所述的太阳能推进与供电系统（2）由太阳能发电系统（21）、电力管理系统（22）、锂电池组（23）、船舶电力推进系统（24）组成；所述的专门设计船型的船舶（3）主要是指为了最大化太阳能板的面积，以获得大的太阳能功率，可采用专门设计的双体船、三体船等多体船（31），也可是单体船结构（32）。

2.根据权利要求1所述的太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：所述的太阳能风帆（11）是一个截面类似机翼流体型的固体帆，风吹过帆后由于流体动力作用对帆形成一个推力，推动船舶前进，同时在帆的表面布置太阳能板（211）吸收太阳能。

3.根据权利要求1所述的太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：所述的风帆90°俯仰装置（12）指的是风帆（11）与圆形风帆座（121）采用铰链（122）联接，风帆（11）与圆形风帆座（121）在90°范围内的相对俯仰转动由活塞式液压油缸（123）驱动。

4.根据权利要求1所述的太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：所述的风帆360°旋转装置（13）指的是在风帆座(121)的底部边缘外圆环形区域（131）与船体座（132）滑动配合，以实现风帆的重量支撑和端面间的相对转动，底部圆周中心圆区域为一凸出的圆柱体（133），圆柱体的末端安装推力轴承（134）和轴齿轮（135），该齿轮与一个驱动齿轮（136）相啮合，从而实现风帆（11）360°旋转。

5.根据权利要求1所述的太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：所述的风帆控制系统（14）由检测系统（141）、中央处理系统（142）、风帆控制执行系统（143）和人机界面器（144）组成。

6.所述的检测系统(141)包括风帆俯仰角检测传感器(1411)、风帆与船舶中轴线水平面内夹角（旋转角）检测传感器(1412)、船舶航向角检测传感器(1413)、风力检测传感器(1414)、风向检测传感器(1415)和光照传感器(1416)，以及信号调整器(1417)、数据采集卡(1418)、电源、数据采集线组成。

7.所述的中央处理系统(142)指的是根据检测系统采集的信号，综合考虑风力、风向、光照和风帆旋转角与俯仰角等因素，进行建模分析，通过计算给出最大化综合利用风能和太阳能需转动的旋转角和俯仰角，并转化成控制电信号输出。

8.所述的风帆控制执行系统(143)主要是通过接收控制电信号，控制活塞式液压机构和小轴齿轮运动，以便自动调整风帆到最佳姿态；同时该风帆控制系统也可手动输入指令，可调整风帆至任意想要的姿态。

9.根据权利要求1所述的太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：所述的太阳能发电系统(21)主要是由众多的吸收太阳光转换太阳能为电能的太阳能板(211)（由光电池或太阳能电池构成）联接而成，这些太阳能板安装在风帆(11)和船舶的露天甲板上。

10.根据权利要求1所述的太阳能与风能混合动力船舶，其特征在于：所述的电力管理系统(22)主要是根据风能驱动的充足程度和太阳能的充足程度，调度太阳能发电系统是进行完全蓄电、部分蓄电部分推进供电、还是全部用于推进供电，调度蓄电池进行蓄电还是供电推进。