CN107428405A - 具有可变轮廓的帆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有可变轮廓的帆。帆可以在折叠的非操作位置和展开的操作位置之间变化，其中它们确定帆(2)的轮廓并因此确定用于与风接触的空气动力学表面，其特征在于，帆包括至少一个帆元件(24)，其可膨胀且可加强，并且可以在对应于所述折叠的非操作位置的折叠位置和所述展开的操作位置之间通过膨胀(30)和加强装置(29)致动，在所述展开的操作位置帆(2)是膨胀的。帆的轮廓在轴(20)的两侧分为部分(21,22)，并且包括支撑结构(23)，所述可膨胀的帆元件(24)设置在所述支撑结构上，所述可膨胀的帆元件通过可由所述膨胀(30)和加强装置(29)致动的可膨胀袋(24)形成。

Description

具有可变轮廓的帆
技术领域
本发明涉及一种具有可变轮廓的帆，在非操作的折叠位置和操作的展开位置之间是可配置的，确定帆的轮廓并因此确定与风接触的空气动力学表面。
本发明中具有可膨胀轮廓的帆具体应用为组成用于能量转换的系统的一元件，更具体地是由于海水电解为氢气和/或氧气，将海外风力或海洋风力转换为电能和非矿物燃料的系统。
背景技术
在流体力学中，众所周知由织物制成的帆的效率小于航空器的翼的效率。在后者中，由于空气动力学边界层没有与轮廓分离，升力和重量的区别使得航空器能够飞行。相反地，在海军部门传统的帆中，是风的推力充满帆并凭借它的推力产生使得小船或船向前运动的合力。
实现呈现出机翼的优点的用于水中航行的帆已被渴望很多年。为此，已进行了许多为实现具有航空性质的空气动力学轮廓的刚性帆的尝试。
在这些之中，值得提及的是弗莱特纳型转子，安东弗莱特纳在1926年描述了这些(FLETTNER,Anton,Mein Wegzum Rotor,Leipzig(1926))，其之前在例如欧洲专利文件EP040597中被引用。
文件WO2004024556描述了包括两部分的刚性帆，其可绕立轴旋转，以借助在航空技术中用于翼的这类空气动力学轮廓确定帆的内弧面和拱背。
文件WO0189923描述了具有铰接的动力学轮廓的刚性帆，其包括三个垂直元件(或组件)，每一个垂直元件由三个水平元件(或部分)组成，三个水平元件共同铰接或所述翼或刚性帆的拱背。
专利FR2648426描述了包括刚性部分和弹性部分的翼，弹性部分可伸缩到刚性部分中壳体的内部，使其能够实现不同的空气动力学结构。
专利US7146918描述了用于从海水和系统中的风能中生成电能和氢气的系统，系统漂浮在水中及包括刚性帆。
US7146918中的生成系统引起的问题是帆的操作、控制和调节复杂，随之造成在生成电能和氢气中性能和可预见性的损失。例如，一个重要的问题是万一风向改变180°，执行旋转帆的操作变得必要，其可能是复杂且危险的。
尽管有大量的尝试，只列举了其中一些示例性的例子，但是直至目前还没有获得用途广泛的、经济的且操作简单的设备。
文件EP2202144A1描述了具备可配置轮廓的刚性帆，具有弹性封闭板片，其连接到靠近最远边缘的至少一个区域中的相应的壁，和用于生成和提供压力下的空气和真空的装置，以使帆膨胀或缩小以根据需要改变帆的轮廓。这个帆提供了这个需求的解决方案。
专利US8601966描述具有空气动力学轮廓的帆，就像可折叠的波纹管可折叠及可展开，其为生成氢气及具有高焓量的其他化学物质提供有效的、高性能的解决方案。所述帆形成由相对的一对帆形成的阵列，每一个帆包括若干可延长的桅杆、沿所述桅杆可纵向移动的若干部分和若干面板，若干面板铰接于所述部分，并互相铰接，形成每一个帆的侧面。所述面板在两个位置之间是可操作的：可展开的操作位置，其中它们实质上是共面的，并在实质上垂直的方向上对齐；可折叠的填充位置，其中它们以波纹管的方式堆叠，在实质上水平的位置连接于所述部分。
尽管US8601966中的帆的效率和多功能性，但是，当可能尝试将它快速折叠或打开时，折叠方法可能呈现出机械和操作属性的缺点，例如由于气候条件的变化。
本发明的目的之一是提供同时针对前述问题和缺点的方案。
发明内容
为了这个目的，本发明的目的是具有可变轮廓的帆，具备新颖的概念和功能，其实质上特征在于它包括至少一个可膨胀且可加强的帆元件，在折叠位置和所述展开的操作位置之间通过膨胀和加强装置可操作，所述折叠位置对应于非操作位置，在所述展开的操作位置具有可配置轮廓的帆是膨胀的和刚性的。
根据本发明的另一特性，所述帆的轮廓在轴的两侧被分成部分，且包括支撑结构，其上设置有所述可膨胀的帆元件，这些帆元件由可膨胀袋组成，通过所述膨胀和加强装置可操作。
所述帆绕所述轴可旋转，在其下部由围绕若干圆形轨道的运载件引导。
所述轴可包括三角加强柱，以赋予所述支撑结构更大的强度。
根据是本发明的目的的所述帆的另一个特性，产业用织物在外部覆盖住所述帆，产业用织物始终适应帆轮廓的形状，其围绕可膨胀袋的阵列。
优选地，所述帆的轮廓对应于航空器的翼的轮廓。
附图说明
作为非限制性例子，附图示出了具有可变轮廓的帆的一实施例，所述帆是本发明的目的。在所述图中：
图1是示出了具有本发明的帆的船的透视图；
图2是根据图1中II的细节视图，特别示出发电机，氢气/氧气生成系统，其由帆收集的风力致动，以及用于存储氢气/氧气的装置；
图3是根据本发明的帆轮廓的平面图，帆轮廓处于折叠位置；
图4是与图3类似的视图，但是帆轮廓处于展开位置，且可膨胀袋膨胀；
图5是图4中的刚性帆的透视图；
图6是示出本发明的帆的可膨胀袋的一实施例的膨胀的方法的平面图；
图7是与图6中的平面图对应的透视图；及
图8是与图4中的帆轮廓类似的透视图，其中在帆的展开位置可清楚地看到盖28。
具体实施方式
所述附图描绘具有可变轮廓的帆2的一实施例的组成和操作方法，帆2在非操作的折叠位置和操作的展开位置之间可配置，在上述位置确定帆的轮廓且因此确定与风接触的空气动力学表面。
在描绘的例子中，帆2与船1上其他相同或相似的帆2组装连接，船1由帆2推动，并且船1具有用于生成和储存能量的系统，例如通过氢气、氧气、甲醇、乙醇、氨气等的生成和储存。
本发明建立在风速和水的高密度组合的基础上，使得相比基于风作为主要能源的来源的任何其他系统，收益更大。
其原则是，特别是设计用于生成氢气(和/或氧气)的船1包括本发明的帆2，生成氢气(和/或氧气)通过电解来自海或湖的水获得。
在附图中，可以看到，根据本发明，用于从海水中生成氢气的系统包括：
●船1，被设计并能够承受所有必要的结构载荷，并且能够将存储系统包围在其内部；
●配置有帆2，其目的是推动船用于使所述船加速；
●水下涡轮3，其由于船相对于水的速度旋转，且其产生机械能，反过来为电解设备和辅助设备提供动力。涡轮3由于船1相对于水的速度旋转，且其产生机械能，反过来为氢气生成设备5和船1的辅助设备提供动力；
●发电机4，适用于将涡轮3的旋转转换为电；
●船上氢气生成系统5，以从发电机4产生的电能中产生氢气和氧气；
●存储装置6，例如基于用于氢气和氧气的高压标准集装箱(30bar，300bar或更大)。
根据本发明，对于氢气生成系统不同的变体是可能的，在这些中，且不限制地：
●通过借助于添加电解液，在电化学活化(ECA)箱11中海水的电化学活化。在这种情形下，可能需要提供附加电解液，或者海水的盐度本身可能是足够的；及
●水电解系统，通过过滤、微滤和/或超滤膜元件10。
氢气和氧气生成和存储的过程如下：
●船1通过使用电动机(未描绘出)离港，并前进到风力高的区域，电动机是常规形式的或由氢燃料电池供电。
●一旦到那儿，船1停止电动机并扬帆前行，使用展开的帆2，方向跟随最大风力，仅仅是为了获得高速。船1的速度越大，氢气和氧气的生成越多。
●通过此过程，船1相对于海加速；由于水下涡轮，这被用来产生机械能。
●为了预处理水的电解或电化学活化(ECA)的性能，转换成电能的此机械能将为氢气生成系统5和辅助设备提供动力，在ECA的情况下，将预处理水分离成氢气和氧气，或其他化学物质(例如氯和其化合物)。
●气体在压力下被储存在船上，首先以气态或借助化学或低温存储在气体存储装置6中，其具有：在描绘出的(图1和2)例子中，用于氢气和氧气等的容器7。
●当容器7或化学存储部件(或组件)充满时，船1返回到港口卸载并重新开始所述过程。
理想地，希望在标准集装箱中以标准压力存储工作，其可随后在任何港口卸载，不需要任何基本设施，尽管已预见可能要使用其他用于存储的装置，例如大型球形容器，或化学存储元件(组件)。
根据本发明，帆2是可加强帆，其具有在非操作的折叠位置(图3)和操作的展开位置(图1，4和5)之间可配置的轮廓，在上述位置它们确定帆2的轮廓并因此确定与风接触的空气动力学表面。优选地，处于膨胀和加强形式的帆2应获得类似于航空器的翼的轮廓。
每一帆2由分成相等的两部分21,22的轮廓元件100(图3，4和5)形成，两部分21,22绕管状关节26转动，设置在轴20的两侧，并包括格架形式的支撑结构23，支撑结构23上设置有若干帆元件24，这些组成了可膨胀袋24，它们通过膨胀装置30在未膨胀位置和膨胀且加强位置之间可单独地或共同地操作，未膨胀位置对应折叠位置，膨胀且加强位置对应展开位置，在上述位置它们确定帆2的轮廓并因此确定与风接触的空气动力学表面。
格构的结构23具有例如空气动力学轮廓的机翼的后缘的形状，使得当将要展开膨胀时，将没有必要操作轮廓的一半的那些，其可保持整体未膨胀。
一旦轮廓100的元件的两部分21和22已经安装并固定到一起，并且轮廓100的元件已被安装到一起，帆2绕轴20可旋转，在其下部和上部由围绕船1的甲板13上的若干圆形轨道12的具有轴承的运载件9引导，以及在其上旋转轴处被引导。
中心轴20和与其接触的部分21及22将力传递到船的整体，并保持格构的支撑结构23的组件。轮廓100的所有元件固定到所述中心轴20。
在支撑结构的两边存在若干垂直元件27，其充当外部盖28(图4和图8)的导向，外部盖28可折叠或者位于所述结构下、甲板上或位于上部。外部盖28可以是始终适应帆2的轮廓的形状的产业用织物，且其围绕可膨胀袋24的阵列。为了更加清楚，在图1和5中，帆2以不包含外部盖28被描绘出。
本实施例描绘出的轴20包括三角加强柱32，以赋予格构的支撑结构23更大的强度(图2至5)。所述三角加强柱32可被执行相同功能的形状不同的元件替代。
作为补充细节，帆2的阵列的整体可由上通道8(图1)连接以赋予所述阵列更大的强度。
如上所述，为了形成空气动力学轮廓，所述组件包括一系列可膨胀的帆元件24，帆元件24通过膨胀装置30可随意膨胀，借助穿过管道的压缩空气和遍布帆2的格构的支撑结构23的常规压力系统，借助此系统，帆2采用不同的形状和结构始终是可能的。特别参照图6和7，下面描述了可膨胀的帆元件24的操作的一个非限制性的例子：
用于配置可适应的轮廓的结构的膨胀系统30包括优选地为塑性材料(例如PVC)的可膨胀袋24，并且具有内衬套25。
所述可膨胀袋24通过若干电动滚筒31保持拉紧，电动滚筒31收紧或释放可膨胀袋24，内衬套25具有用于压缩空气的注射管32，内衬套25借助热焊连接或类似的连接附设于可膨胀袋24，所述管固定到格构的支撑结构23的框架，其将管保持在固定位置且还将充当用于保持内部框架33的支撑。
此内部框架33设置在可膨胀袋24的内部，但设在衬套25的外部，且在外部框架34内具有其类似物；这些执行引导功能，使得可膨胀袋24的织物能够拉紧和释放。外部框架34将被固定到通用结构，内部框架33也是如此。所述框架提供抵抗可能由风产生的切向力的稳定性、定位及刚度。
由可膨胀袋24形成的帆2也是可加强的。为了这个目的，所述可膨胀袋24包括具有预成型接缝29(图7)的膨胀形状作为加强装置，以这种方式可膨胀袋24增加或减少其体积，但是具有刚性的、预设的形状，与众所周知的汽车的安全气囊装置相同的方式。在图4和5中，可清楚地看到，一旦获得可操作的、展开的、膨胀的和刚性的位置，可膨胀袋24是如何具有不同的形状和最大体积。
本发明为可能需要这种可能性的任何系统解决了可配置的、可适应的体积的创建的问题，例如具有可配置的轮廓的帆，或用于风力涡轮发电机的叶片。
本领域技术人员须注意，由于帆2可被配置到一侧或另一侧并具有可变的体积，本发明的系统的帆2具有整体对称对偶性，使得在风可能来自相反方向的情况下，它们不需要旋转180°。类似地，对于风在方向或速度上的某些改变，本发明的系统的船不需要改变其方向。
已充分描述了本发明的性质和实现其的方法，应当指出，没有改变、更换或修改其主要目的的任何差异应从属于细节的变化。
在此意义上，本发明中具有可配置的轮廓的帆可采用其他实施方式，其不同于关于基于可膨胀元件或袋24的优选的实施例所阐述的。考虑到其在用于氢气生成系统的船上的应用，帆1也可找到不同于在此描述的应用。
相似地，轮廓元件100的数量，同样地，帆元件(或可膨胀袋)24的数量可以为任何数量，包括单个单元，同时位于权利要求书的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有可变轮廓的帆，在非操作的折叠位置和操作的展开位置之间，确定所述帆(2)的轮廓并因此确定与风接触的空气动力学表面，其特征在于，所述帆(2)包括至少一个可膨胀且可加强的帆元件(24)，并且在对应于非操作位置的折叠位置和展开的操作位置之间通过膨胀装置(30)和加强装置(29)可操作，在所述展开的操作位置所述帆(2)是膨胀的。
2.如权利要求1所述的具有可变轮廓的帆，其特征在于，所述帆(2)的轮廓在轴(20)的两侧被分为部分(21,22)，且所述帆(2)的轮廓包括支撑结构(23)，所述可膨胀的帆元件(24)设置在所述支撑结构(23)上；所述元件由可膨胀袋(24)构成，通过所述膨胀装置(30)和加强装置(29)可操作。
3.如权利要求2所述的具有可变轮廓的帆，其特征在于，所述帆(2)绕所述轴(20)可旋转。
4.如权利要求3所述的具有可变轮廓的帆，其特征在于，所述帆(2)绕所述轴(20)可旋转，在其下部由围绕若干圆形轨道(12)的运载件(9)引导。
5.如权利要求3所述的具有可变轮廓的帆，其特征在于，所述轴(20)包括用来赋予所述支撑结构(23)更大强度的加强柱(32)。
6.如权利要求2所述的具有可变轮廓的帆，其特征在于，所述帆(2)在外部由产业用织物覆盖，产业用织物始终适应帆轮廓的形状，且产业用织物围绕可膨胀袋(24)的阵列。
7.如前述权利要求中的任意一项所述的具有可变轮廓的帆，其特征在于，所述帆(2)的轮廓是航空器的翼的轮廓。
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