阅读说明：本技术 一种太阳能风帆收放装置 (Solar sail winding and unwinding devices ) 是由 陈爱国 曹雪玲 林鸿杰 吴先桐 何文浩 谢驰 林洪山 刘洋 唐伟炜 端木玉 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及风帆船舶助航技术领域,公开了一种太阳能风帆收放装置,包括基座、水平转动装配在基座上的支架和竖直转动装配在支架上的风帆组件,风帆组件在转动过程中具有转动至水平状态的收帆位和转动至竖直状态的放帆位,支架包括转座和升降轴,风帆组件转动装配在升降轴上,升降轴在升降过程中具有带动风帆组件进入转座内的进入位,转座具有供风帆组件转动的转动空间。风帆组件转动至水平状态的收帆位,风帆收回可保持船体的稳定；升降轴在转座上下移至进入位,风帆组件可在转动空间内绕升降轴转动,基座可带动转座水平转动,使风帆组件可在三维空间内灵活转动以接收太阳光线,提高收帆后太阳能的利用率。(The invention relates to the technical field of sailing ship navigation assistance, and discloses a solar sail retracting device which comprises a base, a support and a sail assembly, wherein the support is horizontally and rotatably assembled on the base, the sail assembly is vertically and rotatably assembled on the support, the sail assembly is provided with a sail retracting position and a sail releasing position, the sail retracting position and the sail releasing position are respectively rotated to the horizontal state and the vertical state in the rotating process, the support comprises a rotating seat and a lifting shaft, the sail assembly is rotatably assembled on the lifting shaft, the lifting shaft is provided with an entering position for driving the sail assembly to enter the rotating seat in the lifting process, and the rotating seat is provided with a rotating space for the sail assembly to rotate. The sail assembly rotates to a sail retracting position in a horizontal state, and the sail retracts to keep the stability of the ship body; the lifting shaft moves up and down to the entering position on the rotating seat, the sail assembly can rotate around the lifting shaft in a rotating space, and the base can drive the rotating seat to rotate horizontally, so that the sail assembly can flexibly rotate in a three-dimensional space to receive solar rays, and the utilization rate of solar energy after sailing is improved.)

一种太阳能风帆收放装置

技术领域

本发明涉及风帆船舶助航技术领域，特别是涉及一种太阳能风帆收放装置。

背景技术

如今能源问题与环保问题日渐凸显，人们对节能技术在船舶上的研究也愈加重视，在号召节能减排这个战略背景下，能源消费比重巨大的船舶行业亟待改善，风帆助航技术就是一个突破口。随着公众对于环保能源利用的呼声增高，我们不得不将目光投放在清洁能源上。太阳能和风能是清洁能源的主要代表，而这两种能源在能源替代的应用上受到重视，风能应用于船舶技术已久。

在风帆上同时利用风能和太阳能，可以实现节能环保的目的，方法是将太阳能板布置在风帆上，通过太阳能板利用太阳能发电。风帆上嵌有太阳能电池板需要该装置能够朝向光照最强的方向，以能够实现太阳能转化的效率最大化，通过转动风帆调整太阳光接收角度。

在实际航行过程中，来风具有不确定性，为了使风帆助航能够达到最佳的效果，是需要根据航行时的风向和船舶的航向，来控制风帆转角始终处于最佳迎风角，通常是在风帆的支杆的下端安装自调整攻角装置转动帆面调整最佳迎风角，自调整攻角装置为现有通用装置，不做详细叙述。

但是在恶劣天气条件下或者是风速过大等特殊情况下需要设置收放帆装置来进行收放帆作业，保证船体的稳定。收放帆装置要求风帆在不同的平面上都能灵活调整姿态角。然而现在的收放帆装置对风帆角度进行调整的装置结构较为复杂，同时风帆在收回之后无法调整角度接收太阳光线，收放帆后影响太阳能的利用效果。

发明内容

本发明的目的是：提供一种太阳能风帆收放装置，以解决现有技术中的收放帆装置对风帆角度进行调整的装置结构较为复杂，同时风帆在收回之后无法调整角度接收太阳光线，收放帆后影响太阳能的利用效果的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种太阳能风帆收放装置，包括基座、水平转动装配在所述基座上的支架和竖直转动装配在所述支架上的风帆组件，所述风帆组件在转动过程中具有转动至水平状态的收帆位和转动至竖直状态的放帆位，所述支架包括转动装配在所述基座上的转座和沿竖直方向升降布置在所述转座上的升降轴，所述风帆组件转动装配在所述升降轴上，所述升降轴在升降过程中具有带动所述风帆组件进入所述转座内的进入位，所述转座具有供所述风帆组件在所述转座内绕所述升降轴转动的转动空间。

优选地，所述转座包括转动装配在所述基座上的转轴和固定在所述转轴上的U形架，所述U形架包括与所述转轴连接的下支杆和分别竖直布置在所述下支杆的两端的侧支杆，所述升降轴的两端竖直滑动装配在两个侧支杆上，所述升降轴与所述下支杆之间的间隔行程所述转动空间。

优选地，所述升降轴的升降最低点不低于所述侧支杆的中点。

优选地，两个侧支杆内分别布置有液压伸缩杆，所述升降轴的两端分别固定在两个液压伸缩杆上，所述侧支杆上开设有供所述升降轴穿过的滑槽。

优选地，所述风帆组件包括转动装配在所述升降轴上的固定架、固定在所述固定架上的太阳能风帆和驱动所述固定架绕所述升降轴转动的驱动件，所述固定架与所述升降轴之间布置有对所述固定架的转动行程限位的限位机构。

优选地，所述固定架包括套设在所述升降轴上的套筒和固定在所述套筒上的固定杆，固定杆有两个，两个固定杆成X形交叉布置，所述太阳能风帆固定在所述固定杆上。

优选地，所述套筒的内侧固定有定位块，所述升降轴上开设有供所述定位块嵌入的定位槽，所述定位槽沿所述升降轴的周向延伸，所述定位块与定位槽形成所述限位机构。

优选地，所述定位槽为四分之一圆弧槽。

优选地，所述驱动件为布置在所述升降杆上的液压马达，所述液压马达与所述套筒传动连接。

优选地，所述套筒的轴向两端分别布置有轴承，轴承固定套设在所述升降轴上。

本发明实施例一种太阳能风帆收放装置与现有技术相比，其有益效果在于：风帆组件沿竖直方向转动装配在升降轴上，在恶劣天气条件下或者是风速过大等特殊情况下需要收帆时，风帆组件转动至水平状态的收帆位，此时风帆收回可保持船体的稳定；同时升降轴在转座上下移至进入位，风帆组件随升降轴进入转座内，转座内具有转动空间，风帆组件可在转动空间内绕升降轴转动，同时基座可带动转座水平转动，使风帆组件可在三维空间内灵活转动以接收太阳光线，提高收帆后太阳能的利用率。

附图说明

图1是本发明的太阳能风帆收放装置的结构示意图；

图2是图1的太阳能风帆收放装置的套筒与升降轴的装配示意图；

图3是图1的太阳能风帆收放装置的侧支杆的结构示意图；

图4是图1的太阳能风帆收放装置处于收帆位的结构示意图。

图中，1、基座；2、自调整攻角装置；3、支架；31、转座；32、升降轴；33、转轴；34、U形架；341、下支杆；342、侧支杆；35、滑槽；4、风帆组件；41、太阳能风帆；42、固定架；421、套筒；422、固定杆；43、液压马达；44、定位块；45、定位槽；5、液压控制器；6、检测传感器；7、液压伸缩杆；8、伸缩杆油槽；9、马达油槽；10、轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种太阳能风帆收放装置的优选实施例，如图1至图4所示，该太阳能风帆收放装置包括基座1、自调整攻角装置2、支架3、风帆组件4和液压控制装置，支架3水平转动装配在基座1上，即支架3可在水平面内转动，风帆组件4竖直转动装配在支架3上，即风帆组件4可在竖直面内绕支架3转动。

自调整攻角装置2用于控制支架3在水平面内的转动角度，风帆组件4上固定有用于检测风速与风向的检测传感器6，检测传感器6与自调整攻角装置2信号连接，检测传感器6向自调整攻角装置2传输风速与风向信号，自调整攻角装置2根据风速与风向信号调整支架3在基座1上水平转动，以调整帆面的迎风角，自调整攻角装置2为现有结构，此处不做详细叙述。

支架3包括转座31和升降轴32，转座31转动装配在基座1上，转座31包括转轴33和U形架34，转轴33通过轴承10转动装配在基座1上，轴承10可以减小转轴33与基座1之间的阻力，转轴33的中心轴沿竖直方向延伸。U形架34包括下支杆341和侧支杆342，下支杆341沿水平方向延伸，下支杆341与转轴33之间固定连接，侧支杆342竖直布置在下支杆341上，侧支杆342共有两个，两个侧支杆342分别固定在下支杆341的两端。根据海上实时风况，自调整攻角装置2根据检测传感器6的信号驱动转轴33转动，转轴33转动时通过下支杆341带动U形架34在水平面内做360度转动，从而调整风帆组件4的迎风角至最大攻角，从而使风帆组件4能够带给船舶最大的推进力，最大化提高推动效率，同时提高船舶的自适应性。

升降轴32升降布置在U形架34上，升降轴32沿水平方向延伸。侧支杆342上开设有沿竖直方向延伸的滑槽35，升降轴32的两端穿过滑槽35并导向装配在滑槽35内。两个侧支杆342内分别固定有液压伸缩杆7，液压伸缩杆7的活塞杆与升降轴32的轴向两端分别固定连接，液压伸缩杆7伸缩的活塞杆伸缩时带动升降轴32沿竖直方向升降。

滑槽35的底端位于侧支杆342的轴向的中点，升降轴32在升降时最低点为侧支杆342的中点，当升降轴32降落至最低点时，升降轴32带动风帆组件4移动至U形架34内，此时升降轴32处于进入转座31内的进入位。滑槽35对升降轴32具有定位作用，使升降轴32与下支杆341之间具有间隔，该间隔形成供风帆组件4绕升降轴32转动的转动空间，保证风帆组件4在处于收帆位时还可以竖直转动，配合转座31在水平面内转动，风帆组件4可以在三维空间内转动，调整太阳能板至最佳的太阳光照入射角度，便于接收太阳光线，实现太阳能利用最大化，提高了风能和太阳能的利用率，减少船舶的能源消耗。

风帆组件4竖直转动装配在支架3的升降轴32上，风帆组件4包括固定架42、太阳能风帆41和驱动件，检测传感器6固定在太阳能风帆41的顶部，太阳能风帆41为嵌有太阳能电池板的对称布置的翼型风帆，翼型风帆整体呈矩形结构，翼型风帆采用硬质材料，其造型简单，空气动力性能和稳定性优于传统软质帆。

固定架42包括套筒421和固定杆422，套筒421套设在升降轴32上，套筒421的两端通过轴承10与升降轴32转动装配。太阳能风帆41固定装配在固定杆422上，固定杆422固定装配在套筒421上，套筒421在升降轴32上转动时可带动固定杆422转动，进而带动太阳能风帆41绕升降轴32在竖直面内转动。固定杆422有两个，两个固定杆422成X形交叉布置，两个固定杆422的交叉点与套筒421固定连接，套筒421与固定杆422均为金属结构，套筒421与固定杆422之间焊接固定。交叉布置的固定杆422对太阳能风帆41形成多点固定，可以保证太阳能风帆41的稳定性。

驱动件为布置在升降轴32内的液压马达43，液压马达43固定在升降轴32的中部，液压马达43与套筒421传动连接，液压马达43驱动套筒421在升降轴32上转动。套筒421的内侧固定有定位块44，升降轴32上开设有定位槽45，定位块44有部分超出套筒421的内壁并嵌入定位槽45内，液压马达43驱动套筒421在升降轴32上转动时，定位块44在定位槽45内转动，定位槽45通过定位块44对升降轴32的转动角度进行定位。定位槽45为沿升降轴32的周向延伸的四分之一圆弧槽，定位槽45的两端分别在升降轴32的顶部和中部，定位孔在定位槽45内可在0至90度范围内转动，带动风帆组件4在0至90度范围内转动。

液压马达43驱动金属套筒421在升降轴32上转动，当定位块44转动至定位槽45的顶部并与定位槽45接触时，固定架42转动至极限位置，太阳能风帆41处于竖直状态，此时风帆组件4处于放帆位，太阳能风帆41的迎风面最大；当定位孔转动至定位槽45的底部并与定位槽45接触时，固定架42转动至另一极限位置，太阳能风帆41处于水平状态，此时风帆组件4处于收帆位，太阳能风帆41的迎风面最小，适合在恶劣天气下保持船体稳定。

液压控制装置包括伸缩杆油槽8、马达油槽9和液压控制器5，液压控制器5为船舶的船载计算机，转轴33、下支杆341、侧支杆342和升降轴32内均开设有管路，伸缩杆油槽8与液压伸缩杆7之间、马达油槽9与液压马达43之间分别通过管路连通。伸缩杆油槽8、马达油槽9均开设在基座1上，液压控制器5通过管路与之间分别连接，液压控制器5用于自动分配伸缩杆油槽8、马达油槽9与自调整攻角装置2的液压油路，进而控制液压伸缩杆7、液压马达43与自调整攻角装置2配合工作。

本发明的太阳能风帆收放装置的工作原理是：

太阳能风帆41横截面为对称的两个薄翼型，由“流速增加，压强降低”的伯努利原理我们可以知道，帆船航行过程中受到一定攻角的来风时，它向侧面作用的力就要相对减小。也就是说气体流动速度越大的地方，动压力压强越大，而静压力压强越小，流速愈小的地方，动压力压强愈小而静压力压强愈大，由于帆的前面的气流要走更长的距离来和帆后面的气流相会合因而就加快了流速，使帆的前面和后面气流产生了不同的流速，也产生了压力差，前后表面的压力差对帆面产生升力，所受的合力即太阳能风帆41所产生的推力。

由于在不同攻角下帆面的受力情况不同，产生的横漂力也不同，通过对风帆攻角的优化对风帆截面合力优化，不仅能够使风帆在最佳攻角下受到最大化的推进力，而且还可以使横漂力抵消减小支架3和基座1的扭矩。对称的帆面在圆周范围内有一定的规律，根据此规律可以减少自调整攻角装置2的转动角度，增大整个装置的灵活性。

由于太阳能电池板轻便可顺延帆面铺放且对风帆的受力影响很小，在帆面上镶嵌一定量的太阳能电池板，通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能，而太阳能电池板的发电功率受到光照强度的影响，此装置可以通过上述操作调整太阳光入射角，保持太阳能电池板在工作期间能接收到最强的太阳光照，获得最大的发电效率。

本发明的工作过程为：船舶正常航行时，液压控制器5控制液压马达43转动并使太阳能风帆41保持在竖直状态，风帆组件4处于放帆位，检测传感器6检测的风况信息传输给自调整攻角装置2，自调整攻角装置2自动计算风帆偏转攻角，同时将信号传入液压控制器5，液压控制器5控制液压油的分配使自调整攻角装置2控制支架3水平转动，带动风帆组件4水平转动，进而调整至风帆的最佳攻角；

在遇到恶劣天气等特殊情况需要收帆时，液压控制器5控制马达油槽9的液压油经过管路至液压马达43，液压马达43带动套筒421转动并带动定位块44在定位槽45内转动，套筒421带动固定架42与太阳能风帆41在0至90度之间转动，当定位块44转动至定位槽45的底部极限时，太阳能风帆41水平，风帆组件4处于收帆位；液压控制控制液压伸缩杆7开始收缩，升降轴32带动风帆组件4下移，升降轴32移动至最低位时，风帆组件4进入转座31内，实现收帆；收帆后，根据太阳光线的入射方向，液压马达43可控制风帆组件4在转动空间内转动，使得太阳能电池板上始终获得最强的光照，从而实现对太阳能利用率的最大化。

综上，本发明实施例提供一种太阳能风帆收放装置，其风帆组件沿竖直方向转动装配在升降轴上，在恶劣天气条件下或者是风速过大等特殊情况下需要收帆时，风帆组件转动至水平状态的收帆位，此时风帆收回可保持船体的稳定；同时升降轴在转座上下移至进入位，风帆组件随升降轴进入转座内，转座内具有转动空间，风帆组件可在转动空间内绕升降轴转动，同时基座带动转座水平转动，使风帆组件可在三维空间内灵活转动以接收太阳光线，提高收帆后太阳能的利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。