阅读说明：本技术 一种船用可发电式旋筒帆助航系统及方法 (Marine power-generating rotary sail navigation aid system and method ) 是由 祝小元 彭华超 胡以怀 张华武 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种船用可发电式旋筒帆助航系统及方法,船舶助航模式时,集成控制器的电机控制器控制基座电机切换为电动机,集成控制器的液压控制器驱动液压机械臂收起使两扇转叶收起形成旋筒风帆,基座电机通过传动齿轮带动中心转轴转动,经液压机械臂带动旋筒风帆转动,使船舶在航行中利用旋筒风帆辅助航行；风力发电模式时,电机控制器控制基座电机切换为发电机,液压控制器驱动液压机械臂展开使两扇转叶展开并作为风力发电叶片,风带动风力发电叶片转动,通过液压机械臂带动中心转轴转动,带动基座电机发电。本发明将风能发电与风帆助航有机结合,多途径多角度地利用风能扩大风能的利用范围及显著提高风能利用率,结构简单、操作方便。(The invention discloses a marine power generation type sail spinning assisting system and method, wherein in a marine sailing assisting mode, a motor controller of an integrated controller controls a base motor to be switched into a motor, a hydraulic controller of the integrated controller drives a hydraulic mechanical arm to fold up to enable two rotating blades to fold up to form a sail spinning barrel, the base motor drives a central rotating shaft to rotate through a transmission gear, and the hydraulic mechanical arm drives the sail spinning barrel to rotate, so that a ship can utilize the sail spinning barrel to assist in sailing; in the wind power generation mode, the motor controller controls the base motor to be switched into a generator, the hydraulic controller drives the hydraulic mechanical arm to expand to enable the two rotating blades to be expanded and serve as wind power generation blades, wind drives the wind power generation blades to rotate, and the hydraulic mechanical arm drives the central rotating shaft to rotate to drive the base motor to generate power. The wind energy power generation and sail navigation aid system organically combines wind energy power generation and sail navigation aid, utilizes wind energy in multiple ways and multiple angles, enlarges the utilization range of the wind energy, obviously improves the utilization rate of the wind energy, and has simple structure and convenient operation.)

一种船用可发电式旋筒帆助航系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶节能减排领域，特别涉及一种船用可发电式旋筒帆助航系统及方法。

背景技术

船舶运输具有成本低、载运量大等显著优势，承担了全球贸易90％的运输量，是国民经济运行中不可或缺的战略性服务产业。随着能源压力与环境问题的日益突出，船舶行业节能减排已成为目前广泛关注的焦点。辽阔的海面上蕴涵着丰富的风能资源，风帆助航技术在船舶上的应用不仅历史悠久，而且也是当前新能源船舶研究的热点。风能作为一种清洁且可再生能源，推动其在船舶上的广泛利用对于实现绿色航运有着重要的意义和深远的影响。为了实现风帆助航技术在船舶上的普及应用，提高风帆装备的性能尤为关键。首先，风帆装备需要具有良好的风能实时捕捉效率，以在体现出风帆助航技术的实际利用价值。其次，风帆装备还需操作灵活便捷，以适应风向及风速的随机变化特性。此外，风帆装备需要充分考虑甲板结构及支撑强度，以在助航使用时满足结构安全要求。由于船舶并不是一直处于航行状态，当进行水上锚泊及靠港作业时常规风帆装备将处于闲置状态，从而造成风能有效利用时间的浪费。而如游艇、邮轮、渔船和工程作业船等特定用途船舶实际航行时间并不长，经常需要长时间停航进行水上娱乐或生产作业。因此，如何提高风帆装备的风能利用时间，是需要重点考虑的问题。风帆船舶在随机风浪联合作用下，其运动控制不仅要考虑船舶水动力学特性，也要考虑风帆空气动力学特性以及两者之间的相互耦合作用，从而具有很好的理论研究意义。旋筒式风帆基于马格努斯效应，通过主动调节旋筒转速及转向实现帆体受力大小和方向的灵活变化，从而不仅具有很好的风能利用效率，也为风帆助航船舶先进运动控制提供了条件。

现有的专利(CN201220343897.4；名称：风帆、风电综合节能船；)中所述的风帆为传统的翼型帆，在不同的风况(风速及风向)下，需要大量人力来进行帆体升降与角度调整，操作麻烦。而且在航行中发电会增加船舶所受阻力从而增大油耗。另外，专利(CN201610115680.0；名称：一种可发电的自适应风帆)中可使船舶在航行中利用风帆助航，在锚泊时利用风机辅助发电,但其采用活动翼型风帆，需要额外设计供电系统，结构复杂；在风况改变时操作繁琐且助航方式单一，转向助航不方便，不灵活；会占用船舶甲板上较大的空间，减少货运量。

针对上述问题，需要提供一种结构简单、操作灵活、风能利用效率高的旋筒帆助航与发电综合应用方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船用可发电式旋筒帆助航系统及方法，将风能发电与风帆助航有机结合在一起，多途径多角度地利用风能扩大风能的利用范围及显著提高了风能的利用率，并且整体结构简单、操作方便，可实现转向助航、占用甲板空间小、易于维护、成本低。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种船用可发电式旋筒帆助航系统，其工作模式至少包含船舶助航模式和风力发电模式，包含：

集成控制器，包含电机控制器和液压控制器；

供电/发电系统，包括若干个基座电机和为所述基座电机供电的蓄电模块，所述电机控制器控制所述基座电机切换为电动机或发电机；

若干个旋筒风帆，各设有两扇转叶、中心转轴和液压机械臂，所述液压控制器根据工作模式驱动所述液压机械臂收起或展开；所述液压机械臂与所述中心转轴连接，所述液压机械臂与所述转叶连接，所述中心转轴通过传动机构与基座电机输入轴相连；

在船舶助航模式时，所述电机控制器控制每个基座电机切换为电动机，所述液压控制器驱动液压机械臂收起使得各对的两扇转叶收起并形成旋筒风帆，所述基座电机通过所述传动机构带动中心转轴转动，并经所述液压机械臂带动旋筒风帆转动，使船舶在航行中利用旋筒风帆辅助航行；

在风力发电模式时，所述电机控制器控制每个基座电机切换为发电机，所述液压控制器驱动所述液压机械臂展开使得两扇转叶展开并分别作为风力发电叶片，风带动所述风力发电叶片转动，并通过所述液压机械臂带动所述中心转轴转动，进一步带动基座电机发电，为整个系统供电。

优选地，所述集成控制器还包含辅助控制器；每个旋筒风帆还包含以下的一种或多种：

由所述辅助控制器控制以调节转叶迎风角度的角度调节器，其通过活动法兰连接在所述液压机械臂的第一侧，该第一侧是指远离中心转轴的一侧，所述角度调节器与所述转叶固定连接；

电磁锁，其由所述辅助控制器控制在船舶助航模式时通电闭合，以锁紧两扇转叶，以及控制在风力发电模式时断电打开，以松开转叶；

风速传感器，与所述辅助控制器连接；所述辅助控制器接收所述风速传感器测量的风速与风向数据，控制所述角度调节器实时调节转叶迎风角度；

导流叶，其通过弹簧合页安装在转叶外侧并具有一定的倾角，所述辅助控制器控制所述导流叶的弹簧合页的开闭以控制转叶的气流汇聚作用，使得风经所述导流叶汇聚到转叶的凹面，在风力的作用下带动风力发电叶片转动。

优选地，所述中心转轴上固设有轴承式的接盘，所述液压机械臂的第二侧安装在所述接盘上，该第二侧是指靠近中心转轴的一侧，使得所述液压机械臂通过接盘连接到中心转轴上，转动的所述风力发电叶片通过液压机械臂并经接盘带动所述中心转轴转动，带动基座电机发电。

优选地，所述液压机械臂包含伸缩支撑杆，其是液压机械臂的伸缩部分，用于收起或展开两扇转叶并起支撑作用；所述伸缩支撑杆通过活动法兰与所述角度调节器连接。

优选地，所述转叶是中空半圆柱体，成对固定在所述中心转轴上；所述风速传感器设置在中心转轴顶部。

优选地，所述供电/发电系统还包含若干个逆变器模块，所述蓄电模块是用于在船舶助航模式时为基座电机供电或用于在风力发电模式时存储基座电机转化的电能的蓄电池；各个逆变器模块分别与对应的基座电机和所述蓄电池连接，用于对蓄电池的充放电电压进行升压与降压。

优选地，船舶主甲板前后各布置两个旋筒风帆，通过基座固定在主甲板上；各个基座电机分别设置在对应的旋筒风帆底座下方；所述传动机构为传动齿轮。

本发明提供了一种基于如上文所述的船用可发电式旋筒帆助航系统的工作方法，该方法包含以下过程：

在船舶助航模式时，集成控制器中的电机控制器控制基座电机切换为电动机，集成控制器中的液压控制器驱动液压机械臂收起使得各对的两扇转叶收起并形成旋筒风帆，所述基座电机通过传动机构带动中心转轴转动，并经液压机械臂带动旋筒风帆转动，使船舶在航行中利用旋筒风帆辅助航行；

在风力发电模式时，集成控制器中的电机控制器控制基座电机切换为发电机，集成控制器中的液压控制器驱动液压机械臂展开使得两扇转叶展开并分别作为风力发电叶片，风带动风力发电叶片转动，并通过液压机械臂带动所述中心转轴转动，进一步带动基座电机发电，为整个系统供电。

优选地，在船舶正向航行时，所述电机控制器通过接收风速传感器传送的风速与风向数据以及接收船舶驾驶台的船舶驾驶系统传递的实时航速与航向数据，控制基座电机的转向和转速，以调整旋筒风帆的转向和转速，获得与船舶运动方向一致的有效推进力，将风能转化为船舶辅助前进动力。

优选地，在船舶转向时，所述电机控制器通过接收风速传感器传送的风速与风向数据以及接收船舶驾驶系统的船舶速度传感器传递的实时航速与航向数据，控制基座电机的转向和转速，以调整旋筒风帆的转向和转速，使得船艏的旋筒风帆产生的推进力方向与船舶转向一致并且靠近内侧的旋筒风帆产生的推进力小于靠近外侧的旋筒风帆产生的推进力。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明通过动态改变旋筒风帆的结构，可实现风帆装备助航模式和发电模式的切换；(2)本发明还利用储能装置可将发电式旋筒风帆发电模式时产生的电能用于驱动旋筒在助航模式转速及方向调节，从而不需要额外的能量供应，进一步提高旋筒式风帆的风能综合利用效率；(3)本发明的旋筒风帆主动调节性能优越，通过在甲板上布置四个可发电式旋筒风帆可实现差动转向，从而提高风帆船舶航向控制稳定性及灵活性。

附图说明

图1为本发明的船用可发电式旋筒帆助航系统在助航时的结构示意图；

图2为本发明的船用可发电式旋筒帆助航系统在助航时结构俯视图；

图3为本发明的船用可发电式旋筒帆助航系统在发电时示意图；

图4为本发明的船用可发电式旋筒帆助航方法运行流程图；

图5为本发明的船用可发电式旋筒帆助航方法控制结构示意图。

其中，1-中心转轴；2-转叶；3-伸缩支撑杆；4-旋筒风帆；5-接盘；6-轴承；7-传动齿轮；8-集成控制器；801-电机控制器；802-液压控制器；803-辅助控制器；9-基座电机；10-逆变器模块；11-蓄电池；12-液压机械臂；13-角度调节器；14-电磁锁；15-风速传感器；16-导流叶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图5结合所示，本发明提供了一种船用可发电式旋筒帆助航系统，包含旋筒风帆4、供电/发电系统、集成控制器8。其中，在船舶主甲板前后各布置两个旋筒风帆4，并通过基座固定在主甲板上。本发明的船用可发电式旋筒帆助航系统至少包括两大运行模式：船舶助航模式和风力发电模式。

如图1-图3所示，每个旋筒风帆4包含两扇转叶2、中心转轴1、液压机械臂12、角度调节器13、电磁锁14、风速传感器15和导流叶16，并在旋筒风帆底座下布置一个基座电机9。优选地，转叶2是中空半圆柱体，成对固定在中心转轴1上。示例地，风速传感器15设置在中心转轴1顶部，用于测量风速与风向数据。

如图1-图2所示，所述供电/发电系统包括四个基座电机9、四个逆变器模块10和一个蓄电池11。其中，每个基座电机9在船舶助航模式时切换成电动机，基座电机9在风力发电模式时切换成发电机。蓄电池11为整个系统提供电能，同时也储存电机转化的电能。各个逆变器模块10分别与对应的基座电机9和蓄电池11连接，用于对蓄电池11的充放电电压进行升压、降压。

集成控制器8包括电机控制器801、液压控制器802和辅助控制器803。

电机控制器801与基座电机9连接，电机控制器801基于可发电式旋筒帆助航系统的运行模式来控制基座电机9工作在电动状态或发电状态。另外，集成控制器8中的电机控制器801用于接收风速传感器15传送的风速、风向数据以及接收船舶驾驶台的船舶驾驶系统传递的实时航速、航向数据，并进行算法解算，以控制四个基座电机9的转向和转速，进而调整四个旋筒风帆4的转向和转速，从而实现有效助航与转向。

液压控制器802基于可发电式旋筒帆助航系统的运行模式来驱动液压机械臂12收起或展开，同时，辅助控制器803控制角度调节器13自动调节转叶2的迎风角度以及控制导流叶16的弹簧合页的开闭以控制转叶凹面的气流汇聚作用。

其中，角度调节器13通过活动法兰连接在液压机械臂12的第一侧(远离中心转轴的一侧)，角度调节器13还与转叶2固定连接，用于调节转叶2的迎风角度，充分利用风能。导流叶16通过弹簧合页安装在转叶2外侧并具有一定的倾角，用于汇聚气流，增大风能。优选地，角度调节器13固定连接在转叶2的中间轴(竖向中心轴)位置处。另外，集成控制器8的辅助控制器803控制电磁锁15的开闭。

一个示例中，在集成控制器8收到船舶助航模式信号后：通过电机控制器801发送第一指令给基座电机9，使基座电机9切换为电动机，同时辅助控制器803发送第二指令给电磁锁14，控制电磁锁14通电闭合，此时，液压控制器802驱动液压机械臂12收起，这时的两转叶2在液压机械臂12收缩合起时会叠在一起组成旋筒风帆4；且通电闭合的电磁锁14锁紧两转叶2，防止转叶因转动及海上风浪的影响而脱开。其中，旋筒风帆4是由两个空心半圆柱组成，每个空心半圆柱就是一个转叶2，锁紧两转叶2是让它们组成一个旋筒风帆4，合二为一，电磁锁14锁紧两转叶2是让它们在助航的时候不要被风吹开，一直合在一起组成旋筒风帆4，如图1所示。具体而言，在船舶助航模式时，液压控制器802控制止回阀打开，液压控制器802再控制液压马达转动(例如顺时针转动)收起液压机械臂叶片，使两转叶2紧密合拢，构成旋筒风帆4，此时止回阀关闭，固定液压机械臂12，进而使船舶在航行中利用旋筒风帆4辅助航行。

另一个示例中，在集成控制器8收到风力发电模式信号后：通过电机控制器801发送第三指令给基座电机9，使基座电机9切换为发电机，同时该辅助控制器803发送第四指令给电磁锁14，控制电磁锁14断电打开，此时，液压控制器802驱动液压机械臂12展开，液压机械臂12会撑开两转叶2，断电打开的电磁锁14不再锁紧两转叶2，每个转叶2被当做垂直轴风力发电叶片，如图3所示。另外，本发明均是通过人按下助航模型按钮或风力发电模型按钮来向集成控制器8传送船舶助航模式信号或风力发电模式信号。具体而言，在风力发电模式时(例如在停泊时)，液压控制器802控制止回阀打开，液压控制器802再控制液压马达反向转动(例如逆时针转动)撑起液压机械臂叶片，展开两个对称的转叶2，每个转叶2被当做垂直轴风力发电叶片，此时止回阀关闭，固定液压机械臂12，进而使船舶在停泊中利用风力发电，即该垂直轴风力发电叶片由风带动旋转，从而带动中心转轴1旋转，进而带动基座电机9发电。

如图1和图3所示，中心转轴1上设置接盘5，接盘5相于一个轴承固定在中心转轴1上，液压机械臂12的第二侧(靠近中心转轴的一侧)安装在接盘5上，即液压机械臂12通过接盘5连接到中心转轴1上。其中，液压机械臂12包含伸缩支撑杆3，其是液压机械臂12的伸缩部分，用于收起或展开两对称转叶2并起到支撑作用；所述伸缩支撑杆3通过活动法兰与所述角度调节器13连接。

如图1所示，中心转轴1经轴承6通过传动齿轮7与基座电机9输入轴相连，用于传递动力；所述传动齿轮7采用圆锥齿轮组。其中，在发电模式时，转叶2(即垂直轴风力发电叶片)由风带动旋转，风的力经液压机械臂12传递到接盘5上，接盘5再传递给中心转轴1，从而带动中心转轴1旋转，之后经传动齿轮7将风能传递到基座电机9输入轴，最后带动基座电机9发电，并经过逆变器模块10给蓄电池11充电，从而将风能转化为电力再供给整个系统使用。

如图1-图5结合所示，本发明提供了一种船用可发电式旋筒帆助航方法，该方法包含以下过程：

(一)在船舶助航模式时，集成控制器8中的电机控制器801将四个基座电机9切换为电动机，蓄电池11给基座电机9供电；集成控制器8中的液压控制器802驱动液压机械臂12收起两个对称转叶2，并由集成控制器8中的辅助控制器803控制电磁锁14通电闭合并锁紧转叶2组成旋筒风帆4，所述基座电机9通过传动齿轮7带动中心转轴1转动，再通过接盘5并经液压机械臂12带动旋筒风帆4转动，旋筒风帆4转动产生推进力，即实现使船舶在航行中利用旋筒风帆辅助航行，在船舶助航模式时，角度调节器13与导流叶17的弹簧合页此时均是不工作的。

在船舶正向航行时，集成控制器8的电机控制器801根据风速传感器15测量的风速、风向数据和船舶驾驶系统的船舶速度传感器测得的船舶航向、航速，并经过算法解算出四个旋筒风帆4的最佳转速与转向，并通过控制四个基座电机9的转速与转向，来调整四个旋筒风帆4的转速与转向，进而获得与船舶运动方向一致的有效推进力，从而将风能转化为船舶辅助前进动力。

(二)在船舶转向时，为实现差动力辅助转向，要将船艏两个旋筒风帆的转速与转向随着风速、风向、船舶航向、航速的变化不断进行调整，使得船艏的这两个旋筒风帆4产生的推进力方向与船舶转向一致并且靠近内侧(该内侧是指船舶转向的那一侧)的旋筒风帆产生的推进力小于外侧的旋筒风帆产生的推进力。例如，船舶正向北向航行，船舶需要向左转弯(例如向西)，每个旋筒风帆处的风速风向不一样，根据各自的风速传感器测得的风速、风向数据，再结合马格努斯效应，得出旋筒风帆期望的转速与转向，以使其产生的推进力方向与船舶转向一致，靠近内侧即左侧(西侧)的前后两个旋筒风帆4产生的力要小。

示例地，甲板尾部的两个旋筒风帆4产生的推进力保持与未转向时的航向一致，从而实现差动力辅助转向。因此，在船舶转向时，集成控制器8的电机控制器801接收风速传感器15传送的风速、风向数据以及船舶驾驶系统传递的实时航速、航向数据，并经过算法解算出相应四个旋筒风帆4的最佳转速与转向，并通过实时控制各个基座电机9的转速与转向，用以调整旋筒风帆4的转速与转向。

(三)当船舶停泊时，启动风力发电模式，集成控制器8中的电机控制器801将四个基座电机9切换为发电机，该基座电机9会给蓄电池11充电。集成控制器8中的液压控制器802驱动液压机械臂12展开两个对称的转叶2和导流叶16，从而将旋筒风帆4转为垂直轴风力发电叶片，即一个转叶对应一个垂直轴风力发电叶片，此时集成控制器8中的辅助控制器803控制电磁锁14断电打开使得松开转叶2，四个旋筒风帆4对应的垂直轴风力发电叶片由风带动旋转，通过液压机械臂12并经接盘5带动中心转轴1旋转，进而带动基座电机9发电，并给蓄电池11充电。

辅助控制器803根据风速传感器15测得的风速、风向数据，实时控制转叶2凹面的迎风角度，其中，辅助控制器803根据风速传感器15测得的风速、风向数据，对应地发送控制信号给各个垂直轴风力发电叶片的角度调节器13，各个角度调节器13自动调节对应的两个转叶2的迎风角度，使两个转叶2错开到最佳角度，充分利用风能。其中，风经所述导流叶16汇聚到转叶2(此时作为垂直轴风力发电叶片)的凹面，在风力的作用下带动垂直轴风力发电叶片旋转，再带动液压机械臂12与接盘5转动，从而带动中心转轴1转动，之后通过传动齿轮7带动基座电机9输入轴，进而使得基座电机9发电，并经过逆变器模块10存储于蓄电池11中，从而将风能转化为电力再供给整个系统使用。

综上所述，本发明提供的一种船用可发电式旋筒帆助航系统，能实现风帆助航与风能发电有机结合在一起，整体结构简单，易于维护；本发明利用储能装置可将发电式旋筒风帆发电模式时产生的电能用于驱动旋筒在助航模式转速及方向调节，从而将发电与供电结合一体，不需要额外的能量供应，进一步提高旋筒风帆的风能综合利用效率，降低能耗。旋筒风帆主动调节性能优越，通过在甲板上布置四个可发电式旋筒风帆可实现差动转向，从而提高风帆船舶航向控制稳定性及灵活性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。