一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置

本发明涉及风力发电和风帆助航领域，具体涉及一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置。

背景技术：

船舶在海上航行时，需要消耗大量的燃油进行发电和航行，当前国际环保法规越来越严格，对船舶的能效和有害气体排放、温室气体排放要求越来越高，而海上风能资源丰富，利用海上风能进行发电和助航，必将减少船舶燃油消耗，促进清洁能源在航运中的应用。

目前，国内外的研究主要集中在船舶风能发电上或者是船舶风帆助航上，没有考虑将两者进行有效结合，以提高风能的综合利用效率。根据航线和风速等航行状况，灵活使用不同的运行模式，在船舶航行时，可以运行风帆助航模式；在低速航行、停航和工程作业期间，可以运行风力发电模式，可以极大提高风能资源的利用效率，对航运节能减排，清洁能源的高效利用，缓解我国能源压力，减轻环境污染具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置，通过采用可变叶片和可调半径的垂直轴风力机，并充分考虑船舶在不同航行情况条件下，通过改变叶片，灵活组成既可用于发电，也可用于助航的两用型风能利用装置，特别地，该装置没有中间支撑轴对风轮内部流场造成干扰，有利于开展更深层次的机理研究，解决了现有风能利用装置模式单一，风能利用率不高，有中间支撑轴对内部流场干扰等问题。同时，使用上下端板，可以阻止叶尖绕流，减小叶尖窝的产生，以提高风能利用效率。

为了达到上述目的，本发明提供一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置，其包含：上端板和下端板，其中部位置均间隔开设有多个第一安装连接孔，其边缘位置均对称开设有多个第二安装连接孔，且第一安装连接孔与第二安装连接孔在上、下端板的位置一一对应；风力机叶片，其上下两端固定连接有安装螺栓，用于与上、下端板固定安装；发电机外壳，其内部设置发电机本体，包括外壳定子和转子轴，所述外壳定子固定设置在发电机外壳上；所述转子轴贯穿设置于发电机本体的中心，并从发电机外壳的下端伸出；上法兰，其设置于发电机外壳的顶端，且与下端板固定连接；下法兰，其固定套设于转子轴的下端；基座，其固定安装于船舶上，且与下法兰固定连接。

其中，所述上端板和下端板上的第一安装连接孔的位置一一对应，且分别按照72°间隔角、或90°间隔角或和120°间隔角按列分布形成多组第一安装连接孔，每列第一安装连接孔的数量至少为一个。

其中，上端板和下端板上的每个第一安装连接孔到其端板中心的距离为安装半径，其安装半径小于其端板的半径。

其中，所述下端板的中部位置还开设有多个第三安装连接孔，用于与发电机外壳固定连接。

其中，所述上法兰上还开设有多个第一螺纹安装孔，用于与下端板固定连接。

其中，所述下法兰上还开设有多个第二螺纹安装孔，用于与基座固定连接。

其中，在风力发电模式时，所述风力机叶片为风力发电叶片，其安装在同一种具有相同间隔角的一组第一安装连接孔上，该组中每列第一安装连接孔上只需安装一片风力机叶片，且每片风力机叶片固定安装在安装半径相同的第一安装连接孔上，所述风力机叶片上下两端的安装螺栓与上端板和下端板上的第一安装连接孔通过螺帽进行固定连接，以形成不同风轮半径的风力机，进行风力发电。

其中，在风能助航模式时，所述风力机叶片为风力助推叶片，其形状为半圆形，数量为2片，风力助推叶片上下两端同样固定连接有安装螺栓，所述安装螺栓贯穿位于上端板和下端板边缘上的第二安装连接孔，将所述2片风力助推叶片对立设置后分别和上、下端板固定连接，以形成转筒型风帆，进行风能助航。

其中，所述第三安装连接孔内设有螺纹，其开孔位置根据上法兰上的第一螺纹安装孔而设置，以适应不同大小的发电机。

其中，所述发电机为两用型发电机，在风力发电模式时，发电机作为风力发电装置；在风能助航模式时，发电机作为电动机，提供动能。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置，具有如下有益效果：

1、通过调节上下端板和更换叶片类型，可实现风力发电和风力助推的模式变换。并利用发电机可作为电动机又可作为发电机使用的特性，通过半圆形帆叶实现船舶风帆助航；利用两种模式来捕捉风能，使风能利用率和利用范围更广更高；

2、本装置将电动机等重物设置在低位，极大的改善了结构的受力情况和装置的稳定性；

3、本装置尺寸可以任意设计，叶片翼型和弦长、高度均可以灵活调整，以适应不同场合的需要。

附图说明

图1为本发明的一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置的立体结构示意图；

图2为本发明的一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置的上端板结构示意图；

图3为本发明的一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置的下端板结构示意图；

图4为本发明的一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置的盘式电机结构示意图；

图5为本发明的一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置的风力助推半圆形叶片结构示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图1～附图5，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1所示，本发明提供了一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置，其包含：上端板1和下端板5，如图2和图3所示，该上端板1和下端板5的中部位置均间隔开设有多个第一安装连接孔2，上端板1和下端板5的边缘位置均对称开设有多个第二安装连接孔31，且第一安装连接件孔2与第二安装连接孔31在上、下端板的位置一一对应；进一步，在所述下端板5的中部位置还开设有多个第三安装连接孔4；多个风力机叶片3，每个风力机叶片3的上下两端固定连接有安装螺栓21，通过所述安装螺栓21将风力机叶片3的上下两端分别固定安装在上端板1和下端板5上；发电机外壳6，其内部设置发电机本体，如图4所示，该发电机外壳6包括外壳定子和转子轴61，所述外壳定子固定设置在发电机外壳6上；所述转子轴61贯穿设置于发电机本体的中心，并从发电机外壳6的下端伸出；上法兰7，其设置于发电机外壳6的顶端，并开设有第一螺纹安装孔71，通过螺栓贯穿第三安装连接孔4和第一螺纹安装孔71，将发电机外壳6与下端板5固定连接；下法兰8，固定套设于转子轴61的下端，其上开设有第二螺纹安装孔81；基座9，其固定安装于船舶上，下法兰8通过螺栓贯穿第二螺纹安装孔81与所述基座9固定连接。

其中，如图2和图3所示，所述上端板1和下端板5上的第一安装连接孔2的位置一一对应，且分别按照72°间隔角、或90°间隔角或120°间隔角按列分布形成多组第一安装连接孔2(本实施例中，设置有2组第一安装连接孔2，第一组以间隔角为90°设置四列，第二组以间隔角为120°设置三列，其中竖直的一列与间隔角为90°的竖直一列相重合)，每列第一安装连接孔2的数量至少为1个(本实施例中为4个)；上端板1和下端板5上的每个第一安装连接孔2到其端板中心的距离为安装半径，其安装半径小于其端板的半径。本发明中由于同时使用上、下端板，因此可以阻止气流叶尖绕流，增加对空气能量的最大转化利用率。

其中，所述风力机叶片3的类型可根据风力发电模式或风能助航模式进行更换。当本装置模式为风力发电模式时，如图1所示，所述风力机叶片3的类型为风力发电叶片3，其安装在具有相同间隔角的一组第一安装连接孔2上，该组中的每列第一安装连接孔2上只需安装一片风力发电叶片3，且每片风力发电叶片3的安装半径相同(即固定安装在安装半径相同的第一安装连接孔2上)，所述风力发电叶片3上下两端的安装螺栓21与上端板1和下端板5上的对应的第一安装连接孔2通过螺帽进行固定连接，以形成不同风轮半径的风力机，进行风力发电。

其中，在风力发电模式时，所述风力机叶片3的类型为风力发电叶片，其形状以竖直叶片为主，如图1所示，同时所述风力发电叶片的翼型、弦长、长度和风轮旋转半径可根据需求进行更换。

当本装置模式为风能助航模式时，所述风力机叶片3的类型为风力助推叶片3，其形状为半圆形，数量为2片，如图5所示，风力助推叶片3上下两端同样固定连接有安装螺栓21，所述安装螺栓21贯穿位于上端板1和下端板5边缘上的第二安装连接孔31，将2片所述风力助推叶片3对立设置后分别和上、下端板固定连接，形成转筒型风帆，进行风能助航。

其中，如图3所示，所述第三安装连接孔4内设有螺纹，其开孔位置根据上法兰7上的第一螺纹安装孔71而设置，以适应不同大小的发电机。

其中，所述发电机为两用型发电机，即既可以作为一种为风力发电机，也可以作为一种电动机。

需要说明的是，所述的一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置在工作时，当处于风力发电模式时，所述风力机叶片3采用的类型为风力发电叶片3，在海洋气流的作用下，安装的风力发电叶片3产生动力转矩，带动上端板1和下端板5旋转，下端板5的旋转带动发电机外壳6旋转，进而带动外壳定子旋转并对外输出电能，其产生的电能存储在蓄电池中；当处于风能助航模式时，所述风力机叶片3采用的类型为风力助推叶片3，其形状为半圆形，两片半圆形风力助推叶片3对立设置，形成转筒型风帆，此时发电机模式转变为电动机，其所需电能由自身蓄电池储存的电能提供，或从船舶电网中获得，电动机外壳6转动带动下端板5转动，进而带动转筒型风帆旋转，在海洋气流的作用下，由于风力助推叶片3的旋转将顺着旋转方向经过的气流加速，逆着旋转方向的气流减速，产生了不同的气压差，由此产生垂直于气流的侧向力，即通过马格努斯效应产生的力为空气动力，进而推动船舶前进。在外界风速一定的情况下，可以改变电机转速来获得不同大小的推进力。

综上所述，一种无中间支撑轴的垂直轴风力发电和助航风能利用装置具有双重风能利用模式，风能利用率高的优点，同时减少了中间支撑轴对内部流场干扰。

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。