专利名称：带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用海洋风能作为船舶航行动力的带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆，属于船舶动力及风能利用技术领域。
背景技术：
当今的大部分能源来源是化石燃料煤、石油以及天然气，以现在的使用速度，已知的剩余煤矿矿藏将在约200年后被用完，而石油和天然气将在不到100年内使用殆尽。化石燃料在使用时会造成大量的环境污染，其中包括导致全球变暖的温室气体。当太阳能辐射到地球表面上时，由于受热不均，将引起大气的流动，加上季节的不同以及地球的自转，在海洋上将形成有规律的季风，这些风为船舶的航行提供了无尽的能源及动力。早在5000多年前，就出现了大型的帆船，开始穿越于地中海之间；为适应各种类型的自然风，帆船的帆、桅杆以及船体逐渐向着精细化、专业化方向发展。在“大航海时代” 的15世纪到19世纪中期，快速帆船、纵帆船、战舰以及各种各样的多帆帆船遍及了全球的海洋，人们充分利用帆船及风能探索海洋、发现新大陆，为推动人类的文明发展做出了重要的贡献。风能是可再生或可持续的能源，在各种风能资源中，海上的风能具有较强的规律性，当然在风力大小以及风向上也具有一定的随机性，因此，可以将风能作为现有船舶动力的一个重要补充，可以节约大量的燃油。在现代船舶中，也出现了带动力的帆船，其结构都是在船体上安装固定桅杆及布帆，并根据风向及航向来控制帆布展开的方向。如1980年下水的“新爱德丸号”货轮，该船在甲板上树立着高高的桅杆，桅上的支架撑起布帆，采用计算机分析风力和天气的情况，并计算出帆和发动机的最佳使用方案，当风力较大以及风向合适时，就可以完全依靠风能来拉动船舶进行航行，当风力及方向不适时，可以综合利用船舶上的内燃机动力以及风力来进行航行，即使将风力仅作为燃油发动机的“额外”补充，就能够节省至少20%的燃料。目前，国际上的货物流通主要通过海上运输来完成的，每年由于海上运输所消耗的燃油能源占到相当大的比重，如何充分利用海上的风能来驱动船舶、或作为现有燃油船舶的动力补充，是目前所应当考虑的问题。对于固定桅杆的帆船，一般都有较高的桅杆，当风力较大时，会产生较大的倾翻力矩，固定的桅杆及布帆将在船舶甲板上占据较大的空间。对于风速来说，随着高度的变化将有明显的不同，该现象称为风切变；一般情况下，因风切变现象产生的风速为高度的幂函数关系；因此，较高位置的风速大，具有较高的风能利用率。因此，具有固定桅杆的帆船因施放布帆的空间较低，造成受风效率较低；若增加固定桅杆的高度以及布帆的面积，也将带来一系列的安全隐患，并且，在船舶进出港口时会由于较高的桅杆也会带来较多的问题。海上风能为可再生的一次能源，若能够直接利用作为动力，无需能量的转换(如发电就需要进行多次的转换)，这本身就可以提高风能利用的效率，若能够利用较高位置的风能，则还能进一步提高利用率，因此，将海上的风能作为现有动力船舶的补充将是一个重要发展的方向，关键是需要设计并制造出安全可靠、使用方便、成本较低的风能驱动装置。近年来，出现了一些利用风能的发明设想，如“伞状风帆船”(200810036632. 8)(公开号CN101565100)，它包括风帆、钛合金圆环、液氢罐等复杂装置，但没有放收装置，其稳定性、伞状风帆的可实施性存在较大问题。专利文献“在具有风力驱动装置的船舶中用于飞出的筝帆式迎风部件的张开系统”(200580020233. 7)(公开号CN1968850)提出采用垂直固定装置进行施放，筝帆回收仅通过主拉索的回收来完成，在遇到风力较小或无风的情况下，若拉索回收不及时，施放后的伞帆将会掉入水中，况且，风力具有一定随机性，也不能频繁地采用主拉索的回收来进行操作，虽然也提出在紧急缩帆过程时通过一个快速收回牵引绳索放出的降落伞实现快速打开，但也仅采用一般的降落伞实现降落过程。专利文献“一种利用浮动式风帆产生推动力的船用装置”(200810034057. 8)(公开号CN101519114)也提出一个了一个浮动式风帆的设想，对于施放和回收方式、空中漂浮结构、漂浮稳定性等，均未提出具有可实施的方案。专利文献“用于船舶航行的可收放的远程悬浮型风能伞帆装置”(201010194857. 3)(公开号CN101844614A)，给出了可收放的远程悬浮型风能伞帆装置， 该装置为单气囊系统，所充填气体都为比空气轻的气体，伞帆的施放的回收都必须对整个气囊进行操作，充填气体的工作量较大，在船体上还必须有存贮轻型气体的容器，由于主伞帆上没有反向拉索，使得伞帆在风力作用下的稳定性受到较大的影响；由于没有能够同时进行伞面的水平及垂直方向调节装置，较难同时进行伞面的高度及方向的调节；另外，整个充气装置都是放置在船体上，再通过较长的充气管连接到船体上进行充气，由于充抽气软管较长，整个充气及抽气的效率较低。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，一方面使该装置无需对整个气囊进行操作，即可方便地对伞帆起到收放的作用，以提高放收伞帆的效率；另一方面能够进行水平和垂直方向的调整，更好地控制伞帆的高度及方向，从而使该伞帆装置能够进行较高空间位置上的远程施放，而且伞帆位置稳定、伞帆形状固定、风能利用率高，因而既可以作为船舶航行的风力装置，也可以作为现有燃油动力船舶航行时的一个风力补充动力装置。本发明的技术方案如下一种带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，含有主伞帆，所述主伞帆包括主伞帆气囊系统、伞帆主拉索、主伞帆扩展环、伞帆中心气流孔、主伞帆充抽气装置、主伞帆充气软管和主伞帆伞面拉索；主伞帆伞面的边缘与主伞帆扩展环连接，其特征在于所述风能伞帆装置还含有悬浮伞帆，该悬浮伞帆包括悬浮伞帆充抽气装置、悬浮伞帆充气软管、悬浮伞帆帆面拉索、悬浮伞帆扩展环和悬浮伞帆气囊系统；该悬浮伞帆扩展环的边缘通过悬浮伞帆帆面拉索连接在伞帆主拉索上；悬浮伞帆充抽气装置与悬浮伞帆充气软管连接；所述的悬浮伞帆气囊系统是由悬浮伞帆空气气囊和悬浮气体封闭气囊组成，所述的悬浮气体封闭气囊独立设置若干个，并被包裹在悬浮伞帆空气气囊中。本发明所述悬浮气体封闭气囊内填充的气体是比空气轻的气体，一般为氢气或氦气。而主伞帆气囊系统中填充的气体一般为空气。
本发明的技术特征还在于所述的主伞帆包括分别固定在伞帆主拉索上的水平拉索调整限位器和垂直拉索调整限位器；所述的水平拉索调整限位器通过主伞帆帆面水平拉索与主伞帆扩展环的水平边缘固定连接；所述的垂直拉索调整限位器通过主伞帆帆面垂直拉索与主伞帆扩展环的垂直边缘固定连接，以更好地控制伞帆的高度及方向。本发明的又一技术特征在于其特征在于所述的主伞帆充抽气装置采用主伞帆远程充抽气装置，并通过主伞帆充气软管对主伞帆气囊系统进行远程离线的充气和抽气操作，该主伞帆远程充抽气装置固定在伞帆主拉索上；所说的悬浮伞帆充抽气装置采用悬浮伞帆远程充抽气装置，并通过悬浮伞帆充气软管对悬浮伞帆空气气囊进行远程离线的充气和抽气操作，该悬浮伞帆远程充抽气装置固定在伞帆主拉索上；使用远程充气抽气装置进行伞帆气囊的充气与抽气操作，可以大大提高放收伞帆的效率。本发明所述主伞帆还设有主伞帆反面拉索以及主伞帆反面拉索收放器，该收放器固定在主拉索上，并通过反面拉索连接在主伞帆帆面的背面。在主伞帆帆面的还背面设有充填空气的稳定翼，这样可以使得主伞帆更加稳定。本发明与现有技术相比，具有以下特点及突出效果①采用主伞帆及悬浮伞帆，悬浮伞帆对整个伞帆起到悬浮的作用，而主伞帆主要起到受风承力的作用。悬浮伞帆采用两种类型的气囊，一种为充填悬浮气体的封闭气囊，可以充进比空气轻的气体(如氦气、氢气等)，无需进行频繁的充放，内部所填充的气体始终保持不变，填充一次后长期使用；另一气囊则填充空气，每次进行充填或抽取空气的操作；由于采用多个封闭充填悬浮气体的气囊，并被包裹在可以充填或抽取空气的气囊中，当充气工作时，悬浮伞帆将完全展开，除起到悬浮作用外，还具有受风承力的作用；当回收抽气时，悬浮伞帆将完全折叠，仅占用较小的空间。②设有主伞帆的反面拉索以及反面拉索收放器，使得主伞帆在风力作用下更加稳； ③充气展开后的伞帆具有较固定的形状和刚度，还有充填空气的稳定翼，可以使得伞帆的受风状态更为稳定；④本发明还采用可以进行水平拉索调整及垂直拉索调整的限位装置， 因而可以更好地控制伞帆的高度及方向；⑤采用远程充气抽气装置通过无线信号的指令对气囊系统进行充气与抽气的操作，可以大大提高效率。
图1为本发明提供的一种带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置的结构示意图。图2为主伞帆帆面结构示意图。图3为悬浮伞帆帆面结构示意图。图中1-主伞帆；2-悬浮伞帆；3-伞帆主拉索；4-主伞帆帆面水平拉索；5-主伞帆帆面垂直拉索；6-悬浮气体封闭气囊；7-主伞帆扩展环；8-伞帆中心气流孔；9-充填空气的稳定翼；10-水平拉索调整限位器；11-垂直拉索调整限位器；12-主伞帆远程充抽气装置；13-主伞帆充气软管；18-主伞帆气囊系统；19-主伞帆反面拉索；20-主伞帆反面拉索收放器；21-主伞帆帆面；22-悬浮伞帆远程充抽气装置；23-悬浮伞帆充气软管；24-悬浮伞帆帆面拉索；25-悬浮伞帆扩展环；26-悬浮伞帆空气气囊；27-悬浮伞帆帆面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构及具体实施方式
作进一步的说明图1为本发明提供的一种带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置的结构示意图，该远程悬浮型风能伞帆装置含有主伞1和悬浮伞帆2 ；所述主伞帆包括主伞帆气囊系统18、伞帆主拉索3、主伞帆扩展环7、伞帆中心气流孔8、主伞帆充抽气装置、主伞帆充气软管13和主伞帆伞面拉索；主伞帆伞面的边缘与主伞帆扩展环7相连接；悬浮伞帆2包括悬浮伞帆充抽气装置、悬浮伞帆充气软管23、悬浮伞帆帆面拉索M、悬浮伞帆扩展环25和悬浮伞帆气囊系统，该悬浮伞帆扩展环25的边缘通过悬浮伞帆帆面拉索M连接在伞帆主拉索3 ；悬浮伞帆充抽气装置与悬浮伞帆充气软管23连接。悬浮伞帆气囊系统是由悬浮伞帆空气气囊沈和悬浮气体封闭气囊6两种类型的气囊组成，所述的悬浮气体封闭气囊独立设置若干个，并被包裹在悬浮伞帆空气气囊沈中。图2为主伞帆帆面示意图。主伞帆气囊系统18由主伞帆帆面21和主伞帆扩展环 7组成，主伞帆伞面的边缘与主伞帆扩展环7相连接；利用主伞帆远程充抽气装置12并通过主伞帆充气软管13对主伞帆气囊系统进行远程离线的充气和抽气操作，该主伞帆远程充抽气装置固定在伞帆主拉索上。主伞帆气囊系统可以充填空气或比空气轻的气体。主伞帆上还装有水平拉索调整限位器10和垂直拉索调整限位器11，该主伞帆扩展环7的水平边缘通过伞帆帆面水平拉索4连接在水平拉索调整限位器10上，该扩展环的垂直边缘通过伞帆帆面垂直拉索5连接在垂直拉索调整限位器11上，水平拉索调整限位器10及垂直拉索调整限位器11均固定在伞帆主拉索3上。其作用是对主伞帆的水平和垂直方向进行调整， 从而可以更好地控制伞帆的高度及方向，使其更加稳定。在施放时，为了使伞帆装置在风力作用下更加稳和便于控制，主伞帆上还设有主伞帆反面拉索19以及主伞帆反面拉索收放器20，该收放器固定在伞帆拉索3，并通过反面拉索连接在主伞帆帆面21的背面。同时在主伞帆伞面的背面还设有充填空气的稳定翼9。图3为悬浮伞帆帆面示意图，悬浮伞帆帆面27由悬浮伞帆气囊系统和悬浮伞帆扩展环25组成，中间开有伞帆中心气流孔8，其中悬浮伞帆气囊系统是由悬浮伞帆空气气囊 26和悬浮气体封闭气囊6两种类型的气囊组成，一种为充填悬浮气体的封闭气囊，无需进行频繁的充放，内部所填充的气体始终保持不变，悬浮气体封闭气囊中应填充比空气轻的气体，例如氢气或氦气等，起到悬浮作用，并始终保持充气状态，填充一次后长期使用；另一气囊则填充空气，当需要进行伞帆的放飞或收回时，需要通过悬浮伞帆远程充抽气装置22 对悬浮伞帆空气气囊沈进行充气或抽气的操作。由于采用多个封闭充填悬浮气体的气囊， 并被包裹在可以充填或抽取空气的气囊中，当充气工作时，悬浮伞帆将完全展开，除起到悬浮作用外，还具有受风承力的作用；当对悬浮伞帆空气气囊沈进行抽气回收，则悬浮伞帆将完全折叠，但悬浮气体封闭气囊6的各个部分还保持填充较轻气体的状态，仅占用较小的空间。在施放时，首先对悬浮气体封闭气囊6进行充气，如充氢气或氦气，使得整个伞帆系统具有升力，使得伞帆漂浮起来，并始终保持充气状态，充满后不再进行抽气的操作；再逐步施放伞帆主拉索3，使得伞帆升高，当达到一定的高度时，通过远程充抽气装置12对主伞帆气囊系统以及主伞帆扩展环7进行充气，同时，通过远程充抽气装置22对悬浮伞帆空气气囊26以及悬浮伞帆扩展环25进行充气，填充的空气使得气囊达到一定的气压并具有一定的刚度，将起到支撑骨架的作用，这样可使主伞帆及悬浮伞帆张开。
在伞帆展开后，对于设置在主伞帆上的水平拉索调整限位器10，可通过主伞帆帆面水平拉索4调整主伞帆左端方向或右端方向，使得伞帆整体的水平方向得以调整；对于设置在主伞帆上的垂直拉索调整限位器11，可通过主伞帆帆面垂直拉索调整主伞帆上端方向或下端方向，使得伞帆整体的垂直方向得以调整。当无风、风力较小、海面风力条件恶劣、进出港口等因素导致需要对伞帆进行收回时，可以通过主伞帆远程充抽气装置12对主伞帆1的气囊系统进行抽气，这时主伞帆将成为紧缩状态；同时，通过悬浮伞帆远程充抽气装置22对悬浮伞帆气囊系统进行抽气，这时悬浮伞帆将成为折叠状态，但悬浮气体封闭气囊6还依然保持充气状态，因此，整个伞帆系统还处于悬浮状态，可以通过伞帆主拉索的回收来收回伞帆系统，使其回到船舶上的支架上。
权利要求
1.一种带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，含有主伞帆(1)，所述主伞帆包括主伞帆气囊系统(18)、伞帆主拉索(3)、主伞帆扩展环(7)、伞帆中心气流孔 (8)、主伞帆充抽气装置、主伞帆充气软管(1 和主伞帆伞面拉索；主伞帆伞面的边缘与主伞帆扩展环(7)连接，其特征在于所述风能伞帆装置还含有悬浮伞帆O)，该悬浮伞帆包括悬浮伞帆充抽气装置、悬浮伞帆充气软管(23)、悬浮伞帆帆面拉索(M)、悬浮伞帆扩展环0 和悬浮伞帆气囊系统；该悬浮伞帆扩展环的边缘通过悬浮伞帆帆面拉索04)连接在伞帆主拉索( 上；悬浮伞帆充抽气装置与悬浮伞帆充气软管连接；所述的悬浮伞帆气囊系统是由悬浮伞帆空气气囊06)和悬浮气体封闭气囊(6)组成，所述的悬浮气体封闭气囊独立设置若干个，并被包裹在悬浮伞帆空气气囊06)中。
2.按照权利要求1所述的带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于所述的主伞帆包括分别固定在伞帆主拉索C3)上的水平拉索调整限位器(10) 和垂直拉索调整限位器(11)；所述的水平拉索调整限位器通过主伞帆帆面水平拉索(4)与主伞帆扩展环的水平边缘固定连接；所述的垂直拉索调整限位器通过主伞帆帆面垂直拉索 (5)与主伞帆扩展环的垂直边缘固定连接。
3.按照权利要求1或2所述的带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于所述的主伞帆充抽气装置采用主伞帆远程充抽气装置(12)，并通过主伞帆充气软管(13)对主伞帆气囊系统(18)进行远程离线的充气和抽气操作，该主伞帆远程充抽气装置固定在伞帆主拉索( 上；所说的悬浮伞帆充抽气装置采用悬浮伞帆远程充抽气装置(22)，并通过悬浮伞帆充气软管对悬浮伞帆空气气囊06)进行远程离线的充气和抽气操作，该悬浮伞帆远程充抽气装置0 固定在伞帆主拉索(3)上。
4.按照权利要求3所述的带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于所述主伞帆设有主伞帆反面拉索(19)以及主伞帆反面拉索收放器(20)，该收放器固定在主拉索C3)上，并通过反面拉索连接在主伞帆帆面的背面。
5.按照权利要求1所述的带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于在主伞帆帆面的背面设有充填空气的稳定翼(9)。
6.按照权利要求1所述的带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于所述的悬浮气体封闭气囊(6)内填充的其他为氢气或氦气。
7.按照权利要求1所述的带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，其特征在于所述主伞帆气囊系统中所填充的气体为空气。
全文摘要
带有双气囊系统的离线调控的远程悬浮型风能伞帆装置，含有主伞帆、悬浮伞帆、伞帆主拉索、主伞帆气囊系统和悬浮伞帆气囊系统。悬浮伞帆气囊系统由悬浮伞帆空气气囊和悬浮气体封闭气囊组成，悬浮气体封闭气囊独立设置若干个，并被包裹在悬浮伞帆空气气囊中。悬浮伞帆对整个伞帆起到悬浮的作用，而主伞帆起到受风承力的作用。主伞帆还包括拉索调整限位器，可对主伞帆的水平及垂直方向进行控制，同时设有反面拉索以及反面拉索收放器，使得主伞帆更加稳定；采用远程充抽气装置进行伞帆气囊的离线操作。本发明具有悬浮位置稳定、伞帆形状固定、受风面积大、受风位置高、风能利用率高、可进行远程操作等特点，既作为船舶航行的风力装置或补充动力装置。
文档编号B63H9/04GK102295066SQ20111015857
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者曾攀 申请人:清华大学