一种在商船上综合利用风能的装置及方法与流程

本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种在商船上综合利用风能的装置及方法。

背景技术：

随着贸易全球化的发展，世界各国的货物交易愈发的频繁，各国之间运输的货物，尤其是大宗货物或散装货物，多采用船舶进行海上运输，但船舶在运输过程中不仅要消耗大量的燃油，而且燃烧燃油排放的废气对环境造成污染，所以寻找新的可替代能源和节能减排成为船舶亟待解决的问题。

近年来，已经有研究人员和学者在航行商船上安装应用风能的装置，将风能转化为船舶航行的助推力，降低了船舶燃油消耗，实现了船舶节能减排。风能作为一种可再生能源，其具有蕴量大、分布广、无污染等优点，此外，由于海面比较空旷，风阻小，所以海上风力普遍比陆地上大，船舶在海洋中航行，风能对于船舶而言具有得天独厚的优势。

基于此，有学者提出利用马格努斯效应转化利用风能为船舶提供助推力。当船舶在海上航行时，将一根绕轴线旋转的圆柱体垂直安装在船舶上，由于圆柱体的旋转可以带动周围流体旋转，若船舶左舷来风或右舷来风，那么圆柱体一侧的流体速度会增加，另一侧流体速度会减小，这样就会使圆柱体在水平面沿船长方向形成压力差，产生与船舶航行方向相同的助推力，这就是马格努斯效应力。

专利号为cn109159879a的中国专利公开了一种具有风能推进装置的游轮，该专利中的旋筒利用马格努斯效应产生沿船舶前进方向的助推力，降低了船舶能耗。虽然类似专利方案很多，但存在下述共同问题：第一，当船舶迎风航行时，由于旋筒风帆的存在，所以会给船舶航行带来较大的额外风阻，增加船舶油耗；第二，由于旋筒风帆需安装在船舶甲板上，所以考虑到甲板空间、船舶稳性、旋筒高度等因素的限制，通常旋筒风帆的尺寸较小，直径不能太大，高度不能过高，在船舶航行过程中左舷来风或右舷来风时受风面积较小，导致产生沿船舶航行方向的马格努斯效应助推力较小。

针对上述问题，若是能够在船舶上发明出一种不仅有足够大的受风面积，还能在船舶迎风航行时自动降低风阻的变形风帆，将具有更大的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种在商船上综合利用风能的装置及方法，该装置不仅有足够大的受风面积，还能根据不同风向进行变形，实现对不同风向条件下风能的充分利用。

本发明的第一个目的是提出一种在商船上综合利用风能的装置。

该装置包括：a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱、底座、变形风帆、平台、平台支柱、轨道，其中a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱的大小和形状相同，在各旋柱上设置旋柱导轨和旋柱外齿。

所述底座包括：底座凹槽、液压马达、电动机、电动机齿轮、同步齿轮、环形导轨。

所述平台支柱靠近船舶艏楼，刚性固定在船舶的甲板上，其高度为2m到3m，上方刚性固定着圆形平台，所述圆形平台的直径与船宽相等，平台上设有轨道。

所述a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱上分别设置旋柱导轨和旋柱外齿，所述旋柱导轨共有三条，分别固定在旋柱外表面上、中、下位置，所述旋柱外齿固定在旋柱底部，在靠近旋柱外齿的位置上设有环形凹槽。所述变形风帆将八根旋柱围起，其内侧设有上、中、下三层凹槽，分别与各旋柱上、中、下三条导轨配合。

在a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱下方各设置一个底座，所述底座的形状为圆柱形，其截面直径大于旋柱的截面直径，与轨道的宽度相等，在底座上设有环形导轨，所述环形导轨与旋柱上的环形凹槽相配合。所述液压马达设于底座内部，液压马达的齿轮通过轴与液压马达相连接，位于底座的一侧，轨道两侧各设有齿条，液压马达的齿轮与轨道其中一侧齿条相配合。所述同步齿轮与液压马达的齿轮大小相等，形状相同，位于同一高度，刚性固定在底座的另一侧，与轨道另一侧齿条相配合。底座上另设有底座凹槽，也可与轨道相配合，使得旋柱与对应的底座可以沿轨道移动。

所述电动机包括同等规格的八个电动机，其分别设置在与a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱配合的底座内，八个电动机上均设有电动机齿轮，分别与对应的a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱中的旋柱外齿啮合，驱动各旋柱旋转。

本发明的第二个目的是提出一种在商船上综合利用风能的方法。

设本发明装置的初始状态为：若是将同一水平面上八根旋柱的中心依次相连，则形成的图形为正八边形，以正八边形的形心为原点，沿船宽方向设为x轴，右舷方向为x轴正方向，沿船长方向设为y轴，船首方向为y轴正方向，设a旋柱的中心距原点的距离为t，其中，t≤1/3b，b为船宽，则所述正八边形的八个顶点，也即是上述a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱各个中心，其平面坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、在初始状态下，变形风帆将八根旋柱围起，其可形成一个较大的截面近似于圆形的旋筒风帆，此时，本发明装置的直径为2/3船宽。

当船舶左舷来风、右舷来风或船尾来风时，设置a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱各个中心平面坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、除a旋柱外，在上述坐标位置上分别设有与b旋柱对应的b1位置传感器，与c旋柱对应的c1位置传感器，与d旋柱对应的d1位置传感器，与e旋柱对应的e1位置传感器，与f旋柱对应的f1位置传感器，与g旋柱对应的g1位置传感器，与h旋柱对应的h1位置传感器。

当船舶船首来风时，定义此时本发明装置的状态为迎风状态，设置a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱各个中心平面坐标依次为(0，t)、(0，-2t)、除a旋柱外，在上述坐标位置上分别设有与b旋柱对应的b2位置传感器，与c旋柱对应的c2位置传感器，与d旋柱对应的d2位置传感器，与e旋柱对应的e2位置传感器，与f旋柱对应的f2位置传感器，与g旋柱对应的g2位置传感器，与h旋柱对应的h2位置传感器。

在船舶较高位置设置风向传感器，所述风向传感器可判断风向信息，风向信息的判断如下：设船舶航行方向逆时针转动到来风方向所转过的角度为θ，θ的范围为(0，360]，若θ∈(135°，225°]，则判断为船舶船首来风；若θ∈(0°，45°]∪(315°，360°]，则判断为船舶船尾来风；若θ∈(225°，315°]，则判断为船舶左舷来风；若θ∈(45°，135°]，则判断为船舶右舷来风。

在船舶设置控制装置，所述控制装置会根据所接收的风向信息，输出信号控制电动机的启停与转向，同时也会输出信号控制电磁换向阀的启停与换向，电磁换向阀根据所接收的信号，控制液压油的流向，进而控制每根旋柱所对应的液压马达的启停与转向，从而控制八根旋柱是否移动。当八根旋柱移动到对应风向信息所设定的位置时，就会由该位置上的位置传感器反馈信号给控制装置，此时控制装置输出信号，使电磁换向阀处在中位，停止向液压马达供液，由于电磁换向阀是锁闭油口状态，所以液压马达的油路锁闭，将各旋柱锁定在相应的位置。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器感应到船舶左舷来风时，也即a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱各个中心的坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、此时，控制装置根据风向信息随即控制八个电动机工作，进而驱动对应的各旋柱产生从上往下看为顺时针的转动，从而带动变形风帆顺时针转动，根据马格努斯效应可知，变形风帆产生沿船首方向的横向力，为船舶航行助推。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器判断风向信息为右舷来风时，也即a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱的各个中心坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、此时，控制装置根据风向信息随即控制八个电动机工作，进而驱动对应的各旋柱产生从上往下看为逆时针的转动，从而带动变形风帆逆时针转动，根据马格努斯效应可知，变形风帆产生沿船首方向的横向力，为船舶航行助推。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器判断风向信息为船尾来风时，也即a旋柱、b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱的各个中心坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、此时，控制装置根据风向信息随即控制八个电动机停止工作。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器判断风向信息为船首来风时，则控制装置会输出信号控制八个电动机停止工作，同时输出信号控制电磁换向阀将液压泵供给的油液输送给液压马达相应的管路，从而使底座中的液压马达工作，进而带动b旋柱、c旋柱、d旋柱、e旋柱、f旋柱、g旋柱、h旋柱分别移动到坐标为(0，-2t)、的位置上。当各旋柱移动到设定的位置坐标时，位置传感器就会反馈信号给控制装置，从而使得控制装置输出信号控制电磁换向阀，液压泵停止供液，此时液压马达的油路锁闭，将各旋柱锁定在相应的位置。

上述旋柱变形过程中，与a旋柱配合的底座始终是固定的。

本发明有益效果：

1.本发明的变形风帆直径接近于2/3船宽，解决了传统马格努斯旋筒风帆直径偏小以及受风面积不能太大的技术问题，所以本发明装置在船舶航行左舷来风或右舷来风时，可以产生较大的马格努斯助推力，为船舶航行提供了部分动力，降低了船舶油耗，实现了船舶节能减排。

2.本发明的变形风帆能够根据不同风向进行变形，在船舶迎风航行时，通过减小变形风帆迎风面的投影面积，解决了传统的旋筒风帆在迎风航行时风阻较大的问题。

3.本发明的变形风帆通过将八根旋柱围起，从而形成尺寸较大且横截面近似圆形的旋筒风帆，相对于传统马格努斯旋筒风帆而言，本发明装置在单位质量内产生的推力大，对风能的利用率高，也就是质量相等的装置在相同的外界条件下，本发明装置产生的推力更大，故本发明装置相对质量轻，产生的推力效果更好。

附图说明

图1是本发明装置的示意图；

图2是本发明装置在船舶上的三维模型；

图3是本发明装置中底座的内部结构图；

图4是本发明装置中旋柱与底座的配合示意图；

图5是本发明装置中旋柱与变形风帆的配合示意图；

图6是本发明装置中轨道的路径图；

图7是本发明装置中底座与轨道的配合示意图；

图8是本发明装置中底座与轨道的配合的三维模型；

图9是本发明装置中所设坐标系的示意图；

图10是本发明装置中位置传感器的分布示意图；

图11是船舶航行方向与所受风向的风向角示意图；

图12本发明装置中控制装置示意图；

图13本发明装置中电磁换向阀示意图；

图14是船舶迎风航行时本发明装置的变形示意图；

附图中：1.a旋柱；2.b旋柱；3.c旋柱；4.d旋柱；5.e旋柱；6.f旋柱；7.g旋柱；8.h旋柱；9.底座；901.底座凹槽；902.液压马达；903.电动机；904.电动机齿轮；905.同步齿轮；906.环形导轨；10.变形风帆；11.平台；12.平台支柱；13.轨道；14.旋柱导轨；15.旋柱外齿。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种在商船上综合利用风能的装置及方法，如图1所示，该装置包括：a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8、底座9、变形风帆10、平台11、平台支柱12、轨道13，其中a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8的大小和形状完全相同，本发明在船舶上的三维模型如图2所示。

在旋柱底部设置底座9，所述底座9包括：底座凹槽901、液压马达902、电动机903、电动机齿轮904、同步齿轮905、环形导轨906，其内部结构图如图3所示。

如图4和图5所示，在各旋柱上设置旋柱导轨14和旋柱外齿15，所述旋柱导轨14共有三条，分别固定在旋柱外表面上、中、下位置，所述旋柱外齿15固定在旋柱底部，在靠近旋柱外齿15的位置上设有环形凹槽。所述变形风帆10将八根旋柱围起，其内侧设有上、中、下三层凹槽，分别与各旋柱上、中、下三条导轨配合。

所述平台支柱12靠近船舶艏楼，竖直固定在船舶甲板上，其高度为2m到3m，如图6所示，平台支柱12刚性支撑着平台11，设置平台支柱12的目的是：不影响船上人员在甲板处行走。所述平台11的形状为圆盘形，其所在平面平行于船舶基平面，直径与船宽相等，在平台11上设有轨道13。将齿条固定在所述轨道13的两侧，如图7所示。

如图8所示，所述底座9的形状为圆柱形，其截面直径大于旋柱的截面直径，与轨道13的宽度相等，在底座9上设有环形导轨906，所述环形导轨906与旋柱上的环形凹槽相配合，从而实现旋柱在底座9里旋转。所述液压马达902设于底座9内部，液压马达902的齿轮通过转轴与液压马达902相连接，位于底座9的一侧，与轨道13上的齿条啮合；所述同步齿轮905与液压马达902的齿轮大小形状相同，位于同一高度，刚性固定在底座9的另一侧，与另一侧轨道13上的齿条啮合。所述底座凹槽901与轨道13配合，底座9与旋柱配合，底座9可沿着轨道13进行移动，使得旋柱随底座9的移动而移动。

所述电动机903包括电动机a、电动机b、电动机c、电动机d、电动机e、电动机f、电动机g、电动机h八个电动机，其分别设置在与a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8配合的底座9内，八个电动机上均设有电动机齿轮904，分别与a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8中的旋柱外齿15啮合，驱动各旋柱旋转。

设本发明装置的初始状态为：若是将同一水平面上八根旋柱的中心依次相连，形成的图形为正八边形，其边长等于相邻两个旋柱中心的连线距离，如图9所示，以正八边形的形心为原点，沿船宽方向设为x轴，右舷方向为x轴正方向，沿船长方向设为y轴，船首方向为y轴正方向，设a旋柱1的中心距原点的距离为t，其中，t≤1/3b，b为船宽，则所述正八边形的八个顶点，也即是上述a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7和h旋柱8各个中心，其平面坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、在初始状态下，变形风帆10将八根旋柱围起，其可形成一个较大的截面近似于圆形的旋筒风帆，本发明装置的直径为2/3船宽。

当船舶左舷来风、右舷来风或船尾来风时，设置a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8的各个中心平面坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、除a旋柱1外，在上述坐标位置上分别设有与b旋柱2对应的b1位置传感器，与c旋柱3对应的c1位置传感器，与d旋柱4对应的d1位置传感器，与e旋柱5对应的e1位置传感器，与f旋柱6对应的f1位置传感器，与g旋柱7对应的g1位置传感器，与h旋柱8对应的h1位置传感器，各位置传感器的分布位置如图10所示。

当船舶船首来风时，定义此时本发明装置的状态为迎风状态，设置a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8的各个中心平面坐标依次为(0，t)、(0，-2t)、除a旋柱1外，在上述坐标位置上分别设有与b旋柱2对应的b2位置传感器，与c旋柱3对应的c2位置传感器，与d旋柱4对应的d2位置传感器，与e旋柱5对应的e2位置传感器，与f旋柱6对应的f2位置传感器，与g旋柱7对应的g2位置传感器，与h旋柱8对应的h2位置传感器。

在船舶较高位置设置风向传感器，所述风向传感器可判断风向信息，风向信息的判断如下：设船舶航行方向逆时针转动到来风方向所转过的角度为θ，θ的范围为(0°，360°]，若θ∈(135°，225°]，则判断为船首来风；若θ∈(0°，45°]∪(315°，360°]，则判断为船尾来风；若θ∈(225°，315°]，则判断为左舷来风；若θ∈(45°，135°]，则判断为右舷来风，如图11所示。

在船舶设置控制装置，如图12所示，所述风向传感器将感应到的风向信息传输给控制装置，控制装置根据所接收的风向信息，输出信号控制电动机a、电动机b、电动机c、电动机d、电动机e、电动机f、电动机g、电动机h的启停与转向，同时，也会输出信号控制电磁换向阀a、电磁换向阀b、电磁换向阀c、电磁换向阀d、电磁换向阀e、电磁换向阀f、电磁换向阀g、电磁换向阀h的启停与换向。如图13所示，各个电磁换向阀根据所接收的信息，控制液压油的流向，进而控制每根旋柱所对应的液压马达902，也即是液压马达a、液压马达b、液压马达c、液压马达d、液压马达e、液压马达f、液压马达g、液压马达h的启停与转向，从而控制八根旋柱是否移动，当旋柱移动到对应风向信息所设定的位置坐标时，就会由该位置坐标上的位置传感器反馈信号给控制装置，此时控制装置输出信号，使电磁换向阀处在中位，停止向液压马达902供液，由于电磁换向阀是锁闭油口状态，所以液压马达902的油路锁闭，将各旋柱锁定在相应的位置。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器感应到船舶左舷来风时，也即a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8各个中心的坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、此时，控制装置根据风向信息随即控制电动机a、电动机b、电动机c、电动机d、电动机e、电动机f、电动机g、电动机h工作，进而驱动对应的各旋柱产生从上往下看为顺时针的转动，从而带动变形风帆10顺时针转动。根据马格努斯效应可知，变形风帆10产生沿船首方向的横向力，为船舶航行助推。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器判断风向信息为右舷来风时，也即a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8的各个中心坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、此时，控制装置根据风向信息随即控制电动机a、电动机b、电动机c、电动机d、电动机e、电动机f、电动机g、电动机h工作，进而驱动对应的各旋柱产生从上往下看为逆时针的转动，从而带动变形风帆10逆时针转动。根据马格努斯效应可知，变形风帆10产生沿船首方向的横向力，为船舶航行助推。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器判断风向信息为船尾来风时，也即a旋柱1、b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8的各个中心坐标依次为(0，t)、(-t，0)、(0，-t)、(t，0)、此时，控制装置根据风向信息随即控制电动机a、电动机b、电动机c、电动机d、电动机e、电动机f、电动机g、电动机h停止工作。

当本发明装置处于初始状态，若风向传感器感应风向信息为船首来风时，则控制装置会输出信号控制电动机a、电动机b、电动机c、电动机d、电动机e、电动机f、电动机g、电动机h停止工作，同时输出信号控制电磁换将液压泵供给的油液输送给液压马达902相应的管路，从而使底座9中的液压马达902工作，进而带动b旋柱2、c旋柱3、d旋柱4、e旋柱5、f旋柱6、g旋柱7、h旋柱8分别移动到坐标为(0，-2t)、的位置上，如图14所示。当旋柱移动到对应风向信息所设定的位置坐标时，就会由该位置上的位置传感器也即是b2位置传感器、c2位置传感器、d2位置传感器、e2位置传感器、f2位置传感器、g2位置传感器、h2位置传感器反馈信号给控制装置，此时控制装置输出信号，控制电磁换向阀b、电磁换向阀c、电磁换向阀d、电磁换向阀e、电磁换向阀f、电磁换向阀g、电磁换向阀h处在中位，分别停止向液压马达b、液压马达c、液压马达d、液压马达e、液压马达f、液压马达g、液压马达h供液，由于电磁换向阀是锁闭油口状态，所以液压马达902的油路锁闭，将各旋柱锁定在相应的位置，此时，本发明装置转换为迎风状态，大大减小了本发明装置在船舶航行方向上的投影面积，降低了船舶的航行风阻。

在船舶左舷来风或右舷来风时，本发明装置的变形风帆10所变换而成的旋筒风帆的直径接近2/3船宽，各旋柱的高度可以设计的较低。

上述仅介绍了船舶从初始状态变换为迎风状态的变形风帆10工况，当船舶从迎风状态变换为初始状态时，其变换原理与上述原理相同。

本发明的变形风帆10通过将八根旋柱围起，从而形成尺寸较大且横截面近似圆形的旋筒风帆，装置的构架少，装置的相对质量轻，相对于传统马格努斯旋筒风帆而言，本发明装置在单位质量内产生的推力大，对风能的利用率高，也就是质量相等的装置在相同的外界条件下，本发明装置产生的推力更大。

此外，本发明主要用在油船或甲板比较开阔的大型船舶上，其具有充足的空间安装本发明装置。

以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。