太阳能驱动的船用风力助推转子结构及电力系统运行方法

1.本发明涉及的是一种船用装置，具体地说是船舶电力系统及其控制方法。


背景技术：

2.能源和海上大气污染问题一直是人们关注的热点。船舶发动机尾气作为海上大气污染的主要源头，受到各国政府和地区的广泛关注，控制氮氧化物(nox)、硫化物(sox)、温室气体(ghg)等污染排放的要求也日益强烈。传统的化石能源供应紧张和环保问题日益突出，已成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈。
3.为应对日益突出的能源问题、日益严苛的环境保护要求及减排强制性法规，航运企业不断推动和拓展绿色船舶技术在实船上的应用，其中以集成应用太阳能、风能等新能源最具有革新性和代表性。
4.风力助推转子工作的原理是马格纳斯效应magnus效应，即旋转的圆柱体在来流作用下，将会受到垂直于运动方向的侧向力作用。加装风力助推转子的船舶在横风或斜风状态下，通过调整转子的旋转方向和转速，可使船舶产生前进方向上的推力，从而达到助推效果。相比风筝、风帆等风力助推技术，风力助推转子对风速和风向的适应性强，体积和受风面积相对较小，更安全也更有利于船舶布置。
5.目前，船用风力助推转子驱动电机的供电模式有两种，第一种模式为设置安装单独的辅助发电机组，为风力助推转子驱动电机供电；第二种模式为在使用的综合电力推进系统的船舶上，将风力助推转子的驱动电机通过变频装置直接连接到船舶电网上，由电网为其供电。
6.在第一种模式下，需为船舶风力助推转子的驱动电机单独装配辅助发电机组，进一步减小了本不宽敞的机舱空间，同时辅助发电机组的运行，增加了燃油的消耗与污染物、温室气体的排放；在第二种模式下，由于风力助推转子转筒的转速与转向需要在电机的驱动下，根据风向与风速进行不断的调整，而风具有不定常性、不确定性、随机性及波动性等特点，会导致驱动电机的负载不断变化，进而导致船舶电网难以持续稳定运行，对船舶用电设备的稳定运行造成一定的影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供能降低由于风不定常性、不确定性、随机性及波动性等特点引起的驱动电机负载多变对船舶电网影响的太阳能驱动的船用风力助推转子结构及电力系统运行方法。
8.本发明的目的是这样实现的：
9.本发明太阳能驱动的船用风力助推转子结构，其特征是：包括固定基座、转筒、内塔、驱动机构、传力机构、太阳能电池组，内塔固定在固定基座上，转筒的上下端面均开设有安装孔，转筒通过安装孔安装于内塔的外部，驱动机构的固定端连接内塔，驱动机构的驱动端通过传动机构与转筒配合，传力机构包括固定杆和转轮，固定杆位于驱动机构上方，固定
杆的第一端固定于内塔，固定杆的第二端朝向转筒延伸，转轮安装在固定杆的第二端上，转轮与转筒的内壁抵接，太阳能电池组连接驱动机构。
10.本发明太阳能驱动的船用风力助推转子结构还可以包括：
11.1、还包括限位机构，所述限位机构包括限位杆、限位轮，限位杆位于驱动机构下方，限位杆固定在内塔上，限位轮安装在限位杆的端部，限位轮与转筒的内壁抵接。
12.2、所述驱动机构包括驱动电机，所述传动机构包括齿轮，驱动电机连接齿轮，转筒的内壁上开设与传动机构的齿轮相配合的一圈齿槽。
13.3、内塔上安装转筒转速传感器。
14.太阳能驱动的船用风力助推转子结构电力系统运行方法，其特征是：采用如下装置，包括柴油机、发电机、配电板、辅助直流配电版、蓄电池组、太阳能发电板、太阳能驱动的船用风力助推转子结构；柴油机、发电机、配电板依次相连，配电板通过第一逆变器连接蓄电池组，蓄电池组通过双向dc/dc变换器连接辅助直流配电板，太阳能发电板通过单向dc/dc连接辅助直流配电板，辅助直流配电板通过第二逆变器连接太阳能驱动的船用风力助推转子结构的电机；
15.(1)估算太阳能发电板转化的能量，估算风力助推转子驱动电机需要消耗的能量；
16.(2)将两者进行对比，若太阳能发电板转化的能量大于风力助推转子驱动电机需要消耗的能量，则运行模式为模式a，反之，则进行步骤(3)；
17.(3)判断太阳能发电板电量是否未达到最大放电深度，若满足条件，则运行模式为模式b，不满足条件则进行步骤(4)；
18.(4)判断蓄电池是否达到最大放电深度，若未满足条件，则运行模式c，如达到最大放电深度，则运行模式为模式d；
19.所述运行模式如下：
20.a、当阳光充足或船舶航速低时，太阳能发电板收集太阳能，并对其转化后得到的电能大于驱动电机所需的电能，太阳能发电板不仅为风力助推转子的驱动电机供电，同时为蓄电池充电；
21.b、当阳光不充足或船舶航速高时，太阳能发电板收集太阳能，并对其转化后得到的电能低于驱动电机所需的电能，由太阳能发电板和蓄电池同时为风力助推转子的驱动电机供电；
22.c、当没有阳光时，且蓄电池电量未达到最大放电深度时，由蓄电池为风力助推转子的驱动电机供电；
23.d、当没有阳光时，且蓄电池电量达到最大放电深度时，由蓄电池为风力助推转子的驱动电机供电，同时船舶电网为蓄电池组充电。
24.本发明的优势在于：
25.(1)相比于单独装配辅助发电机组为风力助推转子驱动电机供电的系统，本发明避免了船舶辅助发电机组的装配，增加了机舱可利用空间，使得机舱布置更灵活。同时，由于减少了辅机的安装数量，降低了辅机运行所消耗的燃油量与污染物排放。
26.(2)相比于将风力助推转子驱动电机直接与船舶电网相连的系统，本发明在船舶电网与驱动电机之间装设了蓄电池组，避免了驱动电机与船舶电网直接相连，降低了由于风不定常性、不确定性、随机性及波动性等特点引起的驱动电机负载多变对船舶电网的影
响，提高了船舶电网的运行稳定性，改善了船舶用电设备的运行环境。
27.(3)在风力助推转子表面固定一层太阳能发电板组，可以将太阳能转化为电能为风力助推转子驱动电机供电以及蓄电池充电，进一步减少了燃油的消耗以及燃油燃烧时产生的nox、sox、碳烟等污染物排放以及co2、hc等温室气体排放。
附图说明
28.图1为本发明船用风力助推转子结构的外观视图；
29.图2为本发明船用风力助推转子结构的电力系统图；
30.图3为船用风力助推转子结构内部结构示意图；
31.图4为本发明的流程图；
32.图5为运行模式a示意图；
33.图6为运行模式b示意图；
34.图7为运行模式c示意图；
35.图8为运行模式d示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
37.结合图1-8，本发明提供了一种太阳能驱动的船用风力助推转子结构与其电力系统及运行模式，在转子结构方面，外部结构包括转筒1、太阳能电池组12、内塔2和固定基座11，内部结构包括固定杆3、转轮4、传动机构5、驱动机构6、限位杆7、限位轮8、转速传感器9、冷却装置10；
38.风力助推转子结构包括内塔2、转筒1及驱动机构6，所述驱动机构6用于根据来风驱动所述转筒1相对于所述内塔2转动，以对所述内塔2产生侧向力。
39.转筒1套于所述内塔2的外部，所述驱动机构6设置于所述转筒1的内部且与所述内塔2固定，所述驱动机构6通过传动机构5驱动所述转筒1转动。
40.助推转子包括传力机构，所述传力机构包括固定杆3和转动安装于所述传力杆上的转轮4，所述固定杆3固定于所述内塔2，所述转轮4与所述转筒1的内壁抵接。
41.助推转子还包括限位机构，所述限位机构包括限位杆7和转动安装于所述限位杆上的限位轮8，所述限位杆7固定于所述内塔2，所述限位轮8与所述转筒1的内壁抵接。
42.助推转子还设置有冷却机构10，所述冷却机构10安装于所述内塔2上且与所述驱动机构6正对，所述冷却机构10用于对所述驱动机构6吹扫冷却。
43.助推转子还包括转筒转速传感器9，所述转筒转速传感器9设置于所述转筒1内且固定于所述内塔2上，所述转筒转速传感器9与控制机构连接，用于检测并反馈所述转筒1的转速。
44.助推转子转筒1表面固定一层太阳能发电板组，发电板组由若干柔性太阳能发电板12构成。
45.在电力系统方面，主要包括多台柴油发电机组，配电板，推进电机、螺旋桨、蓄电池组、太阳能发电板组、dc/dc变换器、控制信号模块及风力助推转子驱动电机。本发明在风力助推转子的转筒表面固定一层太阳能发电板组12，用于将太阳能转化为电能，为风力助推
转子的驱动电机提供动力，并为蓄电池组充电。本发明的结构有助于减少辅机安装数量，提高机舱布置灵活性，降低辅机运行时的燃油消耗与污染排放；本发明的系统在船舶电网与驱动电机之间装设了蓄电池组，有助于避免驱动电机与船舶电网直接相连，降低由于风不定常性、不确定性、随机性及波动性等特点引起的驱动电机负载多变对船舶电网的影响，提高船舶电网的运行稳定性，改善船舶用电设备的运行环境；另外，本发明可将太阳能转化为电能为风力助推转子驱动电机供电以及蓄电池充电，有助于进一步减少燃油消耗、污染物排放及温室气体排放。
46.使用若干个太阳能发电板12进行连接，构成太阳能发电板组，固定在转筒1表面；
47.转筒1的上下端面开设有安装孔，内塔2安装于安装孔内，在安装孔内安装有轴承，以实现内塔2和转筒1的相对转动。驱动机构6设置于转筒1内，驱动机构6的固定端固定于内塔2，驱动机构6的驱动端通过与转筒1通过传动机构5传动连接；驱动机构6为电机，内塔2上设置有支撑板，电机的固定端固定于支撑板上，电机的输出通过传动机构5与转筒1连接。传动机构5是齿轮传动机构，转筒1的内壁上开设有与传动机构5对齐的一圈齿槽，齿槽与传动机构5最后一级的齿轮相啮合，以实现传动。
48.为保证足够的驱动力，使转筒1满足转速要求，可选地，驱动机构5设置为多个，多个驱动机构5等间隔角度固定于内塔2上。一般地，根据助推转子规格及助推要求，驱动机构6可设置为2～6个。
49.固定杆3和转轮4用于将转筒1所受的风力传递给内塔2。转轮4安装于固定杆3上，固定杆3的第一端固定于内塔2，第二端朝向转筒1延伸，转轮4转动安装于固定杆3的第二端，转轮4与转筒1的内壁抵接。转轮4随转筒1转动的同时，其受到转筒1对其施加的侧向力，转轮4将该侧向力传递给内塔2，从而实现传力。
50.限位杆7和限位轮8用于对转筒1进行导向，防止转筒1出现径向偏斜。同时，限位杆7和限位轮8还能够起到一定的传力作用。
51.助推转子还包括冷却机构10和转筒转速传感器9。冷却机构10固定于内塔2上，且与驱动机构6正对，冷却机构10包括叶片，其用于对驱动机构6进行吹扫降温，防止驱动机构6温度过高。转筒转速传感器9的固定端安装于内塔2上，其检测头朝向转筒1，在转筒1的内壁与检测头同一高度处设置有待检贴片，检测头每扫描到待检贴片一次，代表转筒1旋转一圈，从而检测转筒1转速。
52.多台发电机组与配电板相连，将电能传输给配电板进行统一分配。配电板通过变压变频器与推进电机相连，为其供电，配电板通过逆变器与蓄电池组相连，完成配电板与蓄电池组之间的电能传递。
53.蓄电池组通过双向dc/dc变换器与辅助直流配电板相连，太阳能发电板通过单向dc/dc与辅助直流配电板相连，辅助直流配电板通过逆变器与风力助推转子驱动电机相连，为其供电。
54.控制信号模块可以通过对蓄电池用dc/dc变换器以及太阳能发电板用dc/dc变换器进行控制，决定蓄电池与太阳能电池板的运行模型，判断其运行模型步骤如下：
55.(1)估算太阳能发电板转化的能量，估算风力助推转子驱动电机需要消耗的能量；
56.(2)将两者进行对比，若太阳能发电板转化的能量大于风力助推转子驱动电机需要消耗的能量，则运行模式为模式a，反之，则进行步骤(3)；
57.(3)判断太阳能发电板电量是否未达到最大放电深度，若满足条件，则运行模式为模式b，不满足条件则进行步骤(4)；
58.(4)判断蓄电池是否达到最大放电深度，若未满足条件，则运行模式c，如达到最大放电深度，则运行模式为模式d。
59.蓄电池与太阳能电池板的4种运行模式如下：
60.a、当阳光充足或船舶航速较低时，太阳能发电板收集太阳能，并对其转化后得到的电能大于驱动电机所需的电能，则太阳能发电板不仅为风力助推转子的驱动电机供电，同时为蓄电池充电。
61.b、当阳光不够充足或船舶航速较高时，太阳能发电板收集太阳能，并对其转化后得到的电能低于驱动电机所需的电能，则由太阳能发电板和蓄电池同时为风力助推转子的驱动电机供电。
62.c、当没有阳光时，且蓄电池电量未达到最大放电深度时，由蓄电池为风力助推转子的驱动电机供电。
63.d、当没有阳光时，且蓄电池电量达到最大放电深度时，则由蓄电池为风力助推转子的驱动电机供电，同时船舶电网为蓄电池组充电。