专利名称：转子集成式风电帆船及发电方法
技术领域：
本发明属于风能利用技术领域，特指一种利用风能转化为航行所需动能以及船用电器所需电能的帆船及其发电方法。
背景技术：
随着经济社会的发展，人类生产活动与日常生活所消耗的能源与日激增，全球范围内煤炭、石油等化石能源逐渐减少，加之常规能源使用过程中所带来的环境污染问题十分严重，能源危机和气候变化的影响已经引起国际社会的高度重视。开发风能是实现可持续发展的根本途径。海上风电场的风速高于陆地风电场的风速,但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高，因此风能发电装置在船舶上的利用成为了科学家研究的重要方向，如发明专利“风电船”(申请号200510017184. 3)，它是一种利用风力自行充电的风电船，优点在于节能环保，但由于风能转化所产生的电能不足以完全供给船舶所需的航行动力，仍需其他化石能源进行辅助，所以并不能达到完全意义上的绿色船舶；而如专利“太阳能风帆船的电力持续驱动装置”(申请号200920317265. 9)提供了一种利用超级电容制作的电力持续供电装置，解决了新能源船舶持续性航行的问题，但所提到的太阳能风帆本身就是成本昂贵，使用寿命低的部件，不能作为成批量生产的环保船舶。
发明内容
为了克服现有技术的不足与缺陷，本发明旨在提供一种采用含有集成式转子系统的帆体的风电帆船，它能够将风能部分地转化为电能储存于蓄电池中，蓄电池中的电能一部分用于无风环境中的帆船电动推进，一部分用于帆船自带船用电器损耗。而大部分风能依然通过推动帆面的方式转化为动能，推动帆船航行，所以无需其他能源进行动力辅助。本发明产品结构简单，使用寿命长，不产生污染，且外形美观，易装饰，可作为环保旅游景区的观光旅游船，以及长时间海上航行的远洋大帆船。本发明的技术方案是，转子集成式风电帆船，由船体和帆体两大部分构成，其中帆体由帆体框架、帆布、空心管及空心管上的集成式转子系统组成；帆体框架由凯芙拉纤维中空管制作而成，分为前帆框架和主帆框架两部分，前帆框架运用滑道和铰链固定于船壳上， 主帆框架固定于桅杆上；帆体框架上面附有空心管和帆布，帆布和空心管的面积和数量根据应用场合而定，使其能够平衡地满足帆船所需的动能和电能；纺锤形转子沿空心管均匀分布，通过深沟球轴承与空心管过盈配合，并保证纺锤形转子沿空心管自由地转动；纺锤形转子由风叶、永磁体、转轴构成，其中永磁体利用高强度粘结剂镶嵌在转轴上，使之能够与风叶保持同步旋转，作为发电系统的转子；绕线架和铜线圈固定在空心管内部，铜线圈缠绕在绕线架上，作为发电系统的定子，并且每一个铜线圈对应一对永磁体；铜线圈的末端沿空心管而出，连接于并联电线上；并联电线预埋于帆体框架内，末端连接整流器，电流经整流器整流后，储存在蓄电池中，以供电动机和船用电器使用。
本发明转子集成式风电帆船中的帆体由帆体框架、帆布、空心管及空心管上的集成式转子系统组成，分为前帆框架和主帆框架两部分，帆体提供风电帆船的动能及电能。本发明转子集成式风电帆船中的帆体框架由凯芙拉纤维中空管制作而成，分为前帆框架和主帆框架两部分，前帆框架运用滑道和铰链固定于船体上，主帆框架固定于船体的桅杆上；帆体框架上面附有空心管和帆布，帆布和空心管的面积和数量根据应用场合而定，使其能够平衡地满足帆船所需的动能和电能，帆体框架内穿有并联电线。本发明转子集成式风电帆船中的集成式转子系统由空心管及均匀排布在中空管上的纺锤形转子构成，纺锤形转子沿空心管均匀分布，通过深沟球轴承与空心管过盈配合， 并保证纺锤形转子绕空心管轴向自由地转动；空心管与水平方向呈45°角倾斜固定在帆体框架上，如图I所示，保证帆体的美观性以及转子系统的发电效率最大化；帆布和集成式转子系统的面积根据应用场合而定，使其能够平衡地满足帆船所需的动能和电能，但基本上来说集成式转子系统的面积不应超过前帆体的1/3，主帆体的1/2。本发明转子集成式风电帆船中的纺锤形转子由聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)等透明有机高分子材料制作而成，整体呈纺锤形，基本形状如图2及图3所示，基本尺寸轴向50厘米，直径25厘米，轴径10厘米；纺锤形转子由风叶、永磁体、转轴构成，其中永磁体利用高强度粘结剂镶嵌在转轴上，使之能够与风叶保持同步旋转，作为发电系统的转子。本发明转子集成式风电帆船中的空心管由超高分子量聚乙烯材料制作而成，按照使用需求均匀排布在帆体框架上，空心管内部装有绕线架和铜线圈。 本发明转子集成式风电帆船中的帆布的材料为通用帆船帆布，通过帆扣固定在帆体框架上，帆布像普通船帆一样保持松弛，风吹动帆面时帆面呈空间曲面状态，可以利用帆面前后气流的流速不同产生推力。本发明转子集成式风电帆船中的绕线架由尼龙(PA)等通用塑料材料制作而成， 使用时，将铜线圈分别缠绕绕线架的分格上，然后将其穿入空心管内，并将其首尾固定在空心管上。本发明转子集成式风电帆船中的并联电线预埋在帆体框架内，并联的匝数与所对应的铜线圈的数目相同，铜线表面包覆绝缘材料，保证线圈输出的电流不相互干扰。本发明转子集成式风电帆船中的整流器能够将产生的交流电(AC)转化为直流电 (DC)，将因风力变化而产生的不稳定交流电转化为电压相同的直流电储存于蓄电池中。本发明根据海上风能密度比陆地高的以及帆船对环境友好的特点，本发明以帆船为载体，发电装置与帆船相结合，利用通过风电转化的方式，将部分风能转化为电能，是对风能更加有效的利用，能够满足帆船上电器的电力需求以及无风时帆船的电力推进。本发明产品结构简单，使用寿命长，不产生污染，且外形美观，易装饰，可作为环保旅游景区的观光旅游船，以及长时间海上航行的远洋大帆船，其能源利用率高，对环境友好，推广应用前景十分广阔。
图I :本发明转子集成式风电帆船构造图。图2 :本发明纺锤形转子侧视图。
图3 :本发明纺锤形转子俯视图。图4 :本发明转子集成式风电帆船发电装置工作原理图。图中1_纺锤形转子，2-空心管，3-并联电线，4-帆体框架，5-帆布，6_整流器， 7-蓄电池，8-电动机，9-船用电器，10-船壳，11-风叶，12-永磁体，13-转轴，14-深沟球轴承，15-绕线架，16-铜线圈，17-桅杆。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。如图I所示，本发明转子集成式风电帆船中，风电帆船主要由帆体和船体两大部分组成；其中帆体包括帆体框架4，帆布5，空心管2，集成式转子系统及桅杆17 ;帆体框架4 分为前帆框架和主帆框架两部分，前帆框架运用滑道和铰链固定于船壳10上，主帆框架固定于桅杆17上，帆体框架内部预埋有并联电线3 ;帆体框架4上面附有空心管2和帆布5， 帆布5和空心管2的面积和数量根据应用场合而定，使其能够平衡地满足帆船所需的动能和电能；纺锤形转子I沿空心管2均匀分布，组成集成式转子系统，纺锤形转子I设置数量根据应用场合而定，使其能够最大限度地利用从各个方向吹来的风；船体包括船壳10以及其内部的整流器6，蓄电池7，电动机8和船用电器9 ;并联电线3输送的电流经过整流器6 转变为稳定的直流电储存于蓄电池7中，以供电动机8和船用电器9使用。如图2及图3所示，本发明纺锤形转子I由风叶11、永磁体12、转轴13构成，其中永磁体12利用高强度粘结剂镶嵌在转轴13上，使之能够与风叶11保持同步旋转，作为发电系统的转子。如图4所示，本发明转子集成式风电帆船发电装置工作原理是纺锤形转子I通过深沟球轴承14与空心管2过盈配合，保证纺锤形转子I沿空心管2自由地转动，永磁体12 利用高强度粘结剂镶嵌在转轴13上，使之能够与风叶11保持同步旋转，作为发电系统的转子；绕线架15和铜线圈16固定在空心管2内部，铜线圈16缠绕在绕线架15上，作为发电系统的定子，并且每一个铜线圈16对应一对永磁体12，铜线圈16的末端沿空心管2而出， 连接于并联电线3上；并联电线预埋于帆体框架4内，末端连接整流器6，电流经整流器整流后，储存在蓄电池7中，以供电动机8和船用电器9使用。如图4所示，本发明转子集成式风电帆船的具体发电方法是，在有风状态下，空气吹动纺锤形转子I旋转，致使永磁体12绕铜线圈16旋转，切割磁感线产生电流，电流通过并联电线进入整流器6，电流经整流器整流后，储存在蓄电池7中，以供电动机8和船用电器 9使用。
权利要求
1.转子集成式风电帆船，其特征在于风电帆船由帆体和船体两大部分组成；帆体框架由凯芙拉纤维中空管制作而成，分为前帆框架和主帆框架两部分，前帆框架运用滑道和铰链固定于船壳，主帆框架固定于桅杆上；帆体框架上面附有空心管和帆布；纺锤形转子沿空心管均匀分布，通过深沟球轴承与空心管过盈配合，并保证纺锤形转子绕空心管自由地转动；纺锤形转子由风叶、永磁体、转轴构成，其中永磁体利用高强度粘结剂镶嵌在转轴上，使之能够与风叶保持同步旋转，作为发电系统的转子；绕线架和铜线圈固定在空心管内部，铜线圈缠绕在绕线架上，作为发电系统的定子，并且每一个铜线圈对应一对永磁体；铜线圈的末端沿空心管而出，连接于并联电线上；并联电线预埋于帆体框架内，末端连接整流器，电流经整流器整流后，储存在蓄电池中，以供电动机和船用电器使用。
2.根据权利要求I所述的转子集成式风电帆船，其特征在于帆体由帆体框架、帆布、 空心管及空心管上的集成式转子系统组成。
3.根据权利要求I所述的转子集成式风电帆船，其特征在于集成式转子系统由均匀分布在空心管上的纺锤形转子构成。
4.根据权利要求I所述的转子集成式风电帆船，其特征在于纺锤形转子由风叶、永磁体、转轴构成，风叶为纺锤体形状，永磁体利用高强度粘结剂镶嵌在转轴上，能够与风叶保持同步旋转。
5.根据权利要求I所述的转子集成式风电帆船，其特征在于空心管由超高分子量聚乙烯材料制作而成，空心管内部装有绕线架和铜线圈。
6.根据权利要求I所述的转子集成式风电帆船，其特征在于整流器和蓄电池安放于船体内，蓄电池储存的电能以供电动机和船用电器使用。
7.权利I要求所述的转子集成式风电帆船的发电方法，其特征在于在有风状态下，空气吹动纺锤形转子的风叶旋转，致使永磁体绕空心管内的铜线圈旋转，切割磁感线产生电流，电流通过并联电线进入整流器，电流经整流器整流后，储存在蓄电池中，以供电动机和船用电器使用。
全文摘要
本发明公开了转子集成式风电帆船，风电帆船由帆体和船体两大部分组成；帆体由帆体框架、帆布、空心管及空心管上的集成式转子系统组成，帆体框架上面附有空心管和帆布；纺锤形转子由风叶、永磁体、转轴构成，沿空心管均匀分布，并能够绕空心管转动，作为发电系统的转子；绕线架和铜线圈固定在空心管内部，铜线圈缠绕在绕线架上，作为发电系统的定子；铜线圈的末端沿空心管而出，连接于并联电线上；并联电线预埋于帆体框架内，末端连接整流器，电流经整流器整流后，储存在蓄电池中，以供电动机和船用电器使用。其适应性强，能源利用率高，对环境友好，推广前景十分广阔。
文档编号F03D9/02GK102582811SQ20121005398
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者张登科, 李淑江, 杨卫民, 白文娟, 迟百宏 申请人:青岛科技大学