一种船舶用风能转换装置及其控制系统的制作方法

本技术涉及船舶风能利用装置的领域，尤其是涉及一种船舶用风能转换装置及其控制系统。

背景技术：

1、传统燃油船舶在运行时会产生大量的废气排放，对空气和水质造成污染，再加上原油价格上下波动，各大航运公司都着眼于使用新能源代替传统能源，风能资源丰富且风能利用技术逐渐趋于完善，风能逐渐在船舶能效优化中扮演了越来越重要的角色。

2、风能转化技术发展到现在，绝大多数船舶上设置有多种多样的风能转换装置。比如，采用垂直轴形式的风力发电机、采用风筝形状或翼伞形状捕捉风力的天帆系统、采用翼型硬帆的船舶助推装置等，但这些技术均存在缺点。上述风力发电机发电效率低，无法利用马格努斯效应产生的侧推力；上述天帆系统作为船舶助推装置只有在比较狭窄的风向和风速范围内才能工作；上述采用翼型硬帆的船舶助推装置重量较大、安装复杂、无法紧急收帆。

3、风力助推转子，即转筒帆，是借助马格努斯效应，将不同方向的来风转换为前进方向推力的装置，因其使用风向范围广、助推效果好，在合适条件下可以显著降低船舶运营成本，是近几年船用风能助推装置发展的热点。

4、由此，基于转筒帆的结构，结合上述多个风能转换装置的有益效果，设计一个结合风力发电与风力助推的风能利用装置，实现船舶节能。

技术实现思路

1、为了降低船舶航行耗能，提高风能利用率，本技术提供一种船舶用风能转换装置及其控制系统。

2、一方面，本技术提供的一种船舶用风能转换装置采用如下的技术方案：

3、一种船舶用风能转换装置及其控制系统，包括；

4、聚风罩，于不同高度处设置多层，多层所述聚风罩平行、同轴，且转动连接在船舶甲板上；

5、阻力式风轮，设置于相邻两层所述聚风罩之间，同轴于所述聚风罩，受风力驱动而转动，所述阻力式风轮由两片竖直设置的弯曲风叶组成，所述阻力式风轮由两片竖直设置的弯曲风叶组成；

6、垂直轴风轮，设置于另相邻两层所述聚风罩之间，同轴于所述聚风罩，受风力驱动转动，所述垂直轴风轮包括多片竖直设置的垂直风叶，所述垂直风叶两端转动连接于所述聚风罩；

7、风向标，设置于顶层所述聚风罩的顶侧壁；

8、接合机构，设置于一所述聚风罩内，用于接合所述阻力式风轮与所述垂直轴风轮。

9、通过采用上述技术方案，多个聚风罩作为上述方案中风能转换装置的主体部分，阻力式风轮与垂直轴风轮设置在多个聚风罩之间，依靠聚风罩的支撑，阻力式风轮与垂直轴风轮受风各自转动，将风能转化为机械能；将聚风罩设置在甲板上，甲板下方再相应铺设如发电机等机械能、电能转换装置，将阻力式风轮与垂直轴风轮的机械能转换为电能，起到发电作用；

10、接合机构能够将垂直轴风轮与阻力式风轮接合，使两风轮同步转动，也能将取消垂直轴风轮与阻力式风轮的接合，使两风轮相独立，根据垂直轴风轮与阻力式风轮的叶片结构，在不同风速时，选择两风轮的接合状态或自由状态；上述方案中，阻力式风轮单独定制，竖直且叶片弯曲的设置使阻力式风轮的风阻较大，而垂直轴风轮为常见的风轮结构，风阻较小；由此，低风速时，阻力式风轮与下部的垂直轴风轮通过接合组件接合为一体，两风轮同步转动，利用阻力式风轮低速时的扭矩改善垂直轴风轮的起动性能，即，可利用阻力式风轮的强扭矩带动惯性较大的垂直轴风轮启动；高速时接合组件取消阻力式风轮与垂直轴风轮的接合，垂直轴风轮接合甲板下方机械能、电能转换装置，为风能转换装置的主要结构，阻力式风轮脱排，连接机械能、电能转换装置且独立转动；

11、综上，低风速时，阻力式风轮利用自身风阻大的特性带动作为主要的风能利用装置的垂直轴风轮转动，高风速时，为避免阻力式风轮影响垂直轴风轮的转速，阻力式风轮脱排，独立转动发电；

12、基于此，通过阻力式风轮与垂直轴风轮的独立嵌套结构，改善风轮在低风速时的启动性能，提高电能转化速度，同时在高风速时又能使两风轮独立转动，避免阻力式风轮降低垂直轴风轮的风能利用率，两风轮各自发电，提高电能转化率。

13、可选的，所述垂直风叶横截面边缘沿中线对称设置；

14、所述垂直风叶横截面两侧边缘均呈弧形，且朝相背侧弯曲。

15、通过采用上述技术方案，垂直风叶呈叶片状，沿平行于长度方向的中线对称分布，使对称的两侧边边缘均呈流线型，能够最大程度地减少空气对撞阻力，即，使气流沿垂直风叶表面更加顺畅的移动，减少了因形状不规则产生气旋、湍流的概率，从而保证风能转化效率；

16、此外，从结构上将，流线型的对称设计能够分散气流的冲击，提高垂直风叶的耐用性和稳定性，从而延长垂直风叶的使用寿命，流线型叶片也是上述方案中垂直轴风轮的优先选择。

17、可选的，所述接合机构设置于所述垂直轴风轮两端的所述聚风罩内；

18、所述接合机构包括；

19、中心盘，固接于所述聚风罩内底壁；

20、齿轮，一一对应于所述垂直风叶，转动连接于所述中心盘盘面；

21、铰接组件，铰接于所述垂直风叶两端，且连接该所述垂直风叶对应的所述齿轮。

22、通过采用上述技术方案，将用于垂直轴风轮与阻力式风轮接合的接合机构设置在垂直轴风轮两端的聚风罩内部，在取消垂直轴风轮与阻力式风轮接合时，能够将垂直轴风轮两端部的其他组件一并取消接合，避免其他组件影响主发电装置的发电效率；

23、接合机构中的中心盘固定在聚风罩内部，或者二者可一体成型，使中心盘与聚风罩同步转动，齿轮与垂直风叶的叶片数量对应，一片垂直风叶对应一个齿轮，每个齿轮轮面的中心部分与中心盘连接，使齿轮可以自转，也可以沿中心盘的边缘切向带动中心盘转动，进而带动聚风罩转动；由此，多个齿轮的中心部分应该设置在中心盘盘面的同一圆周线上；

24、基于上述齿轮的转动，铰接组件连接垂直风叶与齿轮，齿轮的可自转性能通过铰接组件传递至垂直风叶处，使每片垂直风叶都能独立随气流进行一定角度的自转，即实现，垂直风叶能够类似百叶窗一样根据风向调整转向，比如，垂直轴风轮收到来自船舶前进方向左舷来风时，俯视向上垂直风叶可做顺时针转动适应风向，相对地，右舷来风则，垂直轴风轮做俯视向上的逆时针旋转，使垂直风叶呈流线型的一侧正对气流，多片垂直风叶围绕聚风罩的中心部分转动，带动齿轮自身沿中心盘的中心部分转动，进而带动聚风罩转动，将风能最终转换为电能。

25、可选的，所述垂直风叶包括前缘部与后缘部，所述前缘部与所述后缘部相向端插接；

26、每个所述垂直风叶内部均设置有伸缩机构；

27、所述伸缩机构连接所述前缘部与所述后缘部，随所述前缘部与所述后缘部的插接而伸缩。

28、通过采用上述技术方案，将每片垂直风叶拆为相差接的两部分，即上述方案中每片垂直风叶都是由相插接的前缘部与后缘部组成，准确地讲，前缘部相向于后缘部的一端与后缘部对应端插接，可调节二者的插接量，即叶片弦长；在前缘部与后缘部插接的前提下，前缘部可沿垂直风叶的长度方向滑移以减小叶片弦长，减小垂直风叶的表面面积，前缘部背向于后缘部滑移以增加叶片弦长，增大垂直风叶的表面面积；

29、上述对垂直轴风轮中每片垂直风叶表面面积的调整，其一能够改变风轮的发电效率，其二能够增强风轮对马格努斯效应的应用程度；

30、风轮发电效率：垂直轴风轮的发电效率与风轮自身转速之间并非呈线性增长，转速过快反而导致风阻增加，降低风能的转换效率，因此，在垂直轴风轮达到一定转速后，收缩垂直风叶，减小垂直风叶的面积能提高风轮发电效率；因此，当船舶处于停泊状态，或更需要收集电能时，叶片收缩；

31、马格努斯效应：垂直轴风轮转动时，由于马格努斯效应产生的侧向助推力能够推动船舶前进，提供船舶前进的动力，因此，上述方案中的垂直轴风轮也可作为船舶前进的动力源之一，上述侧向助推力的大小与垂直风叶的面积有关，当船舶电能充足或船舶更需要助推时，叶片伸长增加风轮的受力面积，风轮的马格努斯效应增强，增大助推力。

32、可选的，所述伸缩机构包括；

33、支撑杆，竖直设置于所述垂直风叶内部，连接所述垂直风叶与所述聚风罩；

34、伸缩杆，包括多节，一端固接于所述支撑杆，另一端固接于所述后缘部；

35、侧支撑件，水平设置于所述前缘部两侧、连接所述伸缩杆，水平设置于所述前缘部两侧、连接所述支撑杆。

36、通过采用上述技术方案，上述叶片弦长改变的过程中，垂直风叶的随之发生形变；在叶片弦长减小的过程中，前缘部与后缘部的插接量增大，前缘部挤压后缘部的压力增大，迫使后缘部的插接侧发生挤压形变、前缘部的插接侧发生扩充形变，为了实现可形变的性能，垂直风叶需内部掏空为壳状，使前缘部与后缘部均由壳体组成；

37、接上述，当插接量增大时，长时间的压缩会导致前缘部与后缘部弹性降低，导致形变不可逆，因此，在垂直风叶内部设置伸缩机构，以支撑垂直风叶的壳体结构变化，当前缘部与后缘部插接量增大，即前缘部压紧后缘部时，伸缩机构起到支撑效果，当前缘部与后缘部的插接量减小，即前缘部从后缘部抽离一部分时，伸缩机构复位；

38、所以，通过伸缩机构增强垂直风叶的弹性，起到结构支撑；

39、支撑杆竖直设置，为垂直风叶的主轴，延伸至两聚风罩内，伸缩杆为上述支撑组件中用于支撑后缘部的结构，同样地，还有其他支持前缘部的侧支撑件。

40、可选的，所述垂直风叶的材质为玻璃钢或铝合金。

41、通过采用上述技术方案，优选玻璃钢；船舶需要长期在海上航行，空气潮湿，需要垂直轴风轮的材质具有耐腐蚀的性能；海上风浪较大，需要垂直轴风轮具有高强度；需要受气流驱动而转动，需要单片垂直轴具有轻质、易转动的优点；最重要的是，垂直风叶还需具有长期抵抗气流冲击的强度；

42、由此，基于上述对垂直轴风轮的性能要求，玻璃钢与铝合金是较为符合的两个材料，其中，由于玻璃钢的成本较低，且相较于铝合金，玻璃钢的导热效果不明显，不必考虑暴晒天气下的材料自身升温因素的影响，因此，优选玻璃钢。

43、可选的，所述前缘部与所述后缘部相插接的部分设置有密封垫，用于密封所述垂直风叶的内腔。

44、通过采用上述技术方案，在玻璃钢与铝合金的选材之下，前缘部与后缘部的重合面较为光滑，难以起到密封作用，因此，在前缘部与后缘部重合的部分设置密封垫，封闭垂直风叶内腔，避免在潮湿的海上雨水渗入垂直风叶内部。

45、一方面，本技术提供的一种船舶用风能转换装置的控制系统采用如下的技术方案：

46、一种船舶用风能转换装置的控制系统，其特征在于：包括控制单元与储能单元；

47、所述储能单元连接风能转换装置，用于储存风能转换装置发出的电能；

48、所述控制单元连接所述储能单元与风能转换装置，根据实际情况，调配电能、风能转换装置的工作状态、风能转换为机械能与电能的比例。

49、通过采用上述技术方案，本技术方案中的风能转换装置受控于控制单元，并连接储能单元，控制单元能够根据实际船舶当前情况，调整风能与机械能、电能之间的转换比例，储能单元将风能转换装置转换的电能储存起来；上述风能与机械能、电能之间的转换比例主要依靠垂直风叶的叶片面积调整实现实现；

50、具体的讲，阻力式风轮与垂直轴风轮的接合，依靠控制单元对接合机构的状态实现，上述垂直风叶的叶片面积调整依靠控制单元对伸缩机构的控制实现，控制单元又依靠船舶管理人员根据船舶的实际运行情况发出的指令而运作，从而形成一套控制系统。

51、综上所述，本技术包括以下至少一项有益技术效果：

52、本技术在传统的垂直轴风轮的结构基础上，将阻力式风轮嵌套在垂直轴风轮中，改善垂直轴风轮在低风速的启动性能，在高风速时，又可将阻力式风轮与垂直轴风轮分开，使其各自以较高的风能利用系数发电，互不干扰；

53、本方案中垂直轴风轮可转动，风轮适应风险，保证因马格努斯效应产生的助推力与航向相同，最大限度地发挥助推作用；

54、垂直风叶弦长可调整，能够实现叶片面积变换同时协调船舶对电能和助推的需求。