CN111075656A - 一种风力助推-发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风力助推‑发电装置及方法，包含底座和装置主体，底座上端设置轴承组件和电机，轴承组件的轴承座位于底座上端且轴承座的主体为轴承架；电机位于底座的上端，电机与传动齿轮连接，传动齿轮与轴承架的上端设置的齿条啮合；装置主体与齿条固定连接；在风力助推模式时，装置主体上安装滚筒帆结构，通过电机协调驱动传动齿轮及齿条转动，带动装置主体转动，使得滚筒帆结构转动，对船舶产生助推力；在发电模式时，所述装置主体上安装风力机叶片，风力机叶片在外部风力作用下转动，并带动齿条与传动齿轮转动，用以带动电机转动发电。本发明适应船舶在不同航行状态对风能的利用，大大提高了风能利用效率。

Description

一种风力助推-发电装置及方法
技术领域
本发明涉及新能源利用技术领域，特别涉及一种风力助推-发电装置及方法。
背景技术
风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。风帆助航已开始在船舶上应用，但一套风帆装置只能在船舶航行时作为风帆助航使用。有些船舶如游艇、邮轮、渔船和工程作业船航行时间不长，经常需要长时间停航进行水上娱乐或生产作业。目前还没有一种装置既可以实现风力助推，又可以进行风力发电，使风能利用模式较为单一。
因此，需要设计一种装置既能进行风力助推，又可以实现风力发电，可以集风力发电、风力助推于一体的风力助推-发电装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滚筒型风力助推-发电装置，其是基于滚筒型风帆装置的工作原理的模式可切换的船用风力助推-发电装置，可以根据不同的风向和不同的船舶运营方式，选择不同的工作模式；在船舶航行遇到有利风向时进行风力助推，在船舶停航或不利风向时进行风力发电，适应船舶在不同航行状态对风能的利用，大大提高了风能利用效率。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种风力助推-发电装置，包含底座和置于所述底座之上的装置主体，所述底座的上端设置至少一个轴承组件和若干个电机，所述轴承组件包含轴承座，所述轴承座位于所述底座的上端且所述轴承座的主体为轴承架；所述电机位于所述底座的上端，每个电机与一传动齿轮连接，所述传动齿轮与所述轴承架的上端设置的齿条啮合，用以实现齿轮与齿条之间的传动过程；所述装置主体的至少部分与所述齿条固定连接；
在风力助推模式时，所述装置主体上安装可拆卸的滚筒帆结构，所述滚筒帆结构与所述齿条固定连接，通过所述电机协调驱动所述传动齿轮以及所述齿条转动，带动所述装置主体转动，使得所述滚筒帆结构转动，用以对船舶产生助推力；
在发电模式时，所述装置主体上安装可拆卸的风力机叶片，所述风力机叶片与所述齿条固定连接，所述风力机叶片在外部风力作用下转动，并带动所述齿条与所述传动齿轮转动，用以带动所述电机转动发电。
优选地，所述轴承组件还包含可滚动的若干个推力轴承块，所述推力轴承块置于所述轴承架上表面的开孔中，所述齿条转动时带动所述推力轴承块在所述轴承架上表面的开孔中滚动。
优选地，所述推力轴承块为圆柱形推力轴承块。
优选地，所述装置主体包含与所述齿条固定连接的若干个纵向支撑杆，所述纵向支撑杆与所述滚筒帆结构或风力机叶片固定连接，用以带动滚筒帆结构转动或跟随风力机叶片转动。
优选地，所述纵向支撑杆均与若干个横向支撑环固定连接。
优选地，所述纵向支撑杆的上部固定连接一顶部端板，所述顶部端板的下部与一中心轴的上部固定连接，所述中心轴的下部***到一中心轴轴承组件的中心轴轴承内，所述中心轴轴承组件位于底座上端，所述中心轴轴承置于所述中心轴轴承组件中的中心轴轴承座的内侧。
优选地，所述中心轴轴承组件设置在环状结构的所述轴承座的内侧；所述底座、所述轴承组件和所述中心轴轴承组件的中心重合。
优选地，所述若干个电机位于环状结构的所述轴承座的内侧；所述齿条为圆环形的内齿条，所述传动齿轮为与所述内齿条相匹配的圆形传动齿轮；所述齿条上表面开设有若干个纵向支撑杆安装孔，使得纵向支撑杆与齿条固定连接。
优选地，所述滚筒帆结构包含若干个滚筒帆叶片，若干个滚筒帆叶片形成封闭的圆周面；或者，所述风力机叶片为H型风力机叶片。
本发明还提供了一种基于如上文所述的风力助推-发电装置的风力助推-发电方法，该方法包含以下过程：
在风力助推模式时，风力助推-发电装置的装置主体上安装有可拆卸的滚筒帆结构，所述滚筒帆结构与齿条固定连接，所述齿条设置在轴承座(的轴承架上端，且所述轴承座置于一底座上端；通过所述底座上端的电机协调驱动传动齿轮以及齿条转动，带动所述装置主体转动，使得所述滚筒帆结构转动，用以对船舶产生助推力；
在发电模式时，所述装置主体上安装有可拆卸的风力机叶片，所述风力机叶片与所述齿条固定连接，所述风力机叶片在外部风力作用下转动，带动所述齿条与传动齿轮转动，用以带动所述电机转动发电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明基于滚筒帆的基本结构，采用三台电机协调工作，既可以构成滚筒帆风力助推装置，又可以构成升力型风力机发电装置，本发明在不同的风向和不同的船舶航行条件下，可实现两种模式的转换，选择不同的工作模式：如当船舶航行遇到有利风向时进行风力助推，减少船舶油耗；如当船舶停港或抛锚时可进行风力发电，这将大大提高了船舶对风能的利用效率和综合利用效果，特别适合于航行工况多变的工程作业船、渔船、游艇、大型邮轮等。
附图说明
图1为本发明的船用风力助推模式下的装置结构图；
图2为本发明的船用风力发电模式下的装置结构图；
图3为本发明的拆除帆面或叶片后的装置结构图；
图4为本发明的装置底座及电机传动结构图；
图5为本发明的拆除内齿条和电机传动齿轮后的底座结构示意图；
图6a为本发明的滚筒帆叶片结构的主视图；
图6b为本发明的滚筒帆叶片结构的仰视图；
图7为本发明的风力机叶片结构的主视图；
图7b为本发明的风力机叶片结构的仰视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图7结合所示，本发明提供了一种滚筒型风力助推-发电装置，包含顶部端板1、底座3和连接在顶部端板1与底座3之间的中间支撑组件2。
中间支撑组件2安装在底座3上，中间支撑组件2包含若干个叶片结构(例如滚筒帆叶片21a，用于风力助推模式；或者如风力机叶片21b，用于风力发电模式)、若干个纵向支撑杆22、若干个横向支撑环23、一根中心轴24。
底座3的上端安装有推力轴承组件41，轴承组件41包含一轴承座411和若干个推力轴承块。整个装置通过轴承座411安装在底座3的上表面。轴承座411是以轴承架412的支撑主体，各个推力轴承块为圆柱形推力轴承块413，若干个圆柱形推力轴承块413分别可以在轴承架412开设的孔内滚动，以配合跟随下述的内齿条45转动，以减小摩擦力，同时支撑所述底座3上方的中间支撑组件2以及顶部端板1的重量。
可选地，轴承座411为环状结构，该环状结构的内侧的中心区域设有一中心轴轴承组件42，中心轴轴承组件42位于底座3的上表面，中心轴轴承组件42包含外侧的中心轴轴承座421和内侧的中心轴轴承422。示例地，底座3、推力轴承组件41、中心轴轴承组件42的中心重合。
如图4-图5结合所示，环状结构的轴承座411的内侧设置若干个电机43(发电机或电动机)，每个电机43上端设置圆形的传动齿轮44。环状结构的轴承座411的上表面设置一圆环形的内齿条45，各个电机43上的传动齿轮44分别与所述内齿条45啮合。当启动电机43，电机带动传动齿轮44转动，进而带动内齿条45转动；同时，内齿条45转动时带动推力轴承块413在轴承架412上表面的开孔中滚动。
如图4所示，内齿条45上开设有若干个纵向支撑杆安装孔46，用于安装中间支撑组件2上的若干个纵向支撑杆22，用以实现纵向支撑杆22与内齿条45固定连接。优选地，纵向支撑杆安装孔46的个数为三个，则纵向支撑杆22的个数为三个，电机33的个数为三个，传动齿轮44的个数为三个，且沿着内齿条45的周向均匀分布。
如图1-图5结合所示，多个纵向支撑杆22分别与横向支撑环23固定连接，例如纵向支撑杆22与横向支撑环23通过焊接完成固定连接。横向支撑环23的个数为三个，分布位于纵向支撑杆22的上部、中部和下部。因为适用于的大型船舶结构，本发明的装置尺寸较大，横向支撑环23的作用是加强整个支撑的结构强度，保证在工作过程中不会产生变形或损坏。示例地，纵向支撑杆22的强度大于横向支撑环23的强度。当电机43启动带动传动齿轮44和内齿条45转动后，再利用内齿条45带动纵向支撑杆22和横向支撑环23一起转动。
(一)风力助推模式情况：
如图1所示，叶片结构的个数为三个，叶片结构是用于风力助推模式下的滚筒帆叶片21a时，滚筒帆叶片21a为滚筒帆帆面，各个滚筒帆叶片21a位于纵向支撑杆22的外侧，且各个滚筒帆叶片21a分别与对应的纵向支撑杆22固定连接，则纵向支撑杆22的转动可以带动滚筒帆叶片21a转动。另外，中间支撑组件2的中心轴24底部***到中心轴轴承422内，用以增强装置的结构的强度和稳定性。各个滚筒帆叶片21a与顶部端板1固定连接，中心轴24顶部与顶部端板1连接，顶部端板1可以起整流作用。其中，三只滚筒帆帆面的滚筒帆叶片21a安装在纵向支撑杆22上并形成一个封闭的圆周面，并连同顶部端板1形成了一个滚筒帆结构。当纵向支撑杆22和横向支撑环23转动带动顶部端板1转动时，顶部端板1也同时带动中心轴轴承422内的中心轴24转动。由于本发明的装置适用于大型船舶，所以本发明的装置尺寸较大，中心轴2的作用之一刚好是为保障装置的纵向结构强度。
本发明的滚筒型风力助推-发电装置的风力助推模式工作方法如下：将三个滚筒帆叶片21a安装在纵向支撑杆22上，形成一个封闭的圆周面，连同顶部端板1形成了一个滚筒帆结构，用以满足马格努斯效应(Magnus Effect)原理，使得产生的推力最大化。如图1所示。三个电机43协调驱动圆形传动内齿条45并带动横向支撑环23和纵向支撑杆23一起转动，同时带动风力机叶片21和顶部端板1一起转动，从而在外部的风力作用下对船舶产生助推力。本实施例中，根据不同的风向，三台电机43通过传动齿轮44带动内齿条45连同纵向支撑杆22、横向支撑环23和中心轴24一起转动到某个固定的角度，使推力最大。
(二)发电模式情况下：
本发明由风力助推模式转化为发电模式时，拆下三只滚筒帆帆面的滚筒帆叶片21a，再安装若干个H型风力机叶片21b，该H型是指相邻的两个风力机叶片与横向支撑环之间形成一个近似“H”形状，任意相邻的两个风力机叶片之间存在间隙，多个风力机叶片未形成封闭的圆周面，如图2所示。其中，H型风力机叶片21b的个数为三个，各个风力机叶片21b位于纵向支撑杆22的外侧，且各个风力机叶片21b分别与对应的纵向支撑杆22固定连接，各个风力机叶片21b与顶部端板1固定连接，中心轴24顶部与顶部端板1连接，使得风力机叶片21b在外部风力的作用下旋转时，带动纵向支撑杆22、横向支撑环23转动，同时顶部端板1也会转动，进而带动中心轴24一起转动。纵向支撑杆22的转动会带动内齿条45转动，内齿条45进一步带动传动齿轮44转动，因此，带动三台电机43一起转动发电。这样就将原来的风力助推装置切换成升力型风力发电装置，通过三台电机发电。值得说明的是，该升力型风力发电装置中的升力是相对于风力助推装置中的推力而言，并不是产生了某种升力。因为助推装置中的本装置产生的力对于船舶来说是一种有利的推力，所以风力发电装置又被称为升力型风力发电装置。
本发明的滚筒帆叶片21a是圆弧形结构，叶面较宽，如图6a-图6b结合所示，其安装后可以形成封闭的滚筒帆。其中，滚筒帆叶片21a通过连接结构6a与纵向支撑杆22固定连接，该连接结构6a是由螺钉与减震弹簧形成。另外，如图7a-图7b结合所示，风力机叶片21b是翼形结构，叶面较窄，其安装后可以形成一个H型垂直型风力机，还可以根据需要调整叶片的攻角；其中，H型风力机叶片21b通过连接结构7a与纵向支撑杆22固定连接，该连接结构7a是铰接结构连接着螺钉并外加一个减震弹簧形成。
综上所述，本发明基于滚筒帆的基本结构，采用多台电机协调工作，既可以构成滚筒帆风力助推装置，又可以构成升力型风力机发电装置，本发明在不同的风向和不同的船舶航行条件下，可实现两种模式的转换，选择不同的工作模式：如当船舶航行遇到有利风向时进行风力助推，减少船舶油耗；如当船舶停港或抛锚时可进行风力发电，这将大大提高了船舶对风能的利用效率和综合利用效果，特别适合于航行工况多变的工程作业船、渔船、游艇、大型邮轮等。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种风力助推-发电装置，其特征在于，包含底座和置于所述底座之上的装置主体，所述底座的上端设置至少一个轴承组件(41)和若干个电机(43)，所述轴承组件(41)包含轴承座(411)，所述轴承座(411)位于所述底座的上端且所述轴承座(411)的主体为轴承架(412)；
所述电机(43)位于所述底座的上端，每个电机(43)与一传动齿轮(44)连接，所述传动齿轮(44)与所述轴承架(412)的上端设置的齿条(45)啮合，用以实现齿轮与齿条之间的传动过程；
所述装置主体的至少部分与所述齿条(45)固定连接；
在风力助推模式时，所述装置主体上安装可拆卸的滚筒帆结构，所述滚筒帆结构与所述齿条(45)固定连接，通过所述电机(43)协调驱动所述传动齿轮(44)以及所述齿条(45)转动，带动所述装置主体转动，使得所述滚筒帆结构转动，用以对船舶产生助推力；
在发电模式时，所述装置主体上安装可拆卸的风力机叶片(21b)，所述风力机叶片(21b)与所述齿条(45)固定连接，所述风力机叶片(21b)在外部风力作用下转动，并带动所述齿条(45)与所述传动齿轮(44)转动，用以带动所述电机(43)转动发电。
2.如权利要求1所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述轴承组件(41)还包含可滚动的若干个推力轴承块(413)，所述推力轴承块(413)置于所述轴承架(412)上表面的开孔中，所述齿条(45)转动时带动所述推力轴承块(413)在所述轴承架(412)上表面的开孔中滚动。
3.如权利要求2所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述推力轴承块(413)为圆柱形推力轴承块。
4.如权利要求1所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述装置主体包含与所述齿条(45)固定连接的若干个纵向支撑杆(22)，所述纵向支撑杆(22)与所述滚筒帆结构或风力机叶片(21b)固定连接，用以带动滚筒帆结构转动或跟随风力机叶片(21b)转动。
5.如权利要求4所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述纵向支撑杆(22)均与若干个横向支撑环(23)固定连接。
6.如权利要求4所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述纵向支撑杆(22)的上部固定连接一顶部端板(1)，所述顶部端板(1)的下部与一中心轴(24)的上部固定连接，所述中心轴(24)的下部***到一中心轴轴承组件(42)的中心轴轴承(422)内，所述中心轴轴承组件(42)位于底座上端，所述中心轴轴承(422)置于所述中心轴轴承组件(42)中的中心轴轴承座(421)的内侧。
7.如权利要求6所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述中心轴轴承组件(42)设置在环状结构的所述轴承座(411)的内侧；
所述底座(3)、所述轴承组件(41)和所述中心轴轴承组件(42)的中心重合。
8.如权利要求6所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述若干个电机(43)位于环状结构的所述轴承座(411)的内侧；
所述齿条(45)为圆环形的内齿条，所述传动齿轮(44)为与所述内齿条相匹配的圆形传动齿轮；
所述齿条(45)上表面开设有若干个纵向支撑杆安装孔(46)，使得纵向支撑杆(22)与齿条(45)固定连接。
9.如权利要求1所述的风力助推-发电装置，其特征在于，
所述滚筒帆结构包含若干个滚筒帆叶片(21a)，若干个滚筒帆叶片(21a)形成封闭的圆周面；
或者，所述风力机叶片(21b)为H型风力机叶片。
10.一种基于如权利要求1-9任意一项所述的风力助推-发电装置的风力助推-发电方法，其特征在于，该方法包含以下过程：
在风力助推模式时，风力助推-发电装置的装置主体上安装有可拆卸的滚筒帆结构，所述滚筒帆结构与齿条(45)固定连接，所述齿条(45)设置在轴承座(411)的轴承架(412)上端，且所述轴承座(411)置于一底座(3)上端；通过所述底座(3)上端的电机(43)协调驱动传动齿轮(44)以及齿条(45)转动，带动所述装置主体转动，使得所述滚筒帆结构转动，用以对船舶产生助推力；
在发电模式时，所述装置主体上安装有可拆卸的风力机叶片(21b)，所述风力机叶片(21b)与所述齿条(45)固定连接，所述风力机叶片(21b)在外部风力作用下转动，带动所述齿条(45)与传动齿轮(44)转动，用以带动所述电机(43)转动发电。
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