一种船舶可移动式艏楼发电装置
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种船舶可移动式艏楼发电装置。
背景技术
随着船舶数量逐渐增多，船舶消耗的燃料量与日俱增，燃烧排放的二氧化碳等废气加剧了对环境的污染。为降低船舶能源损耗，减少船舶航行过程中的废气排放，世界各国纷纷出台各种节能减排的举措，国际海事组织(IMO)也对船舶的排放提出了更高的要求，因此，降低能耗和寻找新型能源成为船舶亟待解决的问题。一些学者对太阳能、风能等清洁能源在航行船舶上应用进行了研究并取得一定的成果。除此之外，波浪能是一种取之不尽的清洁能源，其应用在船舶上有着得天独厚的优势。
船舶在海洋中航行，时常会遇到风浪，船体不可避免的会受到波浪冲击，尤其是船艏，基于船舶有一定的航速和船艏的结构形状特点，其受到波浪的冲击力更大，甲板上浪现象时有发生，甲板上会涌上大量的海水，为更好的应对上述现象，通常会在船艏处设置艏楼，艏楼是位于船艏部的上层建筑，用来抵抗波浪的冲击，减少波浪涌上甲板。波浪对船艏冲击过程中蕴含着大量的机械能，若能将这部分机械能进行回收利用，转换成电能或者其他能量用于船舶推进，为船舶航行提供部分动力，将能大幅度减少船舶的燃料消耗，实现船舶节能减排。因此，近年来已有研究人员和学者针对上述现象发明出多种波浪能利用装置。
专利号为CN201910988072.4的中国专利公开了一种商船船艏波浪能发电装置，该发明装置在船舶艏部左、右两舷位置开口并设置流道，利用冲进流道的波浪中蕴含的机械能，实现波浪能的回收利用，该装置不仅可以产生电能，而且还减小了波浪对船艏的冲击力，降低了航行阻力和船舶能耗。专利号为CN201922145358.4的中国专利公开了一种商船船艏浮体波浪能发电装置，该发明装置设有削尖的船艏浮体，不仅能够利用波浪对船艏浮体产生的上下冲击中蕴含的能量，而且削尖的船艏浮体能够起到劈浪作用，大大减小船舶的航行阻力，降低了船舶的能耗。但目前此类专利仍是极少，在航行中船舶利用波浪能方面仍需继续研究开发。
另外，船舶在航行过程中通常情况下航速一般能达到12节左右,所以即使遇到小风浪，由于船舶具有一定的航速，波浪对艏部船体也能够产生较大的冲击力，所激起的波浪的波高小则3米至5米，大则能超过10米。波浪在冲击船艏过程中，不仅能够产生向上的冲击，而且能够产生与船舶航行方向相反的推力。针对波浪对船体向上冲击中蕴含的能量，专利号为CN201922145358.4利用浮体来回收这部分冲击中蕴含的能量。而对于波浪对船艏向后的冲击，由于船艏在航行方向上的投影面积较大，所以波浪对船艏产生向后的推力大。因此，若是能够发明一种可以回收波浪冲击过程中蕴含大量机械能的装置，将会有更大的实际意义，更好的有助于船舶节能减排。
发明内容
本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种船舶可移动式艏楼发电装置，用来回收波浪冲击艏楼过程中所蕴含的机械能，进而转化为电能。
该装置包括：艏楼外壳、艏楼内舱、导轨、轨道凹槽、弹簧、液压装置。其中所述液压装置包括：油缸、活塞、活塞杆、活塞杆固定端、活塞杆自由端、油缸固定端、油口A、油口B及液压系统。所述液压系统包括：液压马达、传动轴、发电机、蓄能器A、蓄能器B、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀。
艏楼包括艏楼外壳与艏楼内舱。所述艏楼内舱设于船艏甲板处，且艏楼内舱最前端距船舶主甲板最前端0.5米至2米。
所述轨道凹槽固定于艏楼内舱上平面，轨道凹槽垂直于中横剖面。所述导轨刚性固定在艏楼外壳的内部上平面，导轨与轨道凹槽相配合，使得艏楼外壳通过轨道凹槽实现与艏楼内舱之间的相对移动。
所述弹簧刚性固定在艏楼内舱后端且与艏楼外壳连接，其中弹簧中轴线平行于轨道凹槽所在直线，弹簧在艏楼外壳移动过程中始终处于拉伸状态。所述液压装置的活塞杆固定端刚性固定在艏楼外壳，油缸固定端固定在艏楼内舱后端。
所述液压装置在油缸上分别设有油口A和油口B，所述活塞与活塞杆相连，活塞与所述油缸相匹配，活塞能够沿着油缸滑动，油缸中充满液压油。
当本发明装置在初始位置时，也即艏楼外壳最前端与船舶主甲板最前端重合，此时，若是艏楼受到波浪的冲击，艏楼外壳就会沿轨道凹槽相对于艏楼内舱向船尾方向移动，从而带动液压装置的活塞杆固定端随艏楼外壳一同后移，进而通过活塞杆拉动活塞沿着油缸运动，以此来实现将波浪能转化为液压油的压力能，通过液压系统中的液压马达输出机械能，然后经传动轴带动发电机发电。与此同时，弹簧随之伸长，将波浪中的另一部分冲击中蕴含的能量转化成弹簧的弹性势能，储存起来。
若是本发明装置处在后移极限位置，也即艏楼内舱的最前端与艏楼外壳的最前端接触时，船艏不受波浪冲击或者受波浪冲击削弱，此时，艏楼外壳就会在弹簧的作用下沿着轨道凹槽向船首方向移动，从而带动液压装置的活塞杆固定端随艏楼外壳一同向前移动，进而通过活塞杆拉动活塞沿着油缸运动，以此来实现将波浪冲击时弹簧所存储的弹性势能转化为液压油的压力能，然后通过液压系统中的液压马达输出机械能，最后经传动轴带动发电机发电。
本发明的有益效果：
1.本发明装置在船舶上设置可移动式艏楼，将波浪对艏楼冲击过程中所蕴含的机械能进行回收，转化为电能，解决了船舶航行过程中利用波浪能的难题，产生的电能可为船舶航行提供部分动力，从而节省船舶油耗，减少船舶航行过程中对环境的污染。
2.本发明装置通过可移动式艏楼中的液压装置和弹簧装置，既可减缓波浪对艏楼沿船长方向的冲击，进而减小与船舶航行方向相反的推力，实质上就是降低了因波浪冲击艏楼引起的航行阻力，又可以减小波浪对艏楼沿船宽方向的冲击，降低了波浪对船舶航行方向的影响，节约了船舶的能源消耗。
3.本发明装置中艏楼外壳的迎浪面积大，因而在波浪冲击艏楼时能够产生更大的推力，使得装置能够产生的发电量较大。
4.本发明装置方法简单，易于实现，且绝大多数船舶都设有艏楼，装置的推广应用意义大。
附图说明
图1是本发明装置在初始位置的示意图；
图2是本发明装置在初始位置的三维模型；
图3是本发明在初始位置时的液压装置三维模型；
图4是本发明液压系统示意图；
图5是本发明装置轨道凹槽的位置示意图；
图6是本发明装置导轨的位置示意图；
图7是本发明装置在船舶上初始位置的示意图；
图8是本发明装置后移极限位置的示意图；
图9是本发明装置后移极限位置的三维模型；
图10是本发明装置后移极限位置液压装置的三维模型；
图11是本发明装置安装在船舶上时后移极限位置的示意图；
附图中：1.艏楼外壳；2.艏楼内舱；3.导轨；4.轨道凹槽；5.弹簧；6.液压装置；601.活塞杆自由端；602.油缸固定端；603油缸；604.活塞；605.活塞杆；606.活塞杆固定端；a.油口A；b.油口B；7.第一单向阀；8.第二单向阀；9.第三单向阀；10.第四单向阀；11.液压马达；12.传动轴；13.发电机；14.蓄能器A；15.蓄能器B。
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。
一种船舶可移动式艏楼发电装置，如图1所示，该装置包括：艏楼外壳(1)、艏楼内舱(2)、导轨(3)、轨道凹槽(4)、弹簧(5)、液压装置(6)。
如图3和图4所示，所述液压装置(6)包括：油缸(603)、活塞(604)、活塞杆(605)、活塞杆固定端(606)、活塞杆自由端(601)、油缸固定端(602)、油口A(a)、油口B(b)及液压系统。所述液压系统包括：液压马达(11)、传动轴(12)、发电机(13)、蓄能器A(14)、蓄能器B(15)、第一单向阀(7)、第二单向阀(8)、第三单向阀(9)、第四单向阀(10)，所述液压装置(6)在油缸(603)上分别设有油口A(a)和油口B(b)，所述活塞(604)与活塞杆(605)相连，活塞(604)与所述油缸(603)相匹配，活塞(604)能够沿着油缸(603)滑动，油缸(603)中充满液压油。
所述蓄能器A(14)和蓄能器B(15)的作用是对液压系统中的液压油进行补充、储存和稳压。所述活塞杆自由端(601)的存在是为了保证从油口A和油口B进出的液压油流量相同，使得液压系统的压力波动较轻，进而确保装置发电稳定。
如图2所示，所述弹簧(5)刚性固定在艏楼内舱(2)后端且与艏楼外壳(1)连接，其中弹簧(5)中轴线平行于轨道凹槽(4)所在直线，弹簧(5)在艏楼外壳(1)移动过程中始终处于拉伸状态。所述液压装置(6)的活塞杆固定端(606)刚性固定在艏楼外壳(1)，油缸固定端(602)固定在艏楼内舱(2)后端，可在艏楼内舱(2)后端相应位置开口，使得活塞杆自由端(601)沿油缸(603)轴线自由移动。
所述艏楼外壳(1)与艏楼内舱(2)共同构成了艏楼，所述艏楼内舱(2)设于船艏甲板处，且艏楼内舱(2)最前端距船舶主甲板最前端0.5米至2米，所述轨道凹槽(4)固定于艏楼内舱(2)上平面，轨道凹槽(4)所在的直线垂直于中横剖面，如图5。
如图2和图6，所述导轨(3)刚性固定在艏楼外壳(1)的内部上平面，与轨道凹槽(4)相配合，使得艏楼外壳(1)通过轨道凹槽(4)实现与艏楼内舱(2)之间的相对移动。
当本发明装置处在初始位置时，如图7，也即艏楼外壳(1)最前端与船舶主甲板最前端重合，此时，若是艏楼受到波浪的冲击，艏楼外壳(1)就会沿轨道凹槽(4)相对于艏楼内舱(2)向船尾方向移动，从而带动液压装置(6)的活塞杆固定端(606)随艏楼外壳(1)一同后移，进而通过活塞杆(605)拉动活塞(604)沿着油缸(603)运动，此时，液压油从油口B(b)中流出，经第三单向阀(9)供给液压马达(11)，实现液压马达(11)的转动，然后，液压油再经过第四单向阀(10)从油口A(a)进入油缸(603)中，如图3所示，以此来实现将波浪能转化为液压油的压力能，通过液压系统中的液压马达(11)输出机械能，然后经传动轴(12)带动发电机(13)发电。与此同时，弹簧(5)随之伸长，将波浪中的另一部分冲击中蕴含的能量转化成弹簧(5)的弹性势能，储存起来。
如图8、图9和图11所示，若是本发明装置处在后移极限位置时，也即艏楼内舱(2)的最前端与艏楼外壳(1)的最前端接触时，船艏恰好不受波浪的冲击，此时，艏楼外壳(1)就会在弹簧(5)的作用下沿着轨道凹槽(4)向船首方向移动，并趋于回复至初始位置。艏楼外壳(1)在移动的过程中会带动液压装置(6)的活塞杆固定端(606)随艏楼外壳(1)一同向前移动，进而通过活塞杆(605)拉动活塞(604)沿着油缸(603)运动，此时，液压油从油口A(a)中流出，经第一单向阀(7)供给液压马达(11)，实现液压马达(11)的转动，然后，液压油再经过第二单向阀(8)从油口B(b)进入油缸(603)中，如图10所示,以此来实现将波浪冲击时弹簧(5)所存储的弹性势能转化为液压油的压力能，然后通过液压系统中的液压马达(11)输出机械能，最后经传动轴(12)带动发电机(13)发电。
此外，波浪冲击艏楼时，所述艏楼外壳(1)在船体上的位置有多种，不仅仅只是上述提到的初始位置和后移极限位置，当本发明装置中的艏楼外壳(1)处在二者之间的位置时，艏楼外壳(1)的移动方向取决于弹簧(5)对艏楼外壳的弹力和波浪对艏楼冲击力的大小。当弹簧(5)的弹力较大，则艏楼外壳(1)沿着导轨(3)向前移动；而当波浪对艏楼冲击力较大时，艏楼外壳(1)就会沿着导轨(3)向后移动。
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。
