基于钒电池自储能燃气冷热电三联供船舶装置的制作方法

本发明涉及电力驱动的船舶，具体涉及一种基于钒电池自储能燃气冷热电三联供船舶装置。

背景技术：

船舶是最重要的交通运输工具之一。正如人们所知，传统的船舶主要是依靠热机，如柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等来驱动的，船舶运行的能量来源依赖于具有污染的不可再生的燃油，这种以燃油为动力来源的船舶具有如下显著缺陷：

1、排放的废气、废水较多，对环境污染比较严重。“一艘中型到大型集装箱船使用含硫量为3.5%的船用燃料油，并以70%最大功率的负荷行驶时，其一天排放的pm2.5大约相当于中国50万辆新货车一天内的排放总量。”7月3日，在自然资源保护协会（nrdc）的《船舶和港口空气污染防治白皮书》发布会上，该项目组成员davidpettit对记者说。同时，白皮书认为，船舶使用的燃料油，其含硫量是车用柴油的100至3500倍。因此，船舶单位燃料的二氧化硫和颗粒物排放量远远超过道路车辆。

2、噪声污染非常严重，乘坐环境的舒适性相对较低。船舶在靠岸时其噪声有时可达85~94db船，舶超标准噪声的存在会给周围的他人产生影响，也给作业人员带来极大的健康损害。在我国的长江流域一带的运河水域，由于长期存在挂桨机船舶，这种简单安装柴油机的简易船在营运中机器的排气产生出极大的声响，当这些船舶沿着运河穿越城镇时，沿岸的居民都深受影响，不能专心学习和工作，更不能休息和睡眠，这是典型的环境噪声污染损害。

3、由于内燃机效率低，能源的消耗较大，营运经济性较差。特别是近年来，由于燃油价格上涨过快，船舶经营者承受较大的运营成本压力。

面对更为严格的排放要求，以及提高船舶运营的经济效益和为了满足特种船舶的特殊要求，人们寻求通过改变船舶的能量来源和推进方式来解决上述问题，而电力推进方式则是一条有效途径。

为此，人们开发出了一些电动船舶，其中一些尝试利用新能源。这类电动船舶的结构基本类似，其通过太阳能电池板、风力发电机等产生电能，将能量储存在蓄电池中，并通过dc/ac逆变器将存储在电池中的直流电逆变成交流电，为浆、舵和驱动电机等电力推进装置和船上的照明、空调等交流负载提供交流电能。然而，这类的新能源由于受到船体面积和风力载荷的限制，不能作为船舶的动力能源。也有人提出采用储能电力推动船舶运行，但储能电池仍采用动力锂电或铅酸电池，由于船舶动力储能巨大，推力电机功率达到几百千瓦，受到锂电池和铅酸电池的一致性影响很难使传播正常行驶。也有技术对内燃机进行改进，使用燃气作为动力能源来推进船只运行，以此来降低污染，虽然对动力燃料进行改进，但燃气热值低，动力不足，要提高功率，依然污染较严重，噪声大，能源利用率低，不节能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的船舶航行过程中污染严重、噪声大、能耗高等缺点，旨在提供一种污染少、低噪声、环境代价低、投资省、节能高效、能够自行发电实现船舶分布式独立的能源供应系统。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种基于钒电池自储能燃气冷热电三联供船舶装置，包括：船舶主体，燃气轮机燃烧单元，燃气轮机发电单元，燃气储罐，余热利用单元，船舶辅助用能单元，钒液电池储能单元，变流控制单元，中央主控单元、开关磁阻电机动力单元；燃气轮机燃烧单元的燃气入口管与燃气储罐相连，燃气储罐里的高压lng进入燃气轮机燃烧单元的燃烧室燃烧，产生高温高压气流，高温高压气流带动燃气轮机发电单元进行发电，发电单元的电力输出端与变流控制单元连通并对钒电池储能单元进行充电，变流控制单元与钒电池储能单元实现双向连通并进行存（供）电能，燃气轮机的燃烧室排出的高温废气，经热力回收管线与余热利用单元相连并进行热量回收，形成以燃气轮机为核心的热力供能系统；变流控制单元经变流控制后其电力有多路输出，其中，一路电力输出至中央主控单元，提供中央主控器电源；一路电力输出至船舶辅助用能单元，提供生活辅助用电；一路电力输出至开关磁阻电机动力单元，形成以钒电池储能为中心的电力供能系统。以上各功能单元按一定的逻辑顺序放置于船舶主体之中，形成钒电池自储能燃气冷热电三联供船舶系统。

所述的余热利用单元，其特征在于由蒸汽余热利用单元和热水余热利用单元两部分构成，其中，蒸汽余热利用单元与船舶本体的供热（冷）系统相连，冬天较冷时余热蒸汽通过船舶的暖通系统向整艘船舶供暖；夏天较热时，余热蒸汽通过船舶的吸收式制冷系统向整艘船舶供冷，经过换热后的水蒸气冷凝为60-70℃的冷凝液，该冷凝液经过热水回流管线及电磁阀控制后回流至热水余热利用单元，作为热水余热再次利用，优选的吸收式制冷系统为溴化锂制冷机组；余热热水来源有两路，一路是燃气轮机燃烧单元尾气废热的回收利用，另一路是余热蒸汽冷凝液的回收利用，热水余热利用单元与船舶本体的生活用热水单元相连通，生活用热单元为洗浴用热水和餐饮用热水。

所述的船舶本体的供热（冷）系统，其特征在于供热系统热力管网和板式换热器构成，供冷系统为吸收式制冷系统的溴化锂制冷机组构成。

所述的钒液电池储能单元，其特征在于钒液电池储能单元为全钒液流电池储能系统，是整艘船舶电力供能系统的核心单元，主要包括正负电解液储槽，电堆系统，电解液循环泵及钒液电池储能本体系统控制装置，其中电堆系统的电力充放电端子与变流控制单元相连，变流控制单元与中央主控单元有信息连通，变流控制单元接收中央主控单元信号，确定电堆系统的电力流向，也确定变流控制单元各用电回路的通断；中央主控单元与钒液电池储能本体系统控制装置有信号连通，中央主控单元根据整个船舶电力系统的用电负荷状况信息反馈给钒液电池储能本体系统控制装置，钒液电池储能本体系统控制装置调节电解液循环泵和电磁阀来确定的电解液流量大小，钒液电池储能本体系统控制装置与电解液浓度测量传感器和温度传感器相连，实时监测正负电解液的浓度并把信息反馈给中央控制单元，中央控制单元发出信号确定是否给电解液充电或更换高浓度电解液；钒液电池储能本体系统控制装置实时监测电解液温度，并把温度信息反馈给中央控制单元，中央控制单元发出信号确定是否投入或退出电解液散热系统，实现钒电池系统高效率运行并延长电堆系统的使用寿命。

所述的钒液电池储能单元，其特征在于正负电解液储槽下部均有电解液进出管，可以通过直接更换电解液的方式来达到给钒液电池系统充电的目的。

所述的变流控制单元，其特征在于变流控制单元是钒液电池储能系统的主要控制部件，变流控制单元分别与钒液储能单元、燃气轮机发电单元、中央主控单元、开关磁阻电动机动力单元及辅助用能单元有电力回路连通，变流控制单元有工频交流输出回路和直流输出回路，直流输出回路的输出直流电压为48-560v；变流控制单元与市电充电桩接口连通，钒液电池储能单元的充电电力可以由市电电力提供。

所述的开关磁阻电机动力单元，其特征在于开关磁阻电机动力单元，包括：开关磁阻电动机，船舶动力螺旋桨及开关磁阻电机动力单元本体控制系统，开关磁阻电动机通过联轴器直接与动力螺旋桨相连，或通过变速箱及联轴器与动力螺旋桨相连，其中变速箱的变速比为1:1—1:5，开关磁阻电机动力单元本体控制器通过控制线与中央主控单元相连接，中央主控单元对开关磁阻电机控制单元进行调节和控制。

所述的中央主控单元，包括控制模块及与之相连的人机交互模块和信号采集模块，所述信号采集模块还燃气轮机发电单元，船舶辅助用能单元，钒液电池储能单元，变流控制单元，开关磁阻电机动力单元相连接并进行信号反馈，实现对各上述各功能单元的控制与调节；信号采集模块还与燃气储罐、余热利用单元的各自联通管路的电磁阀相连接并进行信号反馈，并实现对各电磁阀开关的控制和调节；人机交互模块具有显示屏和个功能按钮，功能按钮可以对各功能单元进行参数设置和与经调节。

本发明的有益效果在于，其有效解决了现有现有电动船舶所存在的电力传输及用电效率低，能量损耗高，续航里程短等问题。本发明将燃气能源实现梯级利用，实现能源利用的高效率；采用钒液流电池储能系统，实现大用量储能和大倍率放电的可能，满足了船舶大功率电机对储能系统的要求，实现了大吨位船舶电力推动；动力系统采用高效磁阻电机，实现直流驱动去掉了中间的dc/ac转换装置，因而有效提高了电力传输及用电的效率，减少了能源消耗，从而增加了电动船的续航能力。此外，由于采用直流电，其功率因素为1，不存在交流电中的功率因素和谐波的问题，因此无需因功率因素低而增加功率因数校正器。采用电力推进时新能源电动船不仅能节能和提高能源效率，且环保无污染，噪音低。

附图说明

图1为本发明基于钒电池自储能燃气冷热电三联供船舶装置结构示意图；

图2为本发明余热利用单元结构示意图；

图3为本发明钒液电池储能单元结构示意图；

1、船舶主体，2、燃气轮机燃烧单元，3、燃气轮机发电单元，4、燃气储罐，5、余热利用单元，51、蒸汽余热利用单元，52、热水余热利用单元，53、供热（冷）系统，54、生活用热水单元，55、供热电磁阀，6、船舶辅助用能单元，7、钒液电池储能单元，71、电解液储槽，72、电解液循环泵，73、电堆系统，74、电解液电磁阀，75、电解液进出管，76、钒液电池储能本体系统控制装置，8、变流控制单元，9、中央主控单元，10、开关磁阻电机动力单元，11、动力螺旋桨。

具体实施方式

结合图1及下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。

参阅图1，本发明提出了一种基于钒电池自储能燃气冷热电三联供船舶装置，包括：船舶主体1，燃气轮机燃烧单元2，燃气轮机发电单元3，燃气储罐4，余热利用单元5，船舶辅助用能单元6，钒液电池储能单元7，变流控制单元8，中央主控单元9、开关磁阻电机动力单元10；燃气轮机燃烧单元2的燃气入口管与燃气储罐4相连，燃气储罐4里的高压lng进入燃气轮机燃烧单元2的燃烧室燃烧，产生高温高压气流，高温高压气流带动燃气轮机发电单3元进行发电，发电单元3的电力输出端与变流控制单元8连通并对钒电池储能单元7进行充电，变流控制单元8与钒电池储能单元7实现双向连通并进行存（供）电能，燃气轮机的燃烧室排出的高温废气，经热力回收管线与余热利用单元5相连并进行热量回收，形成以燃气轮机为核心的热力供能系统；变流控制单元8经变流控制后其电力有多路输出，其中，一路电力输出至中央主控单元9，提供中央主控器电源；一路电力输出至船舶辅助用能单元6，提供生活辅助用电；一路电力输出至开关磁阻电机动力单元10，形成以钒电池储能为中心的电力供能系统。以上各功能单元按一定的逻辑顺序放置于船舶主体1之中，形成钒电池自储能燃气冷热电三联供船舶系统。

所述的余热利用单元，其特征在于余热利用单元5由蒸汽余热利用单元51和热水余热利用单元52两部分构成，其中，蒸汽余热利用单元51与船舶本体的供热（冷）系统53相连，冬天较冷时余热蒸汽通过本体的供热（冷）系统53的暖通系统向整艘船舶供暖；夏天较热时，余热蒸汽通过船舶的吸收式制冷系统向整艘船舶供冷，经过换热后的水蒸气冷凝为60-70℃的冷凝液，该冷凝液经过热水回流管线及电磁阀控制后回流至热水余热利用单元52，作为热水余热再次利用；余热热水来源有两路，一路是燃气轮机燃烧单元尾气废热的回收利用，另一路是余热蒸汽冷凝液的回收利用，热水余热利用单元52与船舶本体的生活用热水单元54相连通，生活用热水单元54为洗浴用热水和餐饮用热水。

所述的船舶本体的供热（冷）系统，其特征在于供热系统热力管网和板式换热器构成，供冷系统为吸收式制冷系统的溴化锂制冷机组构成。

所述的钒液电池储能单元，其特征在于钒液电池储能单元7为全钒液流电池储能系统，是整艘船舶电力供能系统的核心单元，主要包括正负电解液储槽71，电堆系统73，电解液循环泵72及钒液电池储能本体系统控制装置76，其中电堆系统73的电力充放电端子与变流控制单元8相连，变流控制单元8与中央主控单元9有信息连通，变流控制单元8接收中央主控单元9信号，确定电堆系统73的电力流向，也确定变流控制单元8各用电回路的通断；中央主控单元9与钒液电池储能本体系统控制装置76有信号连通，中央主控单元根据整个船舶电力系统的用电负荷状况信息反馈给钒液电池储能本体系统控制装置76，钒液电池储能本体系统控制装置76调节电解液循环泵和电磁阀来确定的电解液流量大小，钒液电池储能本体系统控制装置76与电解液浓度测量传感器和温度传感器相连，实时监测正负电解液的浓度并把信息反馈给中央控制单元9，中央控制单元9发出信号确定是否给电解液充电或更换高浓度电解液；钒液电池储能本体系统控制装置76实时监测电解液温度，并把温度信息反馈给中央控制单元9，中央控制单元9发出信号确定是否投入或退出电解液散热系统77，实现钒电池系统高效率运行并延长电堆系统的使用寿命。

所述的钒液电池储能单元，其特征在于正负电解液储槽71下部均有电解液进出管75，可以通过直接更换电解液的方式来达到给钒液电池系统充电的目的。

所述的变流控制单元，其特征在于变流控制单元8是钒液电池储能系统的主要控制部件，变流控制单元8分别与钒液储能单元7、燃气轮机发电单元1、中央主控单元9、开关磁阻电动机动力单元10及辅助用能单元6有电力回路连通，变流控制单元8有工频交流输出回路和直流输出回路，直流输出回路的输出直流电压48-560v；变流控制单元8与市电充电桩接口连通，钒液电池储能单元的充电电力可以由市电电力提供。

所述的开关磁阻电机动力单元，其特征在于开关磁阻电机动力单元10，包括：开关磁阻电动机，船舶动力螺旋桨11及开关磁阻电机动力单元本体控制系统，开关磁阻电动机通过联轴器直接与动力螺旋桨11相连，或通过变速箱及联轴器与动力螺旋桨相连，其中变速箱的变速比为1:1—1:5，开关磁阻电机动力单元本体控制器通过控制线与中央主控单元相连接，中央主控单元对开关磁阻电机控制单元进行调节和控制。

所述的中央主控单元，包括控制模块及与之相连的人机交互模块和信号采集模块，所述信号采集模块还燃气轮机发电单元1，船舶辅助用能单元6，钒液电池储能单元7，变流控制单元8，开关磁阻电机动力单元10相连接并进行信号反馈，实现对各上述各功能单元的控制与调节；信号采集模块还与燃气储罐2、余热利用单元3的各自联通管路的电磁阀相连接并进行信号反馈，并实现对各电磁阀开关的控制和调节；人机交互模块具有显示屏和个功能按钮，功能按钮可以对各功能单元进行参数设置和与经调节。

实施例1

如图1、图2、图3所示，本实施例中，船舶系统的所有供能采用燃气轮机发电系统。具体实施方式，中央控制单元9启动，燃气轮机系统的燃气储罐4的燃气输出地磁发阀打开，燃气流入燃气轮机燃烧室2启动燃气轮机并拖动燃气发电单元，燃气发电单元3发出的电力通过变流控制单元8输出至钒液电池储能单元7，钒液电池储能单元7的电力输出端经过变流控制单元8把电力输出至磁阻电机动力单元10，驱动船舶螺旋桨11，推动船舶运行，钒液电池储能单元7的电力输出端经过变流控制单元8把电力输出至辅助用能单元6，驱动辅助机电运转和生活用电的电力供应。燃气机燃烧室点燃后，启动余热利用单元5，对船舶系统提供供暖（冷）和热水应用。

实施例2

如图1、图3所示，本实施例中钒液电池储能单元直接为船舶系统供电，中央控制单元9启动，钒液电池储能单元7系统启动，钒液电池储能单元7通过变流控制单元10把电力输出至磁阻电机动力单元10，驱动船舶螺旋桨11，推动船舶运行。当钒液电池储能单元7亏电时，钒液电池储能单元7通过变流控制单元8的市电充电端口，由市电向钒液电池储能单元7充电。本实施例也可以通过钒液电池储能单元7的电解液进出口管75，对电解液槽71内的电解液更换，已达到充电目的。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。