一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统的制作方法

本发明涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是船舶混合动力系统。

背景技术：

随着国际油价快速上涨，以及越来越严格的排放法规的实施，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，节能减排已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，其节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。

作为未来的环境战略，我们以减少能源消耗和减少co2、sox、nox及pm排放为目标。有许多方法可以减少船舶的污染和排放，其中最好的方法是利用替代能源。天然气作为发动机的燃料是未来船舶发动机发展的必然趋势，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。但受现阶段天然气发动机技术水平不高的限制，天然气发动机存在动力响应性差、功率不足等缺点。

纯电动船舶电力推进系统是未来船舶技术研究的前沿，具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点。然而，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电动船舶并不能达到高性能的速度、加速度和自控性，其续航能力也受其电池容量制约。

混合动力船舶兼有内燃机推进船舶和纯电力推进船舶的优点：相比于内燃机推进船舶，可根据负荷大小选择工作模式，保证所有工况下的燃油经济性，冗余性好；相比于纯电力推进船舶，初期投入成本低，且续航能力强。船舶的混合动力技术，解决能源问题与技术不成熟之间矛盾，实现了燃料的高效利用，为船舶从传统的机械式推进过渡到纯电力推进提供了可行性方案，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供改善船舶的动力性、经济性和排放性的一种带pti-pto的气电混联式船舶混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带pti-pto的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、pti电动机、pto电动机、齿轮箱、lng储液罐，齿轮箱包括第一-第四齿轮，第二齿轮分别与第一齿轮和第三齿轮啮合，第四齿轮与第五齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮同轴，pti电动机通过第一离合器连接齿轮箱的第一齿轮，气体机通过第二离合器连接齿轮箱的第四齿轮，pto电动机通过第三离合器连接齿轮箱的第五齿轮，螺旋桨连接齿轮箱的第三齿轮；lng储液罐通过气化换热装置分别连接气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池和pto发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。

本发明还可以包括：

1、采用机械推进模式，所述机械推进模式包括气体机推进模式、气体机+pto推进模式；

气体机推进模式：第二离合器闭合，其他离合器断开，pti电动机电源断开，螺旋桨由气体机驱动；

气体机+pto推进模式：第一离合器断开，第二离合器、第三离合器闭合，气体机驱动螺旋桨的同时带动pto发电机发电，所发电能汇入船舶电网。

2、采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，pti电动机处于工作状态，螺旋桨由pti电动机驱动，pti电动机所需电能由蓄电池经过船舶电网提供；

燃料电池推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，pti电动机处于工作状态，螺旋桨由pti电动机驱动，pti电动机所需电能由燃料电池经过船舶电网提供；

混合电力推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，pti电动机处于工作状态，螺旋桨由pti电动机驱动，pti电动机所需电能由蓄电池和燃料电池经过船舶电网提供；

岸电充电模式：船舶停靠在港口，由岸电装置对蓄电池进行充电。

3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+pti推进模式、气体机+pti-pto推进模式；

气体机+pti推进模式：第二离合器闭合，其它离合器断开，pti电动机电源接通，螺旋桨由pti电动机和气体机共同驱动，pti电动机电源由船舶电网提供；

气体机+pti-pto推进模式：所有离合器闭合，pti电动机电源接通，螺旋桨由pti电动机和气体机的部分功率共同驱动，pto发电机由气体机的另一部分功率驱动，pto发电机所发电能汇入船舶电网，pti电动机1电能由船舶电网提供。

本发明的优势在于：

本发明提出了一种带pti-pto的气电混联式船舶混合动力系统，设置有气体机、pti电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在更多工况下的动力需求，并能使气体机和电动机更好的工作在高效率区，从而降低了气体机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性。

多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过离合器的闭合及断开，本发明所提供的混合动力系统可以实现多种工作模式，最大限度地提高船舶混合动力系统的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶的经济性和排放性。

通过离合器的断开闭合，可以实现pto发电机和pti电动机的不同工作模式，增强了系统的动力性能，提高了发电机组的工作效率，pto发电机可以部分的或者全部的取代船舶电站。

电动机具有优秀的动力响应，可以随时的关闭和开启，在船舶变工况时可以迅速的调整动力输出，提高船舶的动力响应、操作性、推进冗余度，减少了系统维护。

在电力推进时可以实现大幅度的降噪，增大了船舶的适航区域，提高了船员的生活舒适性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明一种带pti-pto的气电混联式船舶混合动力系统，包括pti电动机1、离合器2a、2b、2c、齿轮箱3、lng储液罐4、气化换热装置5、气体机6、燃料电池7、燃料电池变电装置8、船舶电网9、pto发电机10、pto发电机变电装置11、螺旋桨12、船舶负载13、蓄电池变电装置14、蓄电池15、岸电装置16。气体机6和pti电动机输出端通过离合器2b与齿轮箱3的输入端相连，pto发电机通过离合器2c与齿轮箱3输出端相连，螺旋桨12与齿轮箱3的输出端相连。lng储液罐4通过气化换热装置5与气体机6、燃料电池7相连。燃料电池7、蓄电池15和pto发电机10分别通过变电装置8、14、11与船舶电网9相连，岸电装置16、船舶负载13与船舶电网9相连。

本实施例中，气体机6优选纯天然气发动机或双燃料发动机，pto发电机10、pti电动机1优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，蓄电池15优选功率密度高、体积重量小的磷酸铁锂电池。燃料电池7优选可直接使用天然气作为燃料的固体氧化物型燃料电池，气化换热器5优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器。

本发明的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。

1.机械推进模式

机械推进模式可分为：气体机推进模式、气体机+pto推进模式。

(1)气体机推进模式：在该种工作模式下，气体机6与齿轮箱间3的离合器2b闭合，其他离合器断开，pti电动机1电源断开，螺旋桨12由气体机6驱动。

(2)气体机+pto推进模式：在该种工作模式下，气体机6和pto发电机10与齿轮箱3间的离合器2b、2c闭合，pti电动机1与齿轮箱3间的离合器2a断开，气体机6驱动螺旋桨12的同时带动pto发电机10发电，所发电能汇入船舶电网9。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式。

(1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，pti电动机1与齿轮箱3间的离合器2a闭合，其它离合器断开，pti电动机1处于工作状态，螺旋桨12由pti电动机1驱动，pti电动机1所需电能由蓄电池15经过船舶电网9提供。

(2)燃料电池推进模式：在该种工作模式下，pti电动机1与齿轮箱3间的离合器2a闭合，其它离合器断开，pti电动机1处于工作状态，螺旋桨12由pti电动机1驱动，pti电动机1所需电能由燃料电池7经过船舶电网9提供。

(3)混合电力推进模式：在该种工作模式下，pti电动机1与齿轮箱3间的离合器2a闭合，其它离合器断开，pti电动机1处于工作状态，螺旋桨12由pti电动机1驱动，pti电动机1所需电能由蓄电池15和燃料电池7经过船舶电网9提供。

(4)岸电充电模式：在该种工作模式下，船舶停靠在港口时，由岸电装置16对蓄电池15进行充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：气体机+pti推进模式、气体机+pti-pto推进模式：

(1)气体机+pti推进模式：在该种工作模式下，pti电动机1和气体机6与齿轮箱3间的离合器2b闭合，其它离合器断开，pti电动机1电源接通，螺旋桨12由pti电动机1和气体机6共同驱动，pti电动机1电源由船舶电网9提供。

(2)气体机+pti-pto推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，pti电动机1电源接通，螺旋桨12由pti电动机1和气体机6的部分功率共同驱动，pto发电机10由气体机6的另一部分功率驱动，pto发电机10所发电能汇入船舶电网9，pti电动机1电能由船舶电网9提供。

上述模式中：机械推进模式适用于船舶运行工况稳定的长时间巡航，或者对船舶排放和噪声要求不高的区域；电力推进模式适用于船舶靠岸或者离港时的低功率需求的情况，或者是航行在对船舶排放和噪声有较高要求的区域；混合推进模式适用于船舶对推进功率或航速有一定需求时。

采用本发明提供的船舶混合动力系统既可以从主机吸收能力发电，可以部分或全部的替代电站发电机，也可以从电站吸收电能驱动螺旋桨，船舶负载9所需要的电力由蓄电池15或燃料电7提供，若pto发电机10运行时则优先使用其发出的电能，船舶负载3用电的优先级是：pto发电机10大于燃料电池7大于蓄电池15。