本發(fā)明涉及一種船舶供電技術(shù)，尤其涉及使用清潔能源對船舶進(jìn)行供電的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)最主要的原動機，柴油機所顯現(xiàn)的問題日趨突出:一是航運燃料燃燒時產(chǎn)生的大量濃縮氮和硫，成了環(huán)境污染的主要因素；二是高轉(zhuǎn)速、大功率柴油機產(chǎn)生的振動和噪聲所帶來的問題越來越引起人們的重視，“零噪聲”是人們對生活、工作環(huán)境提出的更高要求，尤其是乘客和船員；三是日益突出的全球能源問題要求人們必須在短時間內(nèi)開發(fā)出新的能源及動力裝置。
而且在城市河流上運行著的各種河流保潔船，清淤船，垃圾船、打樁等多種工程船均由柴油機驅(qū)動，排放措施較為落后，同樣存在著諸多問題。燃料消耗量高，廢氣排放量大，成本高，污染重。所以，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當(dāng)務(wù)之急。
除動力能源問題以外，使用柴油機組的電力推進(jìn)船舶還一直面臨著一個技術(shù)難題：頻繁的負(fù)載擾動對推進(jìn)系統(tǒng)的影響。這些負(fù)載波動對船舶電網(wǎng)和電站有著巨大的沖擊，使得船舶穩(wěn)定性下降，以至于電站中內(nèi)燃機燃油得不到充分燃燒，對環(huán)境效益和經(jīng)濟效益造成雙重?fù)p害。
因此，傳統(tǒng)的船舶通常使用柴油機驅(qū)動，其存在能耗高、噪聲大、廢氣污染大，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境以及負(fù)載頻繁擾動對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)影響較大的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
以下給出一個或多個方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認(rèn)出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細(xì)的描述之序。
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供了一種船舶供電系統(tǒng)，能夠大幅減小船舶油耗，提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，并且保持了船舶供電系統(tǒng)的靈活性。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：本發(fā)明揭示了一種船舶供電系統(tǒng)，包括：
船舶供電電池，儲存電能為船舶供電；
供電電池監(jiān)控模塊，連接船舶供電電池，對船舶供電電池的充放電過程進(jìn)行監(jiān)測和控制；
逆變單元，連接船舶供電電池和負(fù)載，將電池的直流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載工作所用的交流電；
電池充電組件，連接船舶供電電池，為船舶供電電池進(jìn)行充電。
根據(jù)本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的一實施例，船舶供電電池是鋰電池組或鋅溴液流電池。
根據(jù)本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的一實施例，電池充電組件是船舶岸電接口，利用岸電對船舶供電電池進(jìn)行充電。
根據(jù)本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的一實施例，電池充電組件還包括過渡充電接頭，通過船與船之間的過渡充電接頭的連接，利用一個船舶岸電接口對多條船進(jìn)行充電。
根據(jù)本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的一實施例，電池充電組件包括：
燃料電池，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器對船舶供電電池進(jìn)行在線充電；
燃料電池監(jiān)控模塊，連接燃料電池，對燃料電池向船舶供電電池的放電過程進(jìn)行監(jiān)測和控制。
根據(jù)本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的一實施例，電池充電組件包括：
發(fā)電機組，對船舶供電電池進(jìn)行充電。
根據(jù)本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的一實施例，系統(tǒng)還包括：
超級電容，連接船舶供電電池，輔助船舶供電電池進(jìn)行短時大功率動態(tài)響應(yīng)；
超級電容監(jiān)控模塊，連接超級電容，對超級電容中的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制。
本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明將鋰電池作為船舶電力推進(jìn)的主動力，由于鋰電池具有潔凈、高效、無污染、低噪聲、模塊結(jié)構(gòu)、安裝自由度高、維修保養(yǎng)方便易于發(fā)展自動化及連續(xù)工作等優(yōu)點，因此這一技術(shù)手段既可以降低船舶燃料費用又可以減少局部排放，同時還能大大降低船舶運營成本。此外，本發(fā)明還使用了儲能單元，在電力系統(tǒng)遇到擾動時，儲能單元可以在瞬時吸收或釋放能量，平復(fù)擾動給系統(tǒng)帶來的影響，改善系統(tǒng)性能。隨著大容量能量存儲技術(shù)的發(fā)展，儲能元件價格下降，使得儲能元件大規(guī)模應(yīng)用于電力推進(jìn)船舶成為可能。本發(fā)明將超級電容器作為儲能元件，由于超級電容器有著較高的功率密度，單位時間內(nèi)可以輸出較多的能量，是一般電池的數(shù)十倍，有著良好的動態(tài)性能和超高的使用壽命。本發(fā)明將鋰電池與超級電容器結(jié)合起來使用，使得混合儲能系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。
總的來說，通過采用本發(fā)明的技術(shù)方案，船舶可以完全擺脫柴油機組，既可以降低船舶燃料費用又可以減少污染物排放，并能夠大大降低船舶運營成本，而且使用方便，續(xù)航能力強，其經(jīng)濟效益和社會效益十分明顯。本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)可大幅減小船舶油耗，提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，并且保持了船舶供電系統(tǒng)的靈活性。
附圖說明
圖1示出了本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的實施例的原理。
具體實施方式
在結(jié)合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細(xì)描述之后，能夠更好地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點。在附圖中，各組件不一定是按比例繪制，并且具有類似的相關(guān)特性或特征的組件可能具有相同或相近的附圖標(biāo)記。
圖1示出了本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的實施例的原理。請參見圖1，組成船舶供電系統(tǒng)的最基本的模塊包括：船舶供電電池1、逆變單元3、電池充電組件、以及能量管理系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)包括：供電電池監(jiān)控模塊2、燃料電池監(jiān)控模塊7、超級電容監(jiān)控模塊10。各模塊之間的信號連接關(guān)系如圖1所示。
船舶供電電池1的功能是儲存電能為船舶供電，可以是鋰電池，也可以是鋅溴液流電池。鋰電池和鋅溴液流電池具有較高的功率密度和能量密度，有良好的穩(wěn)態(tài)性能。鋰電池容量大小可選，用戶可以根據(jù)實際用電需求選擇合適容量的鋰電池組即可。鋰電池是指嵌入化合物正負(fù)極材料的可充放電的高能量電池，正極材料一般使用插鋰化合物，比如LiMn2O4、LiNiO2、LiCoO2等，負(fù)極材料通常采用人造石墨、天然石墨、焦炭系列材料?？梢愿鶕?jù)實際工作用量選擇合適容量的鋰電池，是最簡單、最直接也最方便的蓄能供電驅(qū)動方案。對于鋅溴液流電池，是高效的電化學(xué)儲能設(shè)備，又被稱為氧化還原液流儲能電池，鋅溴液流電池理論開路電壓1.82V，總效率為75％，理論能量密度430Wh/kg，電池可以100％深度放電幾千次，與鋰電池電池相比，具有較高的能量密度和功率密度以及優(yōu)越的循環(huán)充放電性能，性能優(yōu)越，所以也可作為鋰電池的備選方案。
供電電池監(jiān)控模塊2連接船舶供電電池1，對船舶供電電池1的充放電過程進(jìn)行監(jiān)測和控制。逆變單元3連接船舶供電電池1和負(fù)載(如圖中的轉(zhuǎn)舵、推進(jìn)器、其他設(shè)備電源)，將電池的直流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載工作所用的電流。
電池充電組件連接船舶供電電池1，用于為船舶供電電池進(jìn)行充電。電池充電組件可以有多種實施形式。電池充電組件的第一種形式是船舶岸電接口，當(dāng)鋰電池電量用完后，再重新回到岸邊采用船舶岸電接口(AMP，Alternative Marine Powered)進(jìn)行岸電充電。AMP是非傳統(tǒng)船舶電源或者船-岸電轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，其作用是：當(dāng)船舶?？看a頭作業(yè)時，通過AMP系統(tǒng)將岸上電源連接至船舶電網(wǎng)，改用岸電而非傳統(tǒng)的船舶柴油發(fā)電機供電，以達(dá)到減少廢氣排放，凈化環(huán)境的目標(biāo)。本發(fā)明雖已經(jīng)徹底擺脫柴油機的使用，但LNG發(fā)電機組仍屬熱機，與岸電相比，就會凸顯出發(fā)電機組效率低、噪聲大、發(fā)電成本高。因此，當(dāng)船舶靠岸后，以市電電網(wǎng)供電代替船舶LNG發(fā)電機組，可以節(jié)能、減排、降噪。是十分高效的辦法。較佳的，還可以包括過渡充電接頭，如果碼頭?？看拜^多，駁船并排停放，船只?？康攸c離岸較遠(yuǎn)的還可以采用就近船舶之間過渡連接進(jìn)行充電。就像一根導(dǎo)線一樣，相互連接，一個岸電接頭便可以為所有船舶充電，使得船舶充電更加靈活方便。
電池充電組件的第二種形式是利用發(fā)電機組5對船舶供電電池進(jìn)行充電，比如LNG發(fā)電機組作為續(xù)航保障的組件，燃燒天然氣同樣清潔環(huán)保，而且輸出功率也不錯，天然氣最高可替代80％的柴油，且完全滿足船舶的動力需求。燃料為液化天然氣，液化天然氣(LNG)是以液態(tài)形式存在的天然氣，具有資源豐富、使用方便和排放清潔等特點。當(dāng)天然氣在一個大氣壓下冷卻至約-162°C時，氣態(tài)會轉(zhuǎn)變成液態(tài)。無色、無味、無毒且無腐燭性，氣液比例約為625:1。在液化過程中，原料氣將脫除二氧化碳、硫化物、水以及重?zé)N，主要成分為甲烷，及少量的乙烷、丙烷和丁烷，幾乎不含重?zé)N、CO2、N2和H2O、微小顆粒等有害物質(zhì)，能有效降低氮氧化物和二氧化碳排放量。由于成分很純凈，且燃燒完全，燃燒后產(chǎn)物為二氧化碳和水，所以它是很好的代用清潔燃料，有利于環(huán)境保護，減輕城市污染。且經(jīng)過液化過程，硫成分以固體形式析出、分離，燃燒時更清潔，溫室氣體排放量更低。是種有效的清潔能源。在用LNG發(fā)電機組的情況下，船舶需要攜帶AMP系統(tǒng)。
電池充電組件的第三種形式是燃料電池6、燃料電池監(jiān)控模塊7。燃料電池6通過DC/DC轉(zhuǎn)換器8對船舶供電電池1進(jìn)行在線充電。而燃料電池監(jiān)控模塊7連接燃料電池6，對燃料電池6向船舶供電電池1的放電過程進(jìn)行監(jiān)測和控制。如果船舶需要長時間離岸作業(yè)，鋰電池一次滿額電量不足以維持船舶長時間作業(yè)的情況下，可選擇燃料電池6隨船在線為鋰電池充電。燃料電池就像一個小型發(fā)電廠，持續(xù)工作輸出電流，對鋰電池充電，彌補了單一鋰電池組續(xù)航能力不強的缺陷。
燃料電池6作為鋰電池小功率充電續(xù)航單元，可采用目前比較流行的甲醇重整制氫燃料電池，甲醇?xì)淙剂想姵厥菤錃馀c氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成電能的化學(xué)裝置，單套額定輸出功率為5KW，燃料為53％甲醇溶液，用戶可根據(jù)用電需要調(diào)整配置。燃料電池并不像蓄電池那樣是個儲存電能的裝置，它更像是一個發(fā)電廠，在持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)中不斷生成電能，只要有源源不斷的燃料，就能不斷發(fā)電。氫氣在陽極碰到催化劑，分離成電子和質(zhì)子，質(zhì)子透過質(zhì)子膜PEM，與陰極的氧氣和電子結(jié)合生成水蒸氣。電子從陽極經(jīng)外部回路回到陰極的過程形成了直流電。
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的儲能能力，還可以安裝超級電容9和超級電容監(jiān)控模塊10。超級電容9連接船舶供電電池1，輔助船舶供電電池1進(jìn)行短時大功率響應(yīng)。超級電容監(jiān)控模塊10連接超級電容9，對超級電容中的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制。超級電容是近年發(fā)展起來的一種新型電力儲能器件，基于雙電層原理。超級電容器的電容量極大，可達(dá)數(shù)千法拉。它通過極化電解質(zhì)來儲存能量，其儲能過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因如此，超級電容才可以反復(fù)充放電使用達(dá)數(shù)十萬次之多。其中應(yīng)用最為廣泛的就是雙電層式超級電容，它由雙層級電板組成，中間部分有高聚合碳粒子聚合而成，中間則有鋁制薄膜連接。在電力系統(tǒng)中，超級電容器作為新型的快速動態(tài)能量存儲器件已被廣泛地使用在各個工業(yè)鄰域中。超級電容器的優(yōu)點包括：1)高功率密度，超級電容的內(nèi)阻小，輸出功率密度高，是一般蓄電池的數(shù)十倍；2)循環(huán)壽命長。具有至少十萬次以上的充電壽命；3)充電速度快，可以用大電流給超級電容充電，充電時間很短；4)工作溫度范圍寬，能在-40℃～60℃的環(huán)境溫度中正常工作；5)綠色環(huán)保，超級電容器在生產(chǎn)過程中不使用重金屬和其他有害化學(xué)物質(zhì)，且自身壽命較長，因而是一種新型的綠色環(huán)保電源。
能量管理系統(tǒng)實時對燃料電池、鋰電池、超級電容、LNG發(fā)電機組進(jìn)行管控。能量管理系統(tǒng)具有如下的功能：
(1)供電電池監(jiān)控模塊2在本實施例中是智能鋰電池管理，主要監(jiān)控各個鋰電池的電壓、電流、溫度和能量等參數(shù)，起到監(jiān)控保護以及信息顯示的作用。
(2)超級電容監(jiān)控模塊10主要監(jiān)控各個超級電容電壓電流、溫度和能量等參數(shù)，監(jiān)控和保護超級電容并實時顯示超級電容的信息狀態(tài)。
(3)燃料電池監(jiān)控模塊7主要對單個燃料堆發(fā)電過程進(jìn)行管理和狀態(tài)監(jiān)測，所有燃料電堆、電池及用電負(fù)載進(jìn)行用電管理、熱管理、進(jìn)排氣管理等。
(4)當(dāng)能量管理系統(tǒng)檢測到鋰電池蓄能不多時，提示能量不足，減緩船上各系統(tǒng)用電，電池電量過低時暫停其他各系統(tǒng)供電，并提醒船只返航，回到岸邊采用市電充電，在充電過程中，能量管理系統(tǒng)監(jiān)控充電回路并提供監(jiān)控。
(5)如果安裝有燃料電池或者LNG發(fā)電組，能量管理系統(tǒng)可以控制燃料電池或者LNG發(fā)電組在線對鋰電池或超級電容進(jìn)行充電，可以邊工作邊充電，加強續(xù)航能力。
(6)船舶大功率運行機構(gòu)在重物下降或者剎車制動時，產(chǎn)生的再生電能存儲到鋰電池和超級電容中。
(7)安裝燃料電池的情況下，燃料電池發(fā)出非恒定直流電，經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換器將電流變得平穩(wěn)恒定，并對鋰電池組、超級電容在線充電。
(8)當(dāng)儲能單元(鋰電池、超級電容)的儲能低于閾值時，不允許船上各運行機構(gòu)動作，等待充電過程進(jìn)行；鋰電池、超級電容儲能滿額時，控制燃料電池充電關(guān)斷；當(dāng)鋰電池儲能開始下降時，可允許燃料電池對儲能單元在線充電，動態(tài)調(diào)整燃料電池充電速度，所以一般不會出現(xiàn)工作狀態(tài)儲能很低的情況，當(dāng)儲能低于設(shè)定值時，能力管理系統(tǒng)控制大功率系統(tǒng)停機等待充電；
(9)和推進(jìn)器PLC控制器進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)，獲得推力、速度、功率等數(shù)據(jù)，并根據(jù)儲能單元的儲能情況對PLC提出機構(gòu)速度要求。
采用本發(fā)明的船舶供電系統(tǒng)的供電過程如下：
a)全船采用鋰電池供電，鋰電池可由船上AMP系統(tǒng)接口連接市電進(jìn)行充電。
b)在鋰電池供電的基礎(chǔ)上，安裝有燃料電池(或LNG發(fā)電機組)對鋰電池在線充電，延長鋰電池續(xù)航能力。燃料電池組發(fā)出非恒定直流電，經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換器，對蓄能鋰電池單元進(jìn)行充電。蓄能鋰電池單元充電狀態(tài)由能量管理系統(tǒng)監(jiān)控，控制充電及放電狀態(tài)。以鋰電池為主對船舶主要負(fù)載進(jìn)行供電。
c)當(dāng)系統(tǒng)需要短時大電流輸出時可通過超級電容輔助鋰電池短時間內(nèi)放電提供大功率電能，保證供電系統(tǒng)的靈活性。蓄能鋰電池組將儲存的電能穩(wěn)定得供給直流母排，再由直流母排向各機構(gòu)及輔助設(shè)備供電，各運行機構(gòu)在減速制動時，產(chǎn)生的再生電能由蓄能鋰電池單元和超級電容回收。
d)AMP系統(tǒng)的操作主要包括以下步驟：1)船舶AMP岸電系統(tǒng)接地放電，接岸電前，碼頭AMP服務(wù)工程師上船接洽，并要求船舶AMP岸電系統(tǒng)進(jìn)行接地放電，在碼頭AMP服務(wù)工程師見證下，船員在中壓連接屏上完成接地放電程序；2)電纜的送岸連接；3)AMP應(yīng)急斷電線路的連接、試驗和送電；4)同步檢驗；5)中壓配電板合閘送電；6)岸電供電結(jié)束時的恢復(fù)程序；7)AMP系統(tǒng)管理進(jìn)行定期系統(tǒng)絕緣檢測。
e)當(dāng)碼頭有較多船舶?？繒r，通常都是并排?？?，離岸較遠(yuǎn)的船只要連接岸電就會比較麻煩，除了要考慮電纜長度問題，還要考率岸上充電接口問題。如果在每條船上都加一個過渡接頭，就可以大大提高工作效率，船與船之間可以實現(xiàn)互相連接，過渡接頭使得每條船像一根導(dǎo)線一樣，相互連在一起，這樣一個岸電接口就可以為所有船只充電。使得船舶充電更加方便快捷。
此外，圖1所示的船舶供電系統(tǒng)可以有多種變形，圖示的虛線框是可選模塊，可以進(jìn)行任意的組合搭配，以組合成船舶供電系統(tǒng)的多種變形方式。
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