CN110190624A - 一种船舶多能源微电网*** - Google Patents
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Abstract
一种船舶多能源微电网***，包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC‑DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电***、光伏发电***、柴油发电机***、补偿机、变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线。本***以可逆高温燃料电池作为船舶主要电力来源，协同多种能源，为船舶在不同负荷下提供多种电能的选择，实现多能源微电网***发电与储能的协调作用，并且尽可能降低燃料消耗。此外本***还加入储能***，应对船舶负荷的波动，可逆高温燃料电池发电状态时为船舶提供电力，电解状态时以发电产生的废气为原料制造燃料，大幅度减少污染气体排放。
Description
技术领域
本发明涉及船舶节能减排领域，具体涉及一种多能源船用微电网***，实现可逆高温燃料电池、柴油发电机、风力发电及光伏发电之间多能协同工作。
背景技术
当前控制气候变化和空气质量恶化的需求日益增大，航运业和许多其他行业一样，面临着减少环境影响的巨大压力。如果不采取措施，到2050年，二氧化碳排放量预计将增加50％-250％，此外，航运业氮氧化物排放已经占全球氮氧化物排放的15％，如果不采取措施，预计还会增加。另外，能源紧缺同样困扰世界各国。为解决航运业关于能源与环境这两大问题，各国科研人员做了大量探索。
从提高燃料效率上进行了两方面的探索：一是采用燃料电池，燃料电池可以把化学能直接转化为电能，燃料利用率大大提高，而且相比化石燃料燃烧尾气更加清洁，以H2为燃料的燃料电池尾气只有H2O，可逆燃料电池的出现更是让人们看到实现零排放的希望。燃料电池因其高燃料利用率以及更加清洁的特性，是船舶动力方面研究热点，目前燃料电池应用于船舶的研究方向主要分为全燃料电池动力船舶和燃料电池作为多种供能形式其中之一的多能源船舶。二是将传统的机械推进改为电力推进，船舶在运行时负载大小时时刻刻都在变化，这会引起燃料浪费，采用电力推进可以减少燃料消耗，并且采用先进控制策略的混合结构可以降低高达10％-35％燃料消耗与排放。电力推进船舶目前研究比较火热，尤其在军舰和大型游轮的研制上，而且全电船舶技术日趋成熟，正逐渐变为造船主流。
从寻求新能源上也进行了两方面探索：一是寻找新的化石能源，比如可燃冰与页岩气，目前这两种新型化石能源正处于研究阶段，作为航运燃料还存在一些挑战。二是利用自然界的可再生清洁能源，如太阳能，风能等。另外，锂电池船舶也是研究人员探寻的一种解决方法。
发明内容
针对目前能源危机与环境污染问题对航运业提出的更高要求，本发明提出一种船舶多能源微电网***，以可逆高温燃料电池为主要电能来源，风力发电，光伏发电及柴油发电机发电为辅助电能来源。当船舶靠岸时，船舶接入岸电，可逆高温燃料电池进入电解状态，通过电解发电状态下产生的废气生产可逆高温燃料电池发电状态的燃料，或者在光伏发电功率与风力发电功率大于负载功率时可逆高温燃料电池进入电解状态。其他情况下可逆高温燃料电池处于发电状态，并且根据不同负荷情况匹配不同的船舶微电网发电模式，储能装置用于应对负荷波动。并且通过利用尾气余热可以进一步提高燃料利用率。这样可以尽可能节省燃料并且减少排放。
本多能源船用微电网***主要包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC-DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电***、光伏发电***、柴油发电机***、补偿机变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线。
本发明采用如下技术方案：在可逆高温燃料电池发电情况下，燃料从燃料罐输出，经过发电气换热器加热后进入可逆高温燃料电池，同时氧气罐中的氧气进入发电气换热器加热，然后进入可逆高温燃料电池，可逆高温燃料电池进入发电状态，发电产生的高温尾气从可逆高温燃料电池输出进入发电气换热器，从发电气换热器输出后进入二级换热器，发电气换热器与二级换热器分级利用高温尾气余热，增加燃料利用率，尾气从二级换热器输出，经过废气压缩机然后进入废气罐，可逆高温燃料电池发出电力经过可逆高温燃料电池AC-DC变换器输送到交流母线，同时光伏发电***和风力发电***也为船舶微电网提供电力。在可逆高温燃料电池电解情况下，废气罐中的气体通入电解气换热器进行加热，然后进入可逆高温燃料电池进行电解反应，电解反应生成混合燃料气体和氧气从可逆高温燃料电池两个不同接口出来，然后经过电解气换热器和二级换热器，最后分别通入燃料罐和氧气罐，电解气换热器与二级换热器分级利用高温尾气余热，增加燃料利用率，可逆高温燃料电池电解需要的电力由交流母线提供，交流母线上的交流电经过可逆高温燃料电池AC-DC变换器转换为大电流直流电用于可逆高温燃料电池电解反应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用多能源形式的船舶微电网，利用太阳能，风能两种清洁可再生能源，降低燃料消耗，大大减少废气排放。
(2)分级利用高温废气作为换热器热源，可以进一步提高燃料利用率。
(3)采用可逆高温燃料电池，发电产生的废气收集起来用作电解原料，该***几乎达到零排放。
(4)AC-DC转换器采用大电流整流形式，使电解反应更加快速。
(5)储能装置可以缓冲负荷波动引起的船舶微电网不稳定。
附图说明
图1为本发明船舶多能源微电网***的结构示意图。
图中，1废气罐，2氧气罐，3燃料罐，4可逆高温燃料电池，41可逆高温燃料电池废气进口，42可逆高温燃料电池燃料进口，43可逆高温燃料电池氧气出口，44可逆高温燃料电池燃料进口，45可逆高温燃料电池氧气进口，46可逆高温燃料电池废气出口，5二级换热器，51二级换热器进油口，52二级换热器出油口，53二级换热器氧气进口，54二级换热器氧气出口，55二级换热器燃料与废气进口，56二级换热器燃料与废气出口，6电解气换热器，61电解气换热器氧气出口，62电解气换热器氧气进口，63电解气换热器燃料出口，64电解气换热器燃料进口，65电解气换热器废气进口，66电解气换热器废气出口，7发电气换热器，71发电气换热器氧气进口，72发电气换热器氧气出口，73发电气换热器燃料进口，74发电气换热器燃料出口，75发电气换热器废气出口，76发电气换热器废气进口，8柴油换热器，9废气压缩机，10氧气压缩机，11燃料压缩机，12油泵，13油箱，14烟囱，15柴油发电机，16岸电接口，17升压变压器，18紧急负载，19滤波器，20风力发电***，21光伏发电***，22高压负载，23低压负载，24降压变压器，25储能***AC-DC转换器，26可逆高温燃料电池AC-DC转换器，27储能***，28同步补偿机，29交流母线，气阀V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明一种船舶多能源微电网***，包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC-DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电***、光伏发电***、柴油发电机、补偿机、变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线。
船舶停靠港口时，船舶微电网通过岸电接口16与岸电***连接，此时船上负载消耗电力与可逆高温燃料电池4电解反应消耗电力由岸电***、光伏发电***21和风力发电***20提供，可逆高温燃料电池4进行电解反应生产燃料，为船舶离港航行时可逆高温燃料电池4发电做准备，在离港航行时，若船舶电力负荷小于风力发电***20与光伏发电***21发电功率之和，可逆高温燃料电池4同样进行电解反应，其他情况下，可逆高温燃料电池4进行发电反应。
在可逆高温燃料电池4发电情况下，氧气从氧气罐2输出，经过气阀V7从发电气换热器氧气进口71进入发电气换热器7，加热后从发电气换热器7氧气出口72输出，然后从可逆高温燃料电池氧气进口44进入可逆高温燃料电池4，同时气阀V8打开，燃料罐3中的燃气从发电气换热器燃料进口73进入发电气换热器7，进行预热，然后从发电气换热器7燃料出口74输出，从可逆高温燃料电池燃料进口45进入可逆高温燃料电池4，可逆高温燃料电池4进入发电状态，发电产生的高温尾气从可逆高温燃料电池4废气出口46输出，从发电气换热器废气进口76进入发电气换热器7，发电气换热器7利用高温废气余热，增加燃料利用率，废气从发电气换热器7废气出口75输出，经过气阀V2从二级换热器燃料与废气进口55进入二级换热器5，此时气阀V2打开，气阀V1关闭，二级换热器5继续利用发电产生废气的余热，增加燃料利用率，然后废气从二级换热器5燃料与废气出口56输出，经过气阀V3进入废气压缩机9，最后通入废气罐1，此时气阀V3打开，气阀V5关闭，可逆高温燃料电池4发出电力经过可逆高温燃料电池AC-DC变换器26输送到交流母线29，同时光伏发电***21和风力发电***20也为船舶微电网提供电力。
在可逆高温燃料电池电解情况下，废气罐1中的气体经过气阀V6从电解气换热器废气进口65进入电解气换热器6进行预热，然后从电解气换热器6废气出口66输出，从可逆高温燃料电池废气进口41进入可逆高温燃料电池4进行电解反应，电解反应生成的混合燃料气体从可逆高温燃料电池4燃料出口42输出，从电解气换热器燃料进口64进入电解气换热器6，然后从电解气换热器6燃料出口63输出，经过气阀V1进入二级换热器5燃料与废气进口55，此时气阀V1打开，气阀V2关闭，电解产生的混合燃料气体从二级换热器5燃料与废气出口56输出，经过气阀V5进入燃料压缩机11，最后通入燃料罐3，可逆高温燃料电池4电解同时产生的氧气从可逆高温燃料电池4氧气出口43输出，从电解气换热器氧气进口62进入电解气换热器6，然后从电解气换热器6氧气出口61输出，从二级换热器氧气进口53进入二级换热器5，然后从二级换热器氧气出口54输出，经过气阀V4和氧气压缩机10进入氧气罐2，可逆高温燃料电池4电解产生的混合燃料和氧气都先经过电解气换热器6，再经过二级换热器5，分级利用电解产生的氧气与燃料的余热加热不同加热温度需求的工质，提高燃料利用率，可逆高温燃料电池4电解需要的电力由交流母线29提供，交流母线29上的交流电经过可逆高温燃料电池AC-DC转换器26转换为大电流直流电用于可逆高温燃料电池4电解反应。
柴油发电机15工作时，油泵12开启，油箱13中的柴油经过油泵12从二级换热器进油口51进入二级换热器5进行加热，加热的柴油从二级换热器5出油口52输出，进入柴油换热器8继续进行加热，柴油继续加热后进入柴油发电机15，柴油发电机15发电，在紧急情况下，柴油发电机15发电为紧急负载18供电，在超高负荷情况下柴油发电机15发出的电力经过升压变压器17输送到交流母线29，为船舶供电，两种供电方式通过断路器控制，柴油发电机15发电产生的高温尾气进入柴油换热器8，柴油换热器8利用尾气余热，然后尾气输出到烟囱14，最后排入大气中。
储能***27主要用于缓冲负荷功率波动，储能***27通过储能***AC-DC转换器25与交流母线29连接，实时与交流母线29进行能量交换；风力发电***20与光伏发电***21受天气影响较大，除为高压负载22、低压负载23供电外，其余电力用于可逆高温燃料电池4电解反应；柴油发电机15作为辅助发电设备之一，不同于风力发电***20与光伏发电***21，其可以提供稳定电能，可用于超高负荷情况下为船舶微电网提供电能，或者是紧急情况下为紧急负载18提供电能。
根据不同负荷条件下，微电网工作方式可分为以下七种。假设Ps为岸电功率，Pw为风力发电***20功率，Pp为光伏发电***21功率，Pa＝Pw+Pp，PSOFC为可逆高温燃料电池4发电功率，PSOFCM为可逆高温燃料电池4最大发电功率，PSOEC为可逆高温燃料电池4电解功率，Pload为负载功率，Pd.g为柴油发电机15功率，Ps.e为储能***27功率，Ps.e为储能***27放电功率，Ps.e为正值时储能***放电，Ps.e为负值时储能***充电。
状态一：船舶靠岸状态下，Ps+Pa＝Pload+PSOEC。
状态二：低负荷状态，此时风力发电***20发电，光伏发电***21发电，同时配合储能***27为负载提供电力，多余电力用于可逆高温燃料电池4电解反应。PSOEC+Pload＝Pa+Ps.e，因为光伏发电***21和风力发电***20发电功率之和波动，所以Ps.e可为正值或者负值。
状态三：较低负荷状态，Pa<Pload<PSOFCM+Pa，此时可逆高温燃料电池4发电，风力发电***20发电，光伏发电***21发电，为负载提供电力，多余的电能储存起来。Ps.e+Pload＝Pa+PSOFC。
状态四：较高负荷状态，PSOFCM+Pa<Pload<PSOFC+Pa+Ps.e，此时可逆高温燃料电池4发电，风力发电***20发电，光伏发电***21发电，储能***27放电，为负载提供电力，Pload＝PSOFC+Pa+Ps.e。
状态五：高负荷状态，PSOFCM+Pa+Ps.e<Pload<Pd.g+Pa+PSOFC，此时柴油发电机15发电，风力发电***发电20，光伏发电***21发电，可逆高温燃料电池4发电，为负载提供电力，Ps.e+Pload＝Pd.g+Pa+PSOFC。
状态六：超高负荷状态，Pd.g+PSOFC+Pa<Pload<Pd.g+Pa+PSOFC+Ps.e，此时柴油发电机15发电，风力发电***20发电，光伏发电***21发电，可逆高温燃料电池4发电，储能***27放电，为负载提供电力，Pload＝Pd.g+Pa+PSOFC+Ps.e。
状态七：紧急状态，此时柴油发电机15作为应急电源启动，为紧急负载18提供电力，Pload＝Pd.g。
综上所述，本发明是以可逆高温燃料电池为主要电能来源，风力发电***，光伏发电***及柴油发电机为辅助电能来源，当船舶靠岸时，船舶微电网接入岸电***，可逆高温燃料电池进入电解状态，通过电解发电状态下产生的废气生产可逆高温燃料电池发电状态消耗的燃料，或者在光伏发电功率与风力发电功率大于负载功率时可逆高温燃料电池进入电解状态，电解储能装置用于应对负荷波动。在船舶需要可逆高温燃料电池提供电能时，可逆高温燃料电池发电，协调各发电***应对不同的负荷情况，发电与电解产生的高温尾气经过两级换热器，高温尾气热量被分级利用，提高能源利用率，超高负荷或者紧急情况下，柴油发电机发电，柴油通过油泵进入换热器加热软化，而且柴油发电机发电产生的高温尾气通入换热器，换热器利用尾气余热，这样可以尽可能节省燃料并且减少排放。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种船舶多能源微电网***，包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC-DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电***、光伏发电***、柴油发电机、补偿机、变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线，其特征在于：
本船舶多能源微电网***以可逆高温燃料电池4为主要能量来源，风力发电***20、光伏发电***21、柴油发电机15为辅助能量来源，***各部分连接情况如下，燃料罐3出气口与气阀V8连接，燃料罐3进气口连接燃料压缩机11出气口，废气罐1出气口与气阀V6连接，废气罐1进气口连接废气压缩机9出气口，氧气罐2进气口连接氧气压缩机10出气口，氧气罐2出气口与气阀V7连接，废气压缩机9的进气口与气阀V3连接，氧气压缩机10进气口与气阀V4连接，燃料压缩机11进气口与气阀V5连接，二级换热器5燃料与废气进口55与电解气换热器6燃料出口63通过气阀V1连接，二级换热器5燃料与废气进口55与发电气换热器7废气出口75通过气阀V2连接，其中，气阀V1、V2分别控制燃料与废气进入二级换热器5燃料与废气接口55，气阀V3与气阀V5连接二级换热器5燃料与废气出口56，气阀V3、V5分别控制废气进入废气压缩机9与燃料进入燃料压缩机11，气阀V4与二级换热器5氧气出口54连接，气阀V6与电解气换热器6废气进口65连接，气阀V7与发电气换热器7氧气进口71连接，气阀V8与发电气换热器7燃料进口73连接，二级换热器5进油口51与油箱13通过油泵12连接，二级换热器5出油口52连接柴油换热器8进油口，二级换热器5氧气进口53连接电解气换热器6氧气出口61，电解气换热器6氧气进口62连接可逆高温燃料电池4氧气出口43，电解气换热器6燃料进口64连接可逆高温燃料电池4燃料出口42，电解气换热器6废气出口66连接可逆高温燃料电池4废气进口41，发电气换热器7氧气出口72连接可逆高温燃料电池4氧气进口44，发电气换热器7燃料出口74连接可逆高温燃料电池4氧气进口45，发电气换热器7废气进口76连接可逆高温燃料电池4废气出口46，柴油换热器8出油口连接柴油发电机15进油口，柴油换热器8进气口连接柴油发电机15排气口，柴油换热器8排气口连接烟囱14进气口，柴油发电机15与紧急负载18通过断路器连接，并且通过升压变压器17和断路器与高压母线29连接，可逆高温燃料电池4外接两组输电线，两组输电线都与可逆高温燃料电池AC-DC转换器26连接然后与交流母线29连接，储能***27与储能设备AC-DC转换器25连接然后与交流母线29连接，交流母线29作为发电设备与用电器的连接线还与岸电接口16，滤波器19，风力发电***20，光伏发电***21，补偿机28连接，交流母线29通过断路器与高压负载22连接，也通过断路器再接降压变压器24与低压负载23连接。
2.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于废气罐1，氧气罐2，燃料罐3采用双口气罐，进气口，出气口连接不同导气管。
3.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于可逆高温燃料电池4发电产生高温废气先通过发电气换热器7，再通过二级换热器5分级利用反应余热。
4.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于可逆高温燃料电池4电解产生高温废气先通过电解气换热器6，再通过二级换热器5分级利用反应余热。
5.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于柴油换热器8利用柴油发电机15尾气余热。
6.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于可逆高温燃料电池4可进行发电和电解反应。
7.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于可逆高温燃料电池AC-DC转换器26整流时要将交流电转换为大电流直流电。
8.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于储能***27由超级电容与锂电池组成。
9.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在于柴油发电机15尾气通入柴油换热器，利用尾气余热。
10.根据权利要求1所述的船舶多能源微电网***，其特征在与二级换热器燃料与废气接口55连接的管道是燃料与废气共用管道，可以节省管道，减少换热器接口，而且无安全隐患。
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