CN102358412A - 多能源混合动力的船舶电力推进系统及其实施方法 - Google Patents

多能源混合动力的船舶电力推进系统及其实施方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多能源混合动力的船舶电力推进系统及其实施方法，以动力电池、太阳能、燃油发动机作为电力推进系统的动力源。动力电池作为主电源，太阳能光伏电池和由燃油发动机带动发电机作为辅助电源。船舶靠泊停航时，由码头岸电对动力电池进行充电，正常航行时，由动力电池对系统供电；航行中一旦动力电池的储能用尽或发生故障，则燃油发动机自动起动投入运行，燃油发动机推进船舶的同时，带动同轴的发电机（同一台电机，在电力推进时作电动机用，在燃油发动机推进时作发电机用）发电，为动力电池充电，维持船舶航行。本发明可实现船舶废气、废水零排放，具有较显著的节能、节支效果。本发明还能保证船舶的航行安全，提高船舶的续航性能。

Description

多能源混合动力的船舶电力推进系统及其实施方法
技术领域
本发明涉及船舶推进技术领域，特别是涉及一种多能源混合动力的船舶电力推进系统，本发明还涉及此推进系统的实施方法。
背景技术
电力推进系统是一种先进的船舶推进方式。这种推进方式能够提高船舶的技术经济性能，具有操纵性能好、节能环保的特点，可以降低船舶的废气排放，减少船舶的燃料能源消耗，同时可以获得较好的动力特性。中国专利201010300192.x公开了一种包括柴油机-发电机组、配电系统、推进电动机及推进器的电力推进系统；中国专利200810034693.0公开了一种电力推进船舶的控制装置及其控制方法。上述专利中，其电力推进船舶的主动力电源均为常规的柴油机-发电机组（简称柴电机组）。由于柴电机组长期恒速运行在高负荷率状态下，避免了象柴油机推进船舶在低速或怠速推进工况时的高耗油与冒黑烟现象。但是在本质上，这种柴电机组供电的电力推进系统只能有限降低但不能根本消除船舶的废气排放。
为了实现电力推进船舶的废气零排放，发展以清洁能源为主动力电源的绿色船舶具有重要意义。中国专利200710036259.1公开了一种基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统，其供电系统包括与推进控制系统相连的超级电容组以及电池堆；中国专利200820155772.2公开了一种用于船舶电力推进系统的供电系统，其供电系统包括与推进控制系统相连的超级电容组以及电池堆。上述专利中以蓄电池和超级电容作为船舶电力推进系统的主动力电源，取消了常规的柴电机组，使得船舶自身可实现废气的零排放。但是，作为船舶主电源的超级电容和蓄电池需经岸上充电储能，在航行中一旦超级电容和蓄电池的储能用尽或自身发生故障，则会导致船舶失去动力，会造成严重的船舶航行安全事故；其次，船舶正常航行中一般不会产生可回收的电力推进系统的制动动能，因此超级电容在系统中的意义并不大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的技术问题而提出的一种适用于内河中小型船舶的，以动力电池、太阳能、燃油发动机等多种能源作为电力推进系统的动力源。其中以动力电池作为主电源，以太阳能光伏电池以及由燃油发动机带动的发电机作为辅助电源的混合供电模式的船舶电力推进系统及其实施方法。船舶靠泊停航时，由码头岸电对动力电池进行充电，储存电能；正常航行时，由动力电池对电力推进系统供电；航行中一旦动力电池的储能用尽或发生故障，则燃油发动机自动起动投入运行，燃油发动机在带动螺旋桨推进船舶的同时，带动同轴的发电机（同一台电机，在电力推进时作电动机用，在燃油发动机推进时作发电机用）发电，为动力电池充电，维持船舶航行。
本发明提出的以动力电池为主电源的多能源电力推进船舶系统，可实现船舶废气、废水零排放，同时也将产生较显著的节能、节支效果。而电力推进与燃油发动机推进的混合动力方式，保证了船舶的航行安全，提高了船舶的续航性能。
本发明所要求解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
一种多能源混合动力的船舶电力推进系统，所述系统包括多能源供电系统，变流控制系统，推进系统；
所述多能源供电系统包括发电机/电动机、动力电池组、太阳能光伏电池和岸电箱，所述变流控制系统包括变流控制器、控制面板、切换开关、开关、第一AC/DC变流器、第二AC/DC变流器和DC/DC变流器，所述动力电池组连接两个AC/DC变流器和DC/DC变流器，所述第一AC/DC变流器连接切换开关，所述切换开关的两个触点分别连接岸电箱和发电机/电动机，所述第二AC/DC变流器通过开关连接其他用电负荷，所述DC/DC变流器连接太阳能光伏电池，所述控制面板连接变流控制器，所述变流控制器连接两个AC/DC变流器和DC/DC变流器；
所述推进系统包括发电机/电动机、燃油发动机、离合器、变速箱和螺旋桨，所述螺旋桨后连接变速箱，所述变速箱后同轴依次连接发电机/电动机、离合器、燃油发动机。
所述动力电池组通过母排连接两个AC/DC变流器和DC/DC变流器。
一种多能源混合动力的船舶电力推进系统的实施方法，所述系统的运行状态有四种：①停航时岸电供电状态，②航行时动力电池供电的电力推进状态，③航行时燃油发动机推进状态，④锚泊时太阳能供电状态；
①停航时岸电供电状态
船舶靠泊停航后，利用码头岸电对动力电池组充电储能，使船舶在下一次开航时具备充足的电能，岸电箱连接岸电接插座，将船上切换开关合到岸电箱侧触点，为船舶靠泊状态下的动力电池组充电储能，同时太阳能光伏电池也为动力电池组充电，当为动力电池组充电时，通过控制面板监控动力电池组电量，当动力电池组的储能量低于规定阈值时，进行恒流充电控制，而当动力电池组的储能量高于规定阈值时，进行恒压充电控制；
②航行时动力电池供电的电力推进状态
船舶航行时，在动力电池供电状态下，推进轴上的发电机/电动机作为电动机运行，由动力电池组对电动机以及其它用电负荷实施供电，切换开关合闸到电动机侧，动力电池组通过第一AC/DC变流器向电动机供电，电动机通过变速箱驱动螺旋桨推进船舶；在此状态下，燃油发动机停机不运行，太阳能光伏电池向动力电池组充电；
③航行时燃油发动机推进状态
船舶航行时，当动力电池组的蓄电量低于规定阈值时，或当动力电池组发生故障不能维持供电时，将发出报警，此时系统将自动切换动力源，由燃油发动机驱动螺旋桨推进船舶，燃油发动机起动后，离合器啮合，通过变速箱带动螺旋桨转动，与此同时，同轴连接的发电机/电动机作为发电机运行，通过切换开关及第一AC/DC变流器，由发电机为动力电池组充电，同时，太阳能光伏电池也为动力电池组充电；
④锚泊时太阳能供电状态
船舶锚泊状态时， 船舶停止航行，此时，依靠太阳能光伏电池板为为船舶照明等用电负荷供电，剩余电力动力电池组充电。
由于采用了如上技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下特点：可实现船舶废气、废水零排放，同时也将产生较显著的节能、节支效果。而电力推进与燃油发动机推进的混合动力方式，保证了船舶的航行安全，提高了船舶的续航性能。
附图说明
图1为本发明系统的组成结构原理框图。
图2为本发明系统岸电供电状态示意图。
图3为本发明系统动力电池组供电状态示意图。
图4为本发明系统燃油发动机推进状态示意图。
图5为本发明系统锚泊时太阳能供电状态示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
一种多能源混合动力的船舶电力推进系统的组成结构原理框图如图1所示。
（1）多能源混合动力的电力推进系统的组成结构
多能源混合动力的船舶电力推进系统在结构上主要由变流控制系统100、多能源供电系统200和推进系统300组成。变流控制系统100包括变流控制器111、控制面板112、切换开关113、其他用电负荷开关114、连接发电机/电动机03的第一AC/DC变流器121、连接其他用电负荷的第二AC/DC变流器122、连接太阳能光伏电池的DC/DC变流器。多能源供电系统200由发电机/电动机03、动力电池组06、太阳能光伏电池07、岸电箱08组成。101是与动力电池组连接的直流母排。推进系统300由发电机/电动机03、燃油发动机05、离合器04、变速箱02和螺旋桨01组成。
发电机/电动机03在电力推进状态下作为推进电动机使用，通过切换开关113和第一AC/DC变流器121接受直流母排101供电，此时第一AC/DC变流器121是一台可变频率逆变器。而在燃油发动机推进状态下，发电机/电动机03作为发电机使用，通过切换开关113和第一AC/DC变流器121向母排101送电，此时第一AC/DC变流器121成为一台可控整流器。
动力电池组06是船舶电力推进系统的主电源，正常航行情况下，电力推进系统主要由动力电池通过直流母排供电。动力电池组06接受充电的来源是：岸电箱08，发电机/电动机03，太阳能光伏电池07。
岸电由岸电箱08通过切换开关113接入，当切换开关113合到1时，可为靠泊状态下的船舶供电，或为动力电池充电储能。
太阳能光伏电池07通过DC/DC变流器123向直流母排供电，在阳光充足情况下，太阳能光伏电源可以作为辅助电源为船舶供电，剩余电力为动力电池组充电储能。
船舶正常航行状态下由动力电池组06通过直流母排101给发电机/电动机03供电，此时的03作为电动机运行，通过变速箱02驱动螺旋桨01推动船舶航行，此时离合器04为分断状态，燃油发动机05不工作。当动力电池组06储能用完或发生故障时，离合器04自动啮合，燃油发动机05通过离合器04、变速箱02带动螺旋桨01推动船舶航行。与此同时，同轴运行的03作为发电机运行，发出电能，通过切换开关113和第一AC/DC变流器121，为全船供电，或为动力电池06充电。
（2）实施方法
多能源混合动力的船舶电力推进系统，其运行状态有四种：①停航时岸电供电状态，②航行时动力电池供电的电力推进状态，③航行时燃油发动机推进状态，④锚泊时太阳能供电状态。
①停航时岸电供电状态
船舶靠泊停航后，利用码头岸电对动力电池组充电储能，使船舶在下一次开航时具备充足的电能。岸电供电状态如图2所示。岸电接电箱08连接岸电接插座，船上切换开关113合闸，为船舶靠泊状态下的动力电池组06充电储能。同时太阳能光伏电池07也为动力电池组06充电。
当为动力电池组06充电时，可通过控制面板112监控电池组电量，当电池组06的储能量低于一规定阈值（如60%额定容量）时，进行恒流充电控制；而当电池组5的储能量高于一规定阈值（如85%额定容量）时，进行恒压充电控制。
②航行时动力电池供电的电力推进状态
船舶航行时，由动力电池组06对发电机/电动机03以及其它用电负荷114实施供电。动力电池供电状态如图3所示。切换开关113合闸，动力电池组06通过第一AC/DC变流器121向03（此时03作为推进电动机运行）供电，电动机03通过变速箱02驱动螺旋桨01推进船舶。在此状态下，燃油发动机05停机不运行，太阳能光伏电池07向动力电池组06充电，船舶实现零排放。
③航行时燃油发动机推进状态
船舶航行时，当动力电池组06的蓄电量低于一规定阈值（如15%额定容量）时，或当动力电池组06发生故障不能维持供电时，将发出报警。此时系统将自动切换动力源，由燃油发动机05驱动螺旋桨01推进船舶。燃油发动机推进状态如图4所示。燃油发动机05起动后，离合器04啮合，通过变速箱02带动螺旋桨01转动，与此同时，同轴连接的03作为发电机运行，通过切换开关113及其第一AC/DC变流器121，由发电机03为动力电池组06充电。同时，太阳能光伏电池也为动力电池组充电。
④锚泊时太阳能供电状态
船舶锚泊状态时， 船舶停止航行，此时，依靠太阳能光伏电池板动力电池充电。锚泊时太阳能供电状态如图5所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种多能源混合动力的船舶电力推进系统，其特征在于，所述系统包括多能源供电系统，变流控制系统，推进系统；
所述多能源供电系统包括发电机/电动机、动力电池组、太阳能光伏电池和岸电箱，所述变流控制系统包括变流控制器、控制面板、切换开关、开关、第一AC/DC变流器、第二AC/DC变流器和DC/DC变流器，所述动力电池组连接两个AC/DC变流器和DC/DC变流器，所述第一AC/DC变流器连接切换开关，所述切换开关的两个触点分别连接岸电箱和发电机/电动机，所述第二AC/DC变流器通过开关连接其他用电负荷，所述DC/DC变流器连接太阳能光伏电池，所述控制面板连接变流控制器，所述变流控制器连接两个AC/DC变流器和DC/DC变流器；
所述推进系统包括发电机/电动机、燃油发动机、离合器、变速箱和螺旋桨，所述螺旋桨后连接变速箱，所述变速箱后同轴依次连接发电机/电动机、离合器、燃油发动机。
2.如权利要求1所述的多能源混合动力的船舶电力推进系统，其特征在于，所述动力电池组通过母排连接两个AC/DC变流器和DC/DC变流器。
3.一种如权利要求1所述多能源混合动力的船舶电力推进系统的实施方法，其特征在于，所述系统的运行状态有四种：①停航时岸电供电状态，②航行时动力电池供电的电力推进状态，③航行时燃油发动机推进状态，④锚泊时太阳能供电状态；
①停航时岸电供电状态
船舶靠泊停航后，利用码头岸电对动力电池组充电储能，使船舶在下一次开航时具备充足的电能，岸电箱连接岸电接插座，将船上切换开关合到岸电箱侧触点，为船舶靠泊状态下的动力电池组充电储能，同时太阳能光伏电池也为动力电池组充电，当为动力电池组充电时，通过控制面板监控动力电池组电量，当动力电池组的储能量低于规定阈值时，进行恒流充电控制，而当动力电池组的储能量高于规定阈值时，进行恒压充电控制；
②航行时动力电池供电的电力推进状态
船舶航行时，在动力电池供电状态下，推进轴上的发电机/电动机作为电动机运行，由动力电池组对电动机以及其它用电负荷实施供电，切换开关合闸到电动机侧，动力电池组通过第一AC/DC变流器向电动机供电，电动机通过变速箱驱动螺旋桨推进船舶；在此状态下，燃油发动机停机不运行，太阳能光伏电池向动力电池组充电；
③航行时燃油发动机推进状态
船舶航行时，当动力电池组的蓄电量低于规定阈值时，或当动力电池组发生故障不能维持供电时，将发出报警，此时系统将自动切换动力源，由燃油发动机驱动螺旋桨推进船舶，燃油发动机起动后，离合器啮合，通过变速箱带动螺旋桨转动，与此同时，同轴连接的发电机/电动机作为发电机运行，通过切换开关及第一AC/DC变流器，由发电机为动力电池组充电，同时，太阳能光伏电池也为动力电池组充电；
④锚泊时太阳能供电状态
船舶锚泊状态时，船舶停止航行，此时，依靠太阳能光伏电池为船舶照明等用电负荷供电，剩余电力为动力电池组充电。
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