CN109878682A - 一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统，包括气体机、发电机、电动机、燃料电池、蓄电池、离合器、齿轮箱、螺旋桨、天然气存储供给装置、变电装置、岸电装置、船舶电网、船舶负载。气体机通过离合器与齿轮箱相连，电动机和发电机分别通过离合器与齿轮箱相连，螺旋桨直接与电动机输出端相连，电力源为燃料电池、蓄电池和发电机。本发明采用多样化的能量布置形式，具有多种工作模式，可以满足船舶在各种环境和工况下的需求，可以使气体机、电动机始终维持在高效率区，降低了船舶动力系统的燃料消耗和排放，同时改善了船舶的动力响应，并扩大了船舶的适航区域。

Description

一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统

技术领域

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。

发明内容

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燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统，其特征是：包括气体机、发电机、齿轮箱、第一电动机、第二电动机、LNG储液罐，所述齿轮箱包括第一-第五齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第四齿轮分别与第三齿轮和第五齿轮啮合，气体机通过第一离合器连接第一齿轮，发电机通过第二离合器连接第二齿轮，第一齿轮和第四齿轮通过第三离合器相连，第一电动机通过第四离合器连接第三齿轮，第二电动机通过第五离合器连接第五齿轮，第一螺旋桨连接第一电动机，第二螺旋桨连接第二电动机，LNG储液罐通过气化换热器分别连接气体机和燃料电池，蓄电池、燃料电池、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、第一电动机和第二电动机连接船舶电网。

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+发电机推进模式；

气体机推进模式：第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开，第一电动机、第二电动机的电源断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机驱动；

气体机+发电机推进模式：所有离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，气体机所发出的功率一部分驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，另一部分带动发电机发电，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、混合供电推进模式、气体机发电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：离合器全部断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，所需电能由蓄电池经船舶电网提供；或者，第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机或第二电动机单独驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨；

燃料电池推进模式：所有离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电力由燃料电池经船舶电网提供；或者，第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机或第二电动机单独驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨；

混合供电推进模式：所有离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电力由蓄电池和燃料电池经船舶电网提供；或者，第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机或第二电动机单独驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨；

气体机发电推进模式：第一离合器、第二离合器闭合，其他离合器断开，气体机带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；或者，第一离合器、第二离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第三离合器断开，气体机带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机或第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，通过岸电充电装置外接电源为蓄电池充电。

3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机、第一电动机和第二电动机驱动，第一电动机和第二电动机所需电能由船舶电网提供；或者，第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开；第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机和第一电动机驱动，第一电动机所需电能由船舶电网提供，或者，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机和第二电动机驱动，第二电动机所需电能由船舶电网提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，气体机所发出的一部分功率和第一电动机、第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网；或者所有离合器闭合，气体机所发出的一部分功率和第一电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机所需电能由船电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网，或者，气体机所发出的一部分功率和第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第二电动机所需电能由船电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网。

本发明的优势在于：

1.本发明提出了一种带燃料电池的单机双桨式船舶混合动力系统，设置有气体机、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。

2.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。

3.气体机搭配燃料电池的供气需求与仅布置有气体机或燃料电池时的成本更加优化。同时燃料电池与蓄电池相结合作为电力供给装置，蓄电池弥补了燃料电池动力响应差、无法充电的缺点，燃料电池弥补了蓄电池容量低、效率低的缺点，并且可以有效延长蓄电池的使用寿命。

4.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，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，本发明一种带燃料电池的单机双桨式船舶混合动力系统，包括船舶电网1、蓄电池变电装置2、蓄电池3、船舶负载4、岸电装置5、燃料电池变电装置6、发电机变电装置7、燃料电池8、发电机9、离合器10a、10b、10c、10d、10e、电动机11a、11b、螺旋桨12a、12b、齿轮箱13、LNG罐14、气化换热器15、气体机16。气体机16输出端通过离合器10a与齿轮箱13的输入端相连，发电机9、电动机11a、11b分别通过离合器10b、10d、10e与离合器输出端相连，螺旋桨12a、12b与电动机11a、11b的输出端相连。LNG罐14通过气化换热器15与气体机16和燃料电池8相连。蓄电池3、燃料电池8、发电机9分别通过变电装置2、6、7与船舶电网相连，岸电装置5、船舶负载4和电动机11a、11b与船舶电网相连。

本实施例中，气体机16优选纯天然气发动机或双燃料发动机，发电机9、电动机11a、11b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3优选成本低、可靠性好的铅酸蓄电池或功率密度高、体积重量小的锂离子电池，燃料电池8为天然气作为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池或固体氧化物型燃料电池或磷酸型燃料电池，气化换热器15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+发电机推进模式。

1)气体机推进模式：在该种工作模式下，离合器10a、10c、10d、10e闭合，其他离合器断开，电动机11a、11b的电源断开，螺旋桨12a、12b由气体机16驱动。

2)气体机+发电机推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，电动机11a、11b电源断开，气体机16所发出的功率一部分驱动螺旋桨12a、12b另一部分带动发电机9发电，所发电能汇入船舶电网1。

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、混合供电推进模式、气体机发电推进模式、岸电充电模式。

1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，离合器全部断开，螺旋桨12a、12b由电动机11a、11b驱动，所需电能由蓄电池3经船舶电网1提供；或者，离合器10c、10d、10e闭合，其他离合器断开，电动机11a或11b单独驱动螺旋桨12a、12b。

2)燃料电池推进模式：在该种工作模式下，所有离合器断开，螺旋桨12a、12b由电动机11a、11b驱动，电动机11a、11b所需电力由燃料电池8经船舶电网提供；或者，离合器10c、10d、10e闭合，其他离合器断开，电动机11a或11b单独驱动螺旋桨12a、12b。

3)混合供电推进模式：在该种工作模式下，所有离合器断开，螺旋桨12a、12b由电动机11a、11b驱动，电动机11a、11b所需电力由蓄电池3和燃料电池8经船舶电网提供；或者，离合器10c、10d、10e闭合，其他离合器断开，电动机11a或11b单独驱动螺旋桨12a、12b。

4)气体机发电推进模式：在该种推进模式下，离合器10a、10b闭合，其他离合器断开，气体机16带动发电机9发电，所发电能汇入船舶电网1，螺旋桨12a、12b由电动机11a、11b驱动，电动机11a、11b所需电能由船舶电网1提供；或者，离合器10a、10b、10d、10e闭合，其他离合器断开，气体机16带动发电机9发电，所发电能汇入船舶电网1，螺旋桨12a、12b由电动机11a(或者11b)驱动，电动机11a(或者11b)所需电能由船舶电网1提供

5)岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，可通过岸电充电装置5外接电源为蓄电池3充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式。

1)气体机+电动机推进模式：在该种工作模式下，离合器10a、10c、10d、10e闭合，其他离合器断开，螺旋桨12a、12b由气体机16和电动机11a、11b驱动，电动机11a、11b所需电能由船舶电网1提供；或者，离合器10a、10c、10d、10e闭合，其他离合器断开，螺旋桨12a、12b由气体机16和电动机11a(或者11b)驱动，电动机11a(或者11b)所需电能由船舶电网1提供。

2)气体机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，气体机16所发出的一部分功率和电动机11a、11b共同驱动螺旋桨12a、12b，电动机11a、11b所需电能由船舶电网1提供，气体机16的另一部分功率带动发电机9发电，所发的电能汇入船舶电网1；或者所有离合器闭合，气体机16所发出的一部分功率和电动机11a(或者11b)共同驱动螺旋桨12a、12b，电动机11a、11b所需电能由船电网1提供，气体机16的另一部分功率带动发电机9发电，所发的电能汇入船舶电网1。

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可以不用布置发电用的船舶柴油辅机，船舶负载4所需要的电力由蓄电池3或燃料电池8提供，若发电机9运行时则优先使用其发出的电能，船舶负载4用电的优先级是：发电机9大于燃料电池8大于蓄电池3。

Claims (5)

1.一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统，其特征是：包括气体机、发电机、齿轮箱、第一电动机、第二电动机、LNG储液罐，所述齿轮箱包括第一-第五齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第四齿轮分别与第三齿轮和第五齿轮啮合，气体机通过第一离合器连接第一齿轮，发电机通过第二离合器连接第二齿轮，第一齿轮和第四齿轮通过第三离合器相连，第一电动机通过第四离合器连接第三齿轮，第二电动机通过第五离合器连接第五齿轮，第一螺旋桨连接第一电动机，第二螺旋桨连接第二电动机，LNG储液罐通过气化换热器分别连接气体机和燃料电池，蓄电池、燃料电池、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、第一电动机和第二电动机连接船舶电网。

2.根据权利要求1所述的一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统，其特征是：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+发电机推进模式；

气体机推进模式：第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开，第一电动机、第二电动机的电源断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机驱动；

气体机+发电机推进模式：所有离合器闭合，第一电动机、第二电动机电源断开，气体机所发出的功率一部分驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，另一部分带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网。

3.根据权利要求1或2所述的一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统，其特征是：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、混合供电推进模式、气体机发电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：离合器全部断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，所需电能由蓄电池经船舶电网提供；或者，第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机或第二电动机单独驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨；

燃料电池推进模式：所有离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电力由燃料电池经船舶电网提供；或者，第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机或第二电动机单独驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨；

混合供电推进模式：所有离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电力由蓄电池和燃料电池经船舶电网提供；或者，第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，其他离合器断开，第一电动机或第二电动机单独驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨；

气体机发电推进模式：第一离合器、第二离合器闭合，其他离合器断开，气体机带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机、第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；或者，第一离合器、第二离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第三离合器断开，气体机带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网，第一螺旋桨、第二螺旋桨由第一电动机或第二电动机驱动，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供；

岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，通过岸电充电装置外接电源为蓄电池充电。

4.根据权利要求1或2所述的一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统，其特征是：采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机、第一电动机和第二电动机驱动，第一电动机和第二电动机所需电能由船舶电网提供；或者，第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开；第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机和第一电动机驱动，第一电动机所需电能由船舶电网提供，或者，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机和第二电动机驱动，第二电动机所需电能由船舶电网提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，气体机所发出的一部分功率和第一电动机、第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网；或者所有离合器闭合，气体机所发出的一部分功率和第一电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机所需电能由船电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网，或者，气体机所发出的一部分功率和第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第二电动机所需电能由船电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网。

5.根据权利要求3所述的一种带燃料电池的单机双桨式气电混合船舶动力系统，其特征是：采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机、第一电动机和第二电动机驱动，第一电动机和第二电动机所需电能由船舶电网提供；或者，第一离合器、第三离合器、第四离合器、第五离合器闭合，第二离合器断开；第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机和第一电动机驱动，第一电动机所需电能由船舶电网提供，或者，第一螺旋桨、第二螺旋桨由气体机和第二电动机驱动，第二电动机所需电能由船舶电网提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，气体机所发出的一部分功率和第一电动机、第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机、第二电动机所需电能由船舶电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网；或者所有离合器闭合，气体机所发出的一部分功率和第一电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第一电动机所需电能由船电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网，或者，气体机所发出的一部分功率和第二电动机共同驱动第一螺旋桨、第二螺旋桨，第二电动机所需电能由船电网提供，气体机的另一部分功率带动发电机发电，所发的电能汇入船舶电网。