CN109995182A - 船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法，包括：为船舶提供推进动力的主机系统、可储存能量的飞轮储能系统、配电系统和能量管理系统，船舶主机通过离合器传动连接有传动轴系，传动轴系前端设置有螺旋桨，传动轴系通过齿轮箱与轴带发电机连接，使传动轴系的旋转能够带动轴带发电机发电，或传动轴系在轴带发电机的驱动下旋转。本发明所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法，将飞轮储能系统应用于船舶，通过能量管理系统使飞轮储能装置与船舶主机联合工作，使主机可持续运转于低油耗工况，节省成本，并可维持船舶主机工作于较高负荷，有利于其运转以及减少有害排放，增加工作寿命，减少维修保养。

Description

船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及船舶主机领域，具体而言，尤其涉及一种船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法。

背景技术

海上货物运输以其运量大、运费低以及对货物适应性强等优点,成为国际贸易中主要的运输方式，尽管现在提出了全船电力推进的船舶，但是对于大型集装箱船、VLCC等大型船舶，未来一段时间内还是会采用传统的、效率高主机直接推进方式。

而每种机型的船舶主机均有其自己的油耗—功率曲线，以6S60ME-C8.2(Partload VT)为例，主机在75％负荷时，油耗率约为158.5g/kW.h，而在40％负荷时，油耗率约为167g/kW.h，大约上涨5.4％，而实际情况是，船舶在抛锚、等引水、靠离码头3～5小时，主机经常变负荷航行，有很多时候功率远远低于40％，油耗率会进一步升高导致油耗增加。另外由于低负荷、变负荷工况主机燃油、扫气不是最佳匹配，会导致排放超标、机器磨损加剧。

发明内容

根据上述提出船舶在抛锚、等引水、靠离码头3～5小时，主机经常变负荷航行，有很多时候功率远远低于40％，油耗率会进一步升高导致油耗增加，另外由于低负荷、变负荷工况主机燃油、扫气不是最佳匹配，会导致排放超标、机器磨损加剧的的技术问题，而提供一种船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法。本发明将飞轮储能系统应用于船舶，通过能量管理系统使飞轮储能装系统与船舶主机联合工作，使船舶主机可持续运转于低油耗工况，节省成本，维持船舶主机工作于较高负荷，有利于其运转以及减少有害排放，增加工作寿命，减少维修保养。

本发明采用的技术手段如下：

一种船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，包括：

主机系统，包括船舶主机、离合器、传动轴系、螺旋桨、齿轮箱和轴带发电机，所述船舶主机通过离合器传动连接有传动轴系，所述传动轴系前端设置有螺旋桨，且所述螺旋桨在传动轴系的驱动下旋转，推动船舶前进，所述传动轴系通过齿轮箱与轴带发电机连接，使所述传动轴系的旋转能够通过齿轮箱带动所述轴带发电机发电，或所述传动轴系通过齿轮箱在所述轴带发电机的驱动下旋转；

飞轮储能系统，包括飞轮、可逆式电动/发电机和真空室，所述飞轮和可逆式电动/发电机设于所述真空室，且所述可逆式电动/发电机用于驱动所述飞轮旋转蓄能或在飞轮的惯性旋转驱动下带动所述可逆式电动/发电机发电；

配电系统，包括主配电板、第一电子电力元件和第二电子电力元件，所述主配电板通过第一电子电力元件连接有所述轴带发电机，且所述轴带发电机通过第一电子电力元件向所述主配电板输送电力，或所述轴带发电机在主配电板分配的电力驱动下旋转，并通过齿轮箱、传动轴系带动所述螺旋桨旋转工作；

当船舶主机低负荷工况至指定值，所述轴带发电机发电，且将电力依次通过第一电子电力元件、主配电板和第二电子电力元件，传输至飞轮储能系统，驱动所述可逆式电动/发电机旋转，进而带动飞轮旋转蓄能；

当船舶主机高负荷工况至指定值，或故障不工作时，所述飞轮惯性旋转带动所述可逆式电动/发电机发电，且将电力依次通过第二电子电力元件、主配电板和第一电子电力元件，传输至所述轴带发电机，驱动所述轴带发电机旋转，通过齿轮箱带动传动轴系及螺旋桨旋转。

进一步地，所述真空室内设有旋转轴，所述旋转轴的前后两端分别设有第一轴承和第二轴承，所述飞轮和可逆式电动/发电机设于所述旋转轴上。

进一步地，所述的飞轮为高强度复合材料制成的高速飞轮。

进一步地，所述的可逆式电动/发电机采用直流永磁无刷同步电机。

进一步地，所述第一轴承和第二轴承为磁悬浮轴承，且在所述旋转轴上设有机械保护轴承，用于磁悬浮轴承失效时支撑旋转轴。

进一步地，所述第一电子电力元件和第二电子电力元件为具有双向变流功能的电力转换器。

进一步地，所述飞轮储能系统还设有监测飞轮转速的监控仪表。

本发明还提供了一种上述船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，包括以下步骤：

当船舶抛锚、等引水或进出港时，船舶主机处于低负荷、变负荷工况，此时，能量管理系统检测到船舶主机负荷低于一定值后，给飞轮储能系统发送信号，使飞轮储能系统工作于充电模式，此时可逆式电动/发电机以电动机方式运行，可逆式电动/发电机侧变流器驱动可逆式电动/发电机带动飞轮加速旋转，将处于发电机模式下的轴带发电机发出的电能转换为飞轮的动能，维持船舶主机在较高负荷下运行。

当船舶主机处于高负荷时，能量管理系统控制飞轮储能系统以放电模式运行，此时飞轮依靠惯性拖动可逆式电动/发电机发电，发出的电能供给处于电动机模式下以电动机方式工作的轴带发电机，通过齿轮箱使其和船舶主机共同驱动螺旋桨。

进一步地，预计进港前，在飞轮储能系统储存能量，进港后，飞轮依靠惯性拖动可逆式电动/发电机发电，且供给所述主配电板，用于负载耗电。

进一步地，当船舶主机故障不工作时，离合器断开，飞轮惯性旋转带动所述可逆式电动/发电机发电，且将电力传输至所述轴带发电机，驱动所述轴带发电机旋转，通过齿轮箱带动传动轴系及螺旋桨旋转。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、船舶主机可持续运转于低油耗工况，节省燃油费用。

2、船舶主机可维持工作于较高负荷，有利于其长时间运转，增加工作寿命，降低维修保养成本。

3、维持主机燃烧工况良好，从根本上减少有害物质产生，控制有害排放，满足排放要求。

4、飞轮储能系统储能密度大，效率高，可在船舶主机故障时通过给轴带发电机迅速供电为船舶提供紧急动力，增强了船舶安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置的示意图。

其中：1、船舶主机，2、离合器，3、传动轴系，4、轴带发电机，5、螺旋桨，6、主配电板，7、第一电子电力元件，8、第二电子电力元件，9、飞轮，10、第一轴承，11、可逆式电动/发电机，12、第二轴承，13、真空室，14、齿轮箱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，包括：为船舶提供推进动力的主机系统、可储存能量的飞轮储能系统、配电系统和能量管理系统(EMS)，所述主机系统包括船舶主机1、离合器2、传动轴系3、螺旋桨5、齿轮箱14和轴带发电机4，所述船舶主机1通过离合器2传动连接有传动轴系3，所述传动轴系3前端设置有螺旋桨5，且所述螺旋桨5在传动轴系3的驱动下旋转，推动船舶前进，所述传动轴系3与轴带发电机4通过齿轮箱14连接，使所述传动轴系3的低速旋转能够通过齿轮箱14增速后带动所述轴带发电机4发电，或所述传动轴系3通过齿轮箱14在所述轴带发电机4转子的驱动下旋转；所述飞轮储能系统包括飞轮9、可逆式电动/发电机11和真空室13，所述飞轮9和可逆式电动/发电机11设于所述真空室13，且所述可逆式电动/发电机11用于驱动所述飞轮9旋转蓄能或在飞轮9的惯性旋转驱动下带动所述可逆式电动/发电机11发电；所述配电系统包括主配电板6、第一电子电力元件7和第二电子电力元件8，所述主配电板6通过第一电子电力元件7连接有所述轴带发电机4，且所述轴带发电机4通过第一电子电力元件7向所述主配电板6输送电力，或所述轴带发电机4在主配电板6分配的电力驱动下旋转，并通过齿轮箱14、传动轴系3带动所述螺旋桨5旋转工作；

当船舶主机1低负荷工况至指定值，所述轴带发电机4发电，且将电力依次通过第一电子电力元件7、主配电板6和第二电子电力元件8，传输至飞轮储能系统，驱动所述可逆式电动/发电机11旋转，进而带动飞轮9旋转蓄能；当船舶主机1高负荷工况至指定值，或故障不工作时，所述飞轮9惯性旋转带动所述可逆式电动/发电机11发电，且将电力依次通过第二电子电力元件8、主配电板6和第一电子电力元件7，传输至所述轴带发电机4，驱动所述轴带发电机4旋转，通过齿轮箱14带动传动轴系3及螺旋桨5旋转。

在本发明的实施方式中，所述船舶主机1安装在机舱尾部，与螺旋桨5通过传动轴系3连接，推动船舶前进，所述轴带发电机4安装于船舶主机1与螺旋桨5之间，所述传动轴系3通过齿轮箱14带动所述轴带发电机4转子转动时，所述船舶主机1充当轴带发电机4的原动机。

在本发明的实施方式中，所述的能量管理系统包括发电管理子系统、负载管理子系统、配电管理子系统；所述的负载管理子系统具有负载功率检测、功率限制、负载解列等功能；所述的发电管理子系统可以控制发电机组的启动、停止、并车以及解列，对供电网络实时监测、控制；所述的配电管理子系统可实现电力配置及次序控制；能量管理系统检测船舶主机1负荷低于一定值(可设定)后，给飞轮储能系统发出信号，控制飞轮储能系统充电动作，充当一个用电负载，维持船舶主机1在较高负荷下运行，同理，当船舶主机1负荷高于一定值(可设定)时，控制飞轮储能系统放电动作。

在本发明的实施方式中，所述的船舶主机1为大型低速柴油机，燃烧重油对外做功；所述的轴带发电机4可以工作于电动机模式或发电机模式；所述的离合器2位于所述主机1与所述轴带发电机4之间，船舶主机1故障不工作时，离合器2可脱开，使轴带发电机4工作于电动机模式，飞轮储能系统放电通过轴带发电机4驱动螺旋桨5，提供紧急动力。

在本发明的实施方式中，所述的船舶主机1与所述飞轮储能系统通过所述的能量管理系统(EMS)联合工作；所述的能量管理系统具有检测所述主机1负荷、控制所述飞轮储能系统充放电的功能。

在本发明的实施方式中，所述真空室13内设有旋转轴，所述旋转轴的前后两端分别设有第一轴承10和第二轴承12，所述飞轮9和可逆式电动/发电机11设于所述旋转轴上。所述的飞轮9与所述电机11同轴连接，所述飞轮9工作于所述真空室13中，其主要作用是提供真空环境，降低可逆式电动/发电机11运行时的风阻损耗。

在本发明的实施方式中，所述的飞轮9为高强度复合材料制成的高速飞轮，所述高强度复合材料为玻璃纤维或碳纤维等，目的使飞轮9工作于更高转速，存储更多能量。

在本发明的实施方式中，所述的可逆式电动/发电机11采用直流永磁无刷同步电机，工作模式为电动/发电双向可逆式，其结构简单、运行效率高、调速性能好，例如，现有产品GTR200采用的可达36000转的高速永磁电机。

在本发明的实施方式中，所述第一轴承10和第二轴承12为磁悬浮轴承，且在所述旋转轴上设有机械保护轴承，用于磁悬浮轴承失效时支撑旋转轴，所述第一轴承10和第二轴承12为低损耗轴承，在真空环境中以无摩擦的状态承载，机械保护轴承的设置，在磁悬浮轴承失效时支撑旋转轴转子。

在本发明的实施方式中，所述第一电子电力元件7和第二电子电力元件8为具有双向变流功能的电力转换器，可提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，将输出电能变换(调频、整流或恒压等)为满足负荷供电要求的电能，所述的轴带发电机4通过所述轴带发电机侧第一电子电力元件7调频、调压、同步补偿后与所述主配电板6相连。

在本发明的实施方式中，所述飞轮储能系统还设有监测飞轮9转速的监控仪表。所述监控仪表还能够检测第一轴承10和第二轴承12的温度，真空室13真空度等参数，可以精准的检测到飞轮9所储存的能量。

如图1所示，一种上述船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，包括以下步骤：

当船舶抛锚、等引水或进出港时，船舶主机1处于低负荷、变负荷工况，此时主机1燃烧状况差，油耗高，排放超标，效率低，能量管理系统检测到船舶主机1负荷低于一定值后，给飞轮储能系统发送信号，使飞轮储能系统工作于充电模式，此时可逆式电动/发电机以电动机方式运行，可逆式电动/发电机11侧变流器驱动可逆式电动/发电机11带动飞轮9加速旋转，将处于轴发电机(Power take off，PTO)模式下的轴带发电机4发出的电能转换为飞轮9的动能，维持船舶主机1在较高负荷下运行，改善船舶主机1运行性能。

当船舶主机1处于高负荷时，能量管理系统控制飞轮储能系统以放电模式运行，此时飞轮9依靠惯性拖动可逆式电动/发电机11发电，发出的电能供给处于电动机(Powertake in，PTI)模式下以电动机方式工作的轴带发电机4，使其通过齿轮箱14和船舶主机1共同驱动螺旋桨5。

其余时刻飞轮储能系统工作于保持模式，该模式下飞轮转子9依靠惯性继续旋转，飞轮储能系统以最低损耗的方式运行。

在本发明的实施方式中，预计进港前，在飞轮储能系统储存能量，进港后，飞轮9依靠惯性拖动可逆式电动/发电机11发电，且供给所述主配电板6，用于其他负载耗电。

在本发明的实施方式中，当船舶主机1故障不工作时，离合器2断开，飞轮9惯性旋转带动所述可逆式电动/发电机11发电，且将电力传输至所述轴带发电机4，驱动所述轴带发电机4旋转，通过齿轮箱14带动传动轴系3及螺旋桨5旋转。

本发明所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法，将飞轮储能系统应用于船舶，通过能量管理系统使飞轮储能装置与船舶主机联合工作，使主机可持续运转于低油耗工况，节省成本，并可维持主机工作于较高负荷，有利于其运转以及减少有害排放，增加工作寿命，减少维修保养。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，包括：

主机系统，包括船舶主机、离合器、传动轴系、螺旋桨、齿轮箱和轴带发电机，所述船舶主机通过离合器传动连接有传动轴系，所述传动轴系前端设置有螺旋桨，且所述螺旋桨在传动轴系的驱动下旋转，推动船舶前进，所述传动轴系通过齿轮箱与轴带发电机连接，使所述传动轴系的旋转能够通过齿轮箱带动所述轴带发电机发电，或所述传动轴系通过齿轮箱在所述轴带发电机的驱动下旋转；

飞轮储能系统，包括飞轮、可逆式电动/发电机和真空室，所述飞轮和可逆式电动/发电机设于所述真空室，且所述可逆式电动/发电机用于驱动所述飞轮旋转蓄能或在飞轮的惯性旋转驱动下带动所述可逆式电动/发电机发电；

配电系统，包括主配电板、第一电子电力元件和第二电子电力元件，所述主配电板通过第一电子电力元件连接有所述轴带发电机，且所述轴带发电机通过第一电子电力元件向所述主配电板输送电力，或所述轴带发电机在主配电板分配的电力驱动下旋转，并通过齿轮箱、传动轴系带动所述螺旋桨旋转工作；

当船舶主机低负荷工况至指定值，所述轴带发电机发电，且将电力依次通过第一电子电力元件、主配电板和第二电子电力元件，传输至飞轮储能系统，驱动所述可逆式电动/发电机旋转，进而带动飞轮旋转蓄能；

当船舶主机高负荷工况至指定值，或故障不工作时，所述飞轮惯性旋转带动所述可逆式电动/发电机发电，且将电力依次通过第二电子电力元件、主配电板和第一电子电力元件，传输至所述轴带发电机，驱动所述轴带发电机旋转，通过齿轮箱带动传动轴系及螺旋桨旋转。

2.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述真空室内设有旋转轴，所述旋转轴的前后两端分别设有第一轴承和第二轴承，所述飞轮和可逆式电动/发电机设于所述旋转轴上。

3.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述的飞轮为高强度复合材料制成的高速飞轮。

4.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述的可逆式电动/发电机采用直流永磁无刷同步电机。

5.根据权利要求2所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述第一轴承和第二轴承为磁悬浮轴承，且在所述旋转轴上设有机械保护轴承，用于磁悬浮轴承失效时支撑旋转轴。

6.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述第一电子电力元件和第二电子电力元件为具有双向变流功能的电力转换器。

7.根据权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，所述飞轮储能系统还设有监测飞轮转速的监控仪表。

8.一种上述权利要求1所述的船舶主机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

当船舶抛锚、等引水或进出港时，船舶主机处于低负荷、变负荷工况，此时，能量管理系统检测到船舶主机负荷低于一定值后，给飞轮储能系统发送信号，使飞轮储能系统工作于充电模式，此时可逆式电动/发电机以电动机方式运行，可逆式电动/发电机侧变流器驱动可逆式电动/发电机带动飞轮加速旋转，将处于发电机模式下的轴带发电机发出的电能转换为飞轮的动能，维持船舶主机在较高负荷下运行；

当船舶主机处于高负荷时，能量管理系统控制飞轮储能系统以放电模式运行，此时飞轮依靠惯性拖动可逆式电动/发电机发电，发出的电能供给处于电动机模式下以电动机方式工作的轴带发电机，使其通过齿轮箱和船舶主机共同驱动螺旋桨。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，

预计进港前，在飞轮储能系统储存能量，进港后，飞轮依靠惯性拖动可逆式电动/发电机发电，且供给所述主配电板，用于负载耗电。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，

当船舶主机故障不工作时，离合器断开，飞轮惯性旋转带动所述可逆式电动/发电机发电，且将电力传输至所述轴带发电机，驱动所述轴带发电机旋转，通过齿轮箱带动传动轴系及螺旋桨旋转。