CN110114955A - 用于外加电流阴极保护的系统 - Google Patents

Abstract

一种系统提供对海事结构(50)的外加电流阴极保护(ICCP)，并且对被布置在所述海事结构(50)上并且与水(10)接触的负载装置(100)中的负载供电。所述电源提供供应电流以生成所述海事结构的电势。所述负载装置(100)具有被布置为从所述负载装置延伸到水中的电极(130)，以经由水来传输供应电流。所述负载(20)被耦合在电极(130)与功率节点(120)之间。所述电源被连接到所述海事结构和所述功率节点。所述负载装置被布置为使用所述供电电流对所述负载提供电力。此外，所述供应电压可以具有高频率的AC分量。所述负载可以是用于发射防污光的UV‑C LED。

Description

用于外加电流阴极保护的系统

技术领域

本发明涉及一种用于外加电流阴极保护的系统。所述系统包括电源和负载装置，所述负载装置要被布置在与水接触的海事结构上。所述电源被布置为生成所述海事结构相对于水的电势以用于外加电流阴极保护。所述负载装置可以从所述电源接收供应电流。

背景技术

在诸如海水或者在湖泊或河流中的淡水的天然水中操作的具有金属部件的结构在本文档中被称为海事结构，诸如船舶、石油钻塔，并且还包括码头、热交换单元、船舶中的海水箱、海上风力涡轮机、潮汐波发电机等。为了抵抗自然腐蚀，可以对这样的海事结构进行涂覆或漆涂。同样地，这样的海事结构常常配备有有源或无源阴极保护系统。因此，当保护涂层或油漆局部失效时，裸露的金属也可以防腐蚀。无源阴极保护系统使用牺牲性锌、铝或铁阳极，其随着时间电化学溶解；而有源阴极保护系统在使用由MMO-Ti(混合金属氧化物)涂覆的钛或Pt/Ti(钛涂铂)制成的阳极时外加DC电流。将DC电流外加到水中以生成海事结构相对于水的电势的有源系统被称为外加电流阴极保护或ICCP。

文献US 2006/0065551描述了一种用于测试由ICCP保护的金属结构的保护水平的腐蚀测试器。没有这样描述对ICCP系统供电，但是可以从船上的电池提供电力。用于操作腐蚀计的电力可以由内置电池来提供。

发明内容

可能需要在海事结构的表面处放置各种类型的电负载。例如，这样的负载可以是传感器或有源元件，其用于：监测或影响水、测量各种参数和/或主动地控制在海事结构的表面处的状况。例如，负载可以是UV光源，如UV LED，以对抗生物污染。所述负载可以被嵌入在载体中并且需要来自电源的供电。

这样的负载中的一个或多个负载以及用于对所述负载供电的电路和布线的组件在本文档中被称为负载装置。所述组件可以具有载体或者任何其他类型的外壳作为物理地承载一个或多个负载以及电力电路的机械元件。为了将相应的负载连接到电源，必须进行连接，例如，使用昂贵并且不可靠的电力线和电力连接器。

本发明的目的是提供一种ICCP系统，其能够以方便并且可靠的方式向海事结构的表面上的负载提供电力。

根据本发明，提供了一种用于对与水接触的海事结构进行外加电流阴极保护(ICCP)的系统。所述系统包括：电源，其被布置为提供供应电流以生成海事结构相对于水的电势，以用于外加电流阴极保护；以及负载装置，其被布置在所述海事结构上并且与水接触。所述负载装置包括：至少一个电极，其被布置为从所述负载装置延伸到水中，以用于经由水来传输供应电流；至少一个功率节点；以及至少一个负载，其被耦合在所述电极与所述功率节点之间并且被布置为获取负载电流。

所述电源具有用于连接到所述海事结构的第一极以及用于连接到所述功率节点的第二极。所述负载装置被布置为使用所述供应电流来提供所述负载电流。所述负载装置可以包括载体片材(sheet)，所述载体片材用于承载互连的多个电极和负载。

根据本发明，提供了一种对与水接触的海事结构进行外加电流阴极保护的方法，

-电源被布置在所述海事结构处，

-负载装置被布置在所述海事结构上并且与水接触，所述负载装置包括：至少一个电极，其被布置为从所述负载装置延伸到水中，以用于经由水来传输供应电流；至少一个功率节点；以及至少一个负载，其被耦合在所述电极与所述功率节点之间并且被布置为获取负载电流；所述电源的被连接到所述海事结构的第一极以及被连接到所述功率节点的第二极。所述方法包括：从所述电源提供供应电流，以生成所述海事结构相对于水的电势，以用于外加电流阴极保护，并且在所述负载装置中使用所述供应电流来提供所述负载电流。

根据本发明，提供一种用于安装如上文所定义的系统的方法，所述方法包括：将至少一个负载装置附接到海事结构的要被暴露于水的表面上；将所述电源的第二极连接到所述至少一个功率节点；并且将所述电源的第一极连接到所述海事结构以用于从所述电源提供供应电流而生成所述海事结构相对于水的电势，从而用于外加电流阴极保护，并且在所述负载装置中使用所述供应电流来提供负载电流。

当所述系统被安装在与水接触的海事结构上时，以上特征具有以下效果。ICCP系统具有电源以及被布置在所述海事结构的表面上的负载装置。所述电源提供供应电流以生成所述海事结构相对于水的电势，以用于外加电流阴极保护。此外，所述电源具有被连接到所述海事结构的第一极以及用于经由电流连接(例如，电力线或线缆)连接到负载装置的功率节点的第二极。

所述负载装置具有至少一个电极，所述至少一个电极被布置为从所述负载装置延伸到水中。所述负载装置具有被耦合在所述电极与所述功率节点之间的至少一个负载。耦合电路被布置为获取从所述电源到所述负载的负载电流。所述电极被布置用于将所述供应电流经由水传送到所述海事结构。

来自电源的所述供应电流被从所述第一极传导到所述海事结构，经由水传导到电极。随后，在所述负载装置中，所述供应电流经由耦合电路和负载从所述电极传导到所述功率节点。最后，所述供应电流经由电流连接从所述功率节点传导到所述电源的第二极。因此，形成双功能导电电路，其将所述负载耦合到所述电源以提供负载电流并且还提供ICCP电势。顺序地，在所述电源的第一极处开始的传导电路中，所述供应电流首先流到所述海事结构。接下来，电流从浸入在水中的所述海事结构流到水中。此时，生成针对ICCP的电势。接下来，电流从水中流入到延伸到水中的电极中。然后，导出所述负载电流并且从所述电极流到所述负载，并且然后，流到所述功率节点。最后，电流从所述功率节点流到所述电源的第二极。

有效地，所述负载装置被布置为使用所述供应电流来提供所述负载电流。相应地，所述电源被布置为针对负载提供额外的电力，例如在ICCP所需的电压顶部上的AC分量和/或额外的DC电压。例如，所述供应电流的部分可以经由负载来传导，构成所述负载电流，而另一部分经由耦合电路的其他元件被传导到所述电极。

有利地，ICCP所需的电流经由所述电流连接和所述负载装置朝向所述电极传导。因此，所述电极构成ICCP系统的阳极，而同时形成针对所述供应电流的传导电路，所述传导电路也被用于对所述负载供电。在所述传导电路中，水构成对所述电极的导电介质。所提出的ICCP系统仅需要从所述电源到所述负载装置的单个电流连接，从而为位于所述海事结构上的电负载供电，并且还提供ICCP所需的电流。此外，这样的单个电流连接易于安装，并且在安装期间不会出现布线错误。

在实施例中，所述负载装置具有要与水接触的前表面，并且所述至少一个电极是跨所述前表面分布的多个电极。有利地，通过跨所述表面分布的相应电极处的相对低的电流将ICCP电流局部地提供给水，从而避免在单个阳极处的集中的高电流。

在实施例中，所述至少一个负载是被耦合到所述至少一个电极的多个负载，所述负载是跨所述负载装置来分布的。有利地，提供分布式负载以跨所述负载装置(例如，跨船舶的由所述负载装置覆盖的表面)来执行其各自的功能。此外，当负载和对应的电极是跨所述表面分布时，形成分布式电极以产生所述ICCP。

在实施例中，所述电源被布置为提供供应电流，所述供应电流具有用于生成所述海事结构的电势的DC分量，以及用于提供所述负载电流的至少部分的交流分量，所述交流分量以高的频率交变，这避免了在至少一个电极处对电化学的净贡献。可以相对于所述海事结构施加DC分量，即，在水与所述海事结构的金属传导部分之间具有DC电压。有效地，所述DC分量提供了ICCP所需的外加电流。所述交流分量对ICCP没有贡献，并且还通过处于足够高的频率而避免了对至少一个电极处的电化学的净贡献。此外，所述电源可以被布置为提供具有在20kHz至200kHz的范围内、并且优选为大约100kHz的频率的交流分量。所述功率节点与所述电源的电流耦合有利地使得能够传输适合于负载的任何类型的AC电流和DC电流。任选地，可以通过调节交流分量的脉冲的脉冲宽度来提供所述DC分量。

同样地或备选地，所述DC分量可以包括DC偏移。有利地，ICCP与在要保护的表面上操作的负载(诸如用于防污的UV光源)组合提供。此外，当负载和对应的电极跨所述表面分布时，形成分布式电极以产生所述ICCP。所述电源与所述负载装置的连接使得所述电源能够经由被添加到供应电压的DC偏移来产生对所述海事结构的外加电流阴极保护。

任选地，所述电源被布置为在间隔内禁用所述DC分量和/或所述交流分量，并且测量所述海事结构的电势。同样地，任选地，ICCP所需的电流可以在ICCP间隔中提供，而负载所需的电流可以在另外的间隔内提供，所述间隔根据需要来重复，以便基本上独立地和间歇地具有负载和ICCP功能两者。对所述电势的测量可以连续地进行，例如，同时对测量结果进行平均，或者在一个或多个特定间隔中进行平均，以便减少DC分量和/或交流分量对测量的干扰。

在实施例中，所述负载装置包括供应电路，以在所述电极与所述功率节点之间传输所述供应电流，并且经由负载传导所述供应电流的至少部分，以提供所述负载电流。有效地，当负载需要小于ICCP电流的电流时，供应电路可以将ICCP电流的部分直接从所述功率节点传导到所述电极。任选地，所述供应电路包括齐纳(Zener)二极管，其用于在所述电极与所述功率节点之间传输所述供应电流的部分。

在实施例中，所述负载装置包括至少一个载体片材，所述至少一个载体片材承载互连的多个所述电极和负载。有利地，片材状载体能够被容易地安装在海事结构的表面上。任选地，所述负载装置包括多个载体片材，并且每个片材具有至少一个连接器元件，所述至少一个连接器元件用于在相邻片材之间连接所述功率节点。有利地，所述电流连接经由所述连接器元件方便地进行。

在实施例中，所述负载包括用于发射防污光的UV光源，其用于防止所述负载装置和/或所述海事结构的与水接触的表面的污染，水是含有生物污染生物体的污染液体。任选地，所述负载装置可以包括光学介质。在实际的实施例中，所述负载装置可以是平板或片材形式的光学介质，其中，前表面是用于发射防污光的发射表面，而所述光学介质的前表面和后表面基本上是平面的并且基本上彼此平行地延伸。在这样的实施例中，所述光学介质非常适合作为覆盖物被施加到所述海事结构的暴露表面。所述负载可以是适于发射紫外光的光源，诸如UV LED。使用紫外线进行抗生物污染的通常优点在于：防止了微生物体粘附和生根在表面上以保持清洁。所述光源可以被嵌入在光学介质中，或者可以被布置在所述光学介质的外部，在与所述光学介质相邻的位置处。

当所述光源适于发射紫外光时，有利的是所述光学介质包括紫外透明材料，诸如紫外透明硅树脂。在一般意义上，所述光学介质包括被配置为允许防污光的至少部分通过所述光学介质分布的材料的事实可以被理解为诸如暗示所述光学介质包括基本上对所述防污光透明的材料。

根据本发明的所述负载装置实际上可能包括单个光学介质和多个光源作为负载。所述介质还可以包括一个或多个反光镜(mirror)以将光反射到发射表面。在这样的情况下，所述负载装置的所述光学介质能够具有任何合适的形状和尺寸，其中，诸如LED的光源被分布在所述光学介质中，并且其中，由所述光源中的每个光源发射的光以最佳程度跨所述光学介质的所述发射表面来分布。所述光源能够被布置为与相应电极和功率节点的一系列并联连接。

本发明能适用在各种背景中。例如，根据本发明的所述负载装置可以被应用在海事船舶的背景中。任选地，要被暴露于水的海事结构具有包括以上负载装置的表面，其中，所述负载装置被附接到所暴露的表面，例如包括UV光源的负载，其用于当被浸入在包含生物污染生物体的污染液体时防止所暴露的表面的污染。

参考对以下实施例的详细描述，本发明的上述和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

参考在以下描述中并且参考附图以示例方式描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并且进一步阐明，在附图中：

图1示出了负载装置的示例；

图2示出了具有电容性前电极的负载装置的第二示例；并且

图3示出了具有电流性前电极的负载装置的第三示例。

这些图纯粹是图解性的，并且未按比例绘制。在图中，与已经描述的元件相对应的元件可以具有相同的附图标记。

具体实施方式

本发明涉及一种对与水(例如，海水)接触的金属结构的腐蚀防护的系统。当两种不同的金属(例如，具有青铜螺旋桨的铁质船舶)彼此电接触(例如，通过螺旋桨轴杆轴承或不同的铁的锚)并且这两种金属的部分或全部与(海)水接触时，一种材料(船体)比另一种材料(青铜螺旋桨)更容易溶解。此外，更容易溶解的金属将在第二种金属开始溶解之前消失，通常称为锈烂。

在(海)水中，铁缓慢但是稳定地溶解。因此，在没有足够的保护的情况下，铁质船舶将缓慢但是稳定地溶解并且最终由于船体穿透孔而下沉。

保护铁质船舶的一种方式是对其油漆。然而，一旦第一油漆贴片失效，铁就将立即开始在那个位置溶解。更糟糕的是，即使新的油漆涂层也带有孔，并且与船体接触的螺旋桨和方向舵经常没有涂漆，或者由于使用中的气蚀而从其涂覆层剥离。因此，防腐是必须的。

为了保护船舶免于溶解，能够应用不同的保护方法。众所周知的一种方法是无源阴极保护，其需要将更可溶解的金属螺栓连接到海事结构，诸如锌块或铝块。所述方法由于从锌或铝向铁海事结构的电子捐赠而起作用，其中，海事结构由此获取腐蚀抑制化学势，即，只要存在锌或铝，就确保并且维持了对海事结构的保护。

获取腐蚀抑制化学势的另一种方法被称为外加电流阴极保护(ICCP)，其通过DC电源来供应所需的电子。ICCP旨在通过在要保护的金属上创建电势来阻止腐蚀；相对于参考电极而测量到的电势为0.8-0.9V。电子作为DC电流从外加电流阳极发送到所述海事结构。选择阳极的材料不溶于(海)水，例如铂或铂涂钛。在无源系统中，电子流大部分是自我控制的。在ICCP中，必须控制电流，例如，可以暂时中断电流以测量铁是否已获得腐蚀抑制电势。因为发送到铁的太多电子导致水分解，所以需要进行控制。否则，可能形成氢气，而氢气继而能够溶解在铁中，使其变脆。必须避免过高电势的所谓“过度保护”。同样地，当施加的电流太小时，防腐是不足的。这样，基于测量所述电势控制来自电源的电流在ICCP系统中是公知的。关于ICCP系统的一般背景可以在参考文献[1]和[2]中找到。

电力与水的组合，特别是离岸工业的粗糙和恶劣环境，构成了真正的挑战。水在电流的影响下分解。在海水的情况下，其在DC电流下分解为氯气和氢气。在AC电流下，这两种气体在每个电极处交替地形成。这样的气体可能加剧钢船船体已经自然发生的腐蚀并且加速其他材料的降解。

所提出的系统实现了ICCP保护，同时对在阳极与电源之间串联添加的负载供电。尽管由于所述负载使用了功率的部分而导致功耗增加，但是当在有或没有负载的情况下生成相同的外加电流时，可以获得相同水平的防腐保护。通过基于测量电势来控制DC电流，所述海事结构获取针对ICCP的适当电势。使用供应电流的至少部分为所述负载供电，例如使用高频率的额外AC电流，以避免形成所述气体，如下文进一步阐述的。

在下文中，将参考应用场景来解释本发明，其中，所述负载装置被用于为UV光源(特别是LED)供电，其可以被安装到船体的暴露表面以对抗生物污染。然而，根据本发明，海事结构的表面上的任何其他负载可以被供电，例如，声纳单元或其他传感器。在将解释所公开的主题的各种实施例的细节之前，将讨论在这样的应用场景中对抗生物污垢的一般思想和已知方案。

在其寿命的至少部分期间暴露于水的表面的生物污染是公知的现象，这在许多领域中引起实质性问题。例如，在航运领域，已知船体上的生物污损会导致船舶阻力的严重增加，并且因此增加船舶的燃料消耗。在这方面，估计燃料消耗增加高达40％可能归因于生物污损。

通常，生物污染是在表面上的微生物、植物、藻类、小动物等的累积。根据一些估计，包含超过4000种生物体的超过1800种物种会造成生物污染。因此，生物污染是由各种各样的生物体引起的，并且涉及的不仅仅是藤壶和海藻附着到表面上。生物污染被分为包括生物膜形成和细菌粘附的微污染，以及包括较大生物体附着的宏观污染。由于独特的化学和生物学决定了什么阻止其沉淀，生物体也被归类为硬的或软的。硬污染生物体包括石灰质生物体，诸如藤壶、结壳苔藓虫、软体动物、多毛类和其他管虫以及斑马贻贝。软污染生物体包括非钙质生物，诸如海草、水合物、藻类和生物膜“粘液”。这些生物体一起形成污染群落。

如先前所提到的，生物污染产生了实质性问题。生物污染会导致机器停止工作和进水口堵塞，仅提到两个其他负面后果，而不是上文提到的船舶阻力增加。因此，抗生物污染的主题，即，去除或防止生物污染的过程，是众所周知的。

可以选取所述负载装置中的光源用于防污染以特定地发射C型紫外光，其也被称为UVC光，并且甚至更具体地，波长大致在220nm与300nm之间的光。在实践中，峰值效率在265nm附近实现，具有朝向更高和更低波长的下降。在220nm和300nm处，效率降低到～10％。

已经发现，大多数污染生物体通过将其暴露于特定剂量的紫外光而被杀死、变得不活跃或者不能繁殖。看起来适合于实现抗生物污染的典型强度是每平方米10mW。可以连续地或者以合适的频率来施加所述光，无论什么在给定情况下都合适，尤其是在给定光强度下。LED是一种类型的UVC灯，其可以用作负载装置的光源。事实上，LED通常能够被包含在相对小的封装中并且比其他类型的光源消耗更少的电力。同样地，LED能够很好地嵌入在材料板中。此外，LED能够被制造为发射各种所需波长的(紫外)光，并且能够高度控制其操作参数，最值得注意的是输出功率。LED可以是所谓的侧面发光LED，并且可以被布置在光学介质中，以便沿着片材的平面的方向发射防污光。

防污光可以通过包括硅树脂材料和/或UV级(熔融)二氧化硅的光学介质来分布，并且从光学介质以及从海事结构的表面发射防污光。UV-C辐射防止微生物体和大生物体的(初始)沉降，例如在船体上。生物膜的问题在于：由于生物体的生长，其厚度随着时间而增加，其表面变得粗糙。因此，阻力增加，需要引擎消耗更多燃料以维持船舶的巡航速度，并且因此操作成本增加。生物污染的另一种影响可能是管道散热器的冷却能力降低或者盐水进水过滤器和管道的流量减小。因此，服务和维护成本增加。

抵抗船体的生物污染的潜在解决方案能够是利用例如具有(一个或多个)嵌入式UV-C LED的UV-C透明材料的板来覆盖外部船体。这些板或者通常任何负载装置(即，消耗电能以生成光的元件或布置)位于水线下方。这是因为主要是浸没表面对生物污染敏感，并且因此导致阻力增加。因此，需要在水线下向负载输送电力。显然，防污解决方案不应当使ICCP系统失效。

各种负载，诸如生物污染防止系统的UV LED，需要电力。UV LED是两个带引线并且极性敏感的光源，其需要DC电流来操作。在常规方法中，有线导体能够被用于借助于电流接触来提供供应电流。然而，常规的全线方案需要复杂的布线和连接器方案，以便将电源与负载相连接。现在描述单线方法，其使用海水作为到浸入在海水中的功率发射器的普通导电介质，例如，金属船体(的部分)被连接到电源的一极。单线由如下文所描述的导体装置来提供，其与所述导电介质隔离。

图1示出了ICCP系统的示例。所述系统具有电源1和负载装置100。所述电源被布置为提供供应电流以生成海事结构50相对于水10的电势，以用于外加电流阴极保护。负载装置100被布置在所述海事结构上并且与水10相接触。所述负载装置具有从所述负载装置延伸到水中的电极130、功率节点120以及负载20。所述负载被耦合在电极130与功率节点120之间，并且被布置为从电源获取负载电流。

所述电源具有被连接到所述海事结构的第一极1b以及用于经由导体装置110(例如，电力线)连接到功率节点的第二极1a。在各种实施例中，来自电源的供应电流从所述第一极传导到所述海事结构，并且从该结构的表面经由水传导到所述电极。随后，在所述负载装置中，供应电流从电极经由耦合电路和负载传导到功率节点。最后，供应电流经由电流连接从功率节点传导到电源的第二极。所述电流连接可以由任何隔离的导体构成，例如，电力线、电力带、线缆或者任何其他导体装置。在图1的示例中，负载与电极和功率节点的耦合被示为直接有线连接2a、2c。所述负载装置中的耦合被布置为使用所述供应电流来提供所述负载电流。设想到了并且在后面讨论各种其他耦合电路。所述电源被布置为提供用于生成针对ICCP的外加电流的供应电压以及用于对负载进行供电的负载电流。例如，所述供应电压可以具有DC偏移以生成外加电流，并且具有AC分量以对所述负载供电，如下文参考图4所讨论的。实际上，所述电源可以具有单独的单元用于生成AC分量和/或DC分量，例如，整流器与AC电源分离以提供DC分量，并且可能还包括用于控制总功率和/或测量的其他电子元件。

在示例中，所述负载是用于防止暴露于构成导电介质的水10(例如，含有生物污染生物体的海水)的海事结构50的表面30的污染的光源20。负载装置100可以包括载体4，如虚线所指示的。示出导体装置110将功率节点120连接到电源的第二极1a。所述载体可以具有面向水的前表面102以及至少部分地覆盖所述海事结构的表面30的后表面101。负载20被示为嵌入在载体中并且被耦合在功率节点120与电极130之间，用于接收来自电源1的供应电流。电极130位于前表面101处，并且经由导体2c连接到负载。前电极130延伸到水10中，形成导电介质。功率节点120位于后表面处，并且经由导体2a连接到负载。

导体装置110经由供应线1a连接到电源1的极上。例如，所述导体装置可以具有金属条、光栅或网格或者另一种形式的隔离导体，其跨所述海事结构的表面分布并且被连接到电源。所述电源的另一极被耦合到海事结构自身，所述海事结构具有浸入在液体中的导电部分，例如，金属船体(的部分)。

所述载体可以包括光学介质并且成形为片状。所述光学介质的前表面可以构成发射表面，并且可以与载体的后表面基本上是平面的，所述表面基本上彼此平行地延伸。该图示意性示出了光学介质的部分、构成嵌入光学介质中的负载的LED以及可以存在于光学介质的后表面附近的反光镜40的截面视图。光束的可能路径借助于箭头来示意性地表示。所述光源可以适于发射紫外光，例如以上部分中阐明的UV-C LED。所述光学介质允许光的至少部分通过光学介质来分布，如从光源发出的箭头所示的，在光学介质层内部传播和反射。在示例中，示出并且解释了一个光源。在实践中，所述负载装置可以包括单个光学介质和多个光源，以及对应的相关联的多个反光镜。每个反光镜可以被电耦合到所述光源中的一个或多个光源。

所述反光镜可以构成功率节点、导电并且通过导线2a被电耦合到负载。例如，所述反光镜是反射的传导金属的薄金属层。所述反光镜的至少部分可以是散射层。

在实践中，所述负载装置可以具有多个负载，例如，多个光源和相关联电极的图案。多个反光镜可以覆盖延伸区域，同时基本上提供来自发射表面的同质光发射。在这样的布置中，电极可以由多个负载共享。

图2示出了也为负载供电的ICCP系统的第二实施例。所述系统具有电源201和负载装置200。所述电源可以包括AC波形发生器，并且被布置为提供供应电流以生成海事结构50相对于水10的电势，以用于外加电流阴极保护。例如，所述海事结构可以包括船舶的外部船体、螺旋桨、方向舵、锚等。负载装置200被布置在所述海事结构上并且与水10相接触。所述负载装置具有功率节点220、负载225以及至少一个电极230，例如由Pt制成。所述电极构成从所述负载装置延伸到水中的阳极。在所述电极与海事结构50之间形成共同的(海)水传导路径。所述负载被耦合在电极230与功率节点220之间，并且被布置为经由整流器电路235(在示例中为Graetz类型的桥式整流器)从所述电源获取负载电流。

所述电源具有被连接到海事结构50的第一极202以及用于经由导体装置210(例如，经由连接器元件连接到所述负载装置中的功率节点的隔离金属条的电力条布置)连接到功率节点的第二极203。在实践中，所述导体装置可能需要例如经由船体的馈通舱(也被称为隔离舱)通过海事结构的外部。

来自电源的供应电流从第一极传导到海事结构，并且从所述结构的表面经由水传导到电极230。随后，在负载装置中，所述供应电流从电极经由整流器电路和负载传导到功率节点220。最后，供应电流从功率节点经由导体装置传导到电源的第二极203。

图2中的示例示出了被安装或粘附在船舶的外部船体处的两个LED条或段，其可以被涂漆或者可以部分地不受保护。每组LED或条具有至少一个海水接触阳极，其形成共同海水返回和共同的功率节点。海水为海事结构50的未受保护的金属区域提供共同的导电路径，例如，船体的部分、螺旋桨或方向舵，或者在所述海事结构的海水浸没金属区域(例如，船首推进器隧道)中的其他部件。实际上，电流如何从发射器回流到船体、划痕、锚、螺旋桨以及其他短路并不重要。所述元件可以被嵌入在载体中，例如，被嵌入在硅树脂外壳中。跨更大表面的更多海水阳极和分布提供了更均匀的防腐蚀保护以及更低的船舶电子签名。

在图2中，在所述负载装置中的耦合被布置为使用所述供应电流来提供如下的负载电流。所述供应电流的任何DC或AC分量被整流，并且然后被传导到所述负载，在该示例中为LED。DC分量为ICCP保护提供电流，并且可以被控制以生成ICCP所需的大约0.8伏特至0.9伏特的DC(相对于参考电极)的电势。为了测量船体电势，需要一个参考来测量该电势。该电极是所谓的参考电极。参考电极的电势通过化学组成来固定，并且存在不同化学物质和电极材料的各种执行。由于海水是咸的，含有氯并且具有相当恒定的成分，因此银/氯化银参考电极是最合适的。更多的细节可以参见

https://www.corrosionpedia.com/an-overview-of-cathodic-protection-potential-measurement/2/2494.1

所述AC分量被整流，并且因此提供了负载电流。在示例中，总负载电流是DC分量和经整流的AC分量的总和。为了避免对电化学的净贡献，可以使用处在20kHz至200kHz的相对高的频率处AC来操作所述负载装置。通过水电解的气体形成速度在下端确定极限，因此，实际上至少高于20kHz，并且优选约为100kHz。

当涉及干扰时，可以基于要保护的船舶或结构的长度来确定上限。为防止无线电传输，发生器信号的波长应当小于船的长度的约1/10。例如，100kHz转换为在空气中的3000m的波长。所述负载装置可以被嵌入在具有约为2的介电常数的硅树脂中。因此，有效地，所述波长适合于长达150米的船舶。船尾和船首隔离舱能够跨300m。如果船长75m，则可以使用200kHz。由于发生器成本可能随着功率电平和频率而增加，因此优选采用较低频率，例如100kHz。此外，可以选择不保留用于广播或其他传输目的的频率，即可以自由使用的频率。

实际上，电化学也发生在高频下，但是，当频率足够高并且波形是对称的时，由于高频，对在电极处发生的电化学没有净贡献；净贡献意味着剩余的化学效应。当引入任何不对称时，例如，通过DC偏压或不对称波形造成的净DC偏移，在这两个电极处确实发生净电化学。因此，电化学这样并不意味着存在气体形成或沉积。对于DC，还有剩余影响；一个电极可以示出气体形成，而另一电极可以示出固体的沉积。在咸水的海事环境中，沉积物可能是钙质的。由于高频AC，该沉积物不会形成，但是可能由于ICCP的DC分量而形成。例如，可以在文献[3]中找到避免对电化学的净贡献的进一步描述，文献[3]描述了与电化学有关的频率和脉冲形状。

实际上，经由AC分量来驱动LED实现了对ICCP和LED的独立控制。例如，当针对LED的波形是对称的时，对ICCP没有净电流贡献，并且可以为ICCP提供单独的DC偏移电流。备选地，当使用不对称AC波形来驱动LED时，可以忽略单独的DC偏移。

在实施例中，针对所述负载所需的电流可以约等于或小于ICCP所需的电流。此外，所述负载装置可以具有供应电路，以在电极与功率节点之间传输任何过量的电源。过量电力意味着负载不需要的供应电流的部分，而所述供应电流的有用部分经由负载进行传导以提供所述负载电流。因此，供应电路具有过流保护功能。例如，所述供应电路可以具有可控旁路电路，例如，受控的FET半导体开关，其直接在电极与功率节点之间传输大部分供应电流。在附图中，所述供应电路由保护性二极管250来形成，在跨负载的电压超过预定最大值时，保护性二极管250传导供应电流的部分。特别地，所述供应电路可以包括齐纳二极管，其用于在电极与功率节点之间传输所述供应电流的部分。同样地，在LED将故障的情况下，仍然能够通过提供旁路的供应电路来维持ICCP保护。在实践中，这样的故障安全功能可能是重要的特征。

在实际的实施例中，尽管正常操作ICCP电流小于负载电流，但是也可以应用以上供应电路。例如，当船舶涂层严重受损时，ICCP电流要求可能大幅增加。ICCP控制单元现在确实可以增加ICCP电流，因为供应电路将用作针对负载的过电流保护。

对于许多类型的负载，所需的电流可能远远大于ICCP的电流。这样的负载电流可以经由所述AC分量来提供，而负载能够直接或者通过添加整流器来使用AC分量。所述电源可以通过脉冲序列(例如，正脉冲或负脉冲)来生成AC分量。可以通过DC偏移和对称的AC波或脉冲序列来生成AC分量。同样地，DC分量可以通过脉冲调制实现，例如，高度、宽度、时间控制、周期性或者其任何组合。

在实施例中，用于ICCP的DC分量由供应电压的正脉冲和负脉冲的不对称性来提供。通过调制相应脉冲的脉冲宽度和/或脉冲形状来实现不对称性。结果，所述海事结构被充电和放电，由于不对称而具有净产生的电荷。

在另外的实施例中，所述电源被布置为在间隔中禁用DC分量和/或交流分量并且测量所述海事结构的电势。仅在船体自身提供电势时才能测量船体电势。船舶可以被解释为浮动的电池，其必须始终被充电到所需的电势。如果电势低于目标，则可以增加DC分量，并且反之亦然。

在另外的实施例中，ICCP所需的电流可以在ICCP间隔中提供，而负载所需的电流可以在负载间隔中提供。可以根据需要重复ICCP和负载间隔，以便基本上独立地和间歇地控制负载功能和ICCP功能两者。例如，在短时间间隔内暂时关闭UV光源将不妨碍防污。

在另外的实施例中，可以在规则时刻以这样的序列插入测量间隔，以检测是否要改变DC分量。同样地，可以在特定间隔期间执行测量，以便减少DC分量和/或交流分量与测量的干扰。应当注意，DC分量可以由基本上恒定的DC电流分量来构成，该DC电流分量基于这样的测量来间歇地调节，例如，在常规时刻测量。在实践中，大型海事结构表现得有点像充电和放电的大电池，这是一种相对缓慢的现象。备选地，例如，在对测量结果求平均的同时，可以连续地执行对电势的测量。

任选地，所述载体可以被成形为瓦块(tile)并且包括多个所述负载。所述负载可以具有互连的功率节点。在多个载体的情况下，例如，在防污层的瓦块中，所述导体装置可以具有从瓦块到瓦块连接的另外的电线。出于该目的，在瓦块层下方，导体装置可以具有单独的金属丝网、鱼骨或类似图案的层，其局部电流耦合到该导体层顶部上的防污瓦块的功率节点。

备选地，能够使用瓦块下方的层中的局部互连贴片的网格来连接瓦块中的互补部分。例如，所述负载装置可以具有与瓦块的边缘相对应的连接器元件，以用于互连相邻的瓦块。所述载体可以在边缘上被设置有连接器元件，而所述导体装置在与边缘相对应的位置上具有互补的连接器元件。

图3示出了具有电流前电极的负载装置的第三示例。在该示例中，负载是用于发射防污光的反并联UV-C LED的集合325，其被耦合在如黑点所示的电极与功率节点之间。所述负载装置包括如由虚线所指示的载体300以及被示为与连接器320的导体相耦合的导体装置310。在实际实施例中，所述导体装置可以具有以跨所述海事结构的表面分布的图案来布置的金属导体，其用于耦合到一个或多个载体的多个连接器元件。所述连接器元件可以位于负载装置的后侧和/或边缘。所述导体装置可以具有多导线线缆，所述多导线线缆被配置为将所述导线连接到电源的一个极，并且用于将导线分离和分布在海事结构的表面上，以耦合到多个连接器元件。备选地，所述导体装置可以具有金属丝网，所述金属丝网被构造为用于耦合到多个载体中的多个连接器元件，并且将金属丝网分布在海事结构的表面上。所述连接器元件可以被布置为与金属导体电流耦合。

所述负载装置可以类似于图2中所示的示例，并且具有由如由Pt/Ti制成的电线电极构成的电极330，其延伸到液体10中。以这种方式，所述电极构成经由海水到电源301的导电连接。

在所述ICCP系统中组合对所述负载进行供电，所述ICCP系统可以被安装在所述海事结构上。可以使用来自电源301或单独的ICCP电源的DC电流来独立地对ICCP供电。为了避免过电流情况和电化学，可以使用处于相对高的频率的AC来操作所述负载装置，而ICCP相关部件使用DC来操作。因此，能够在仍然使用相同的有线基础设施的同时独立控制负载装置和ICCP，这降低了成本。选择用于对LED供电的高频率避免了通过AC电流发生到LED的电化学。在另一方面，所述ICCP系统仅需要低电流，其可以经由LED流动。因此，ICCP电流不显著影响UVC LED输出以防止污染。有利地，ICCP结构可以被设置有由延伸到海水中的发射器(电极330)构成的阳极的分布式集合，这提高了腐蚀保护的可靠性。同样地，不是导致高度集中的ICCP电流的数个分立阳极，传导低ICCP电流的所述多个阳极跨船体分布，由此减少了船舶的电特征和磁特征。

为了电安全性并且当被损坏时继续操作，在导体装置中的公共供应线可能是冗余的、良好隔离和熔断的。在供应线损坏的情况下，可能对海水产生一个或多个不受电流限制的短路，并且因此可能对方向舵和/或螺旋桨(轴)或直接对船体产生所述短路。然后可以禁用冗余和/或熔断的供应线，例如，从所述导体装置的供应线断开。例如，具有多个负载的载体也可以经由连接器元件具有多个连接到所述导体装置的不同部分。当禁用这样的部件中的一些部件时，仍然可以经由导体装置的其他部分或者经由到其他载体的一个或多个环通连接来提供电力。环通可以提供用于维持与大多数瓦块的电连接的方法，同时内部或朝向其他瓦块的一些连接被破坏。如果在支撑层中的金属网线的一部分被破坏，则发生类似的冗余。然而，损坏也可能导致主电源导线与海水或船体之间的直接电连接。对于这种情况，提出了限流或熔断方法。

图4示出了电源的输出电压。在示意图400中，沿Y轴在垂直方向上示出了供应电压，并且沿X轴水平示出了时间。所述输出电压可以由电源1、201、301来生成，如在图1、2或3中所示的。图4示出了作为对称正弦波的AC分量410以及作为恒定电压DC偏移的DC分量420以产生ICCP。正弦波的频率可以约为100kHz

本领域技术人员将清楚，本发明不限于前文所讨论的示例，而是可以进行若干修改和改进。尽管已经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述仅被认为是说明性或示例性的而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。附图是示意性的，其中可以忽略对理解本发明不需要的细节，并且附图不一定按比例。

根据研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他步骤或元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。本领域技术人员将理解本文中使用的术语“包括”涵盖术语“由...组成”。因此，术语“包括”可以关于实施例意指“由...组成”，但在另一实施例中可以表示“包含/包括至少所定义的种类和任选的一种或多种其他种类”。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。

除非另外明确说明，否则针对特定实施例讨论或与特定实施例相关的元件和方面可以适当地与其他实施例的元件和方面组合。因此，在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

最后，预见到使用上述系统，特别是使用被安装到海事结构的暴露表面上的负载装置，用于当浸入含有生物污染生物体的污染液体中时防止暴露表面的污染。因此，根据本发明的负载装置可以被应用在船舶的船体上。暴露表面的其他示例包括箱式冷却器的外表面、海底离岸设备的表面、水库的内壁(如船舶的压载舱)以及海水淡化厂中的过滤系统的过滤表面。

总之，ICCP系统提供对海事结构的外加电流阴极保护，并且为布置在所述海事结构上并且与水接触的负载装置中的负载提供电力。所述电源提供供应电流以生成海事结构的电势。所述负载装置具有电极，所述电极被布置为从负载装置延伸到水中，以用于经由水来传输供应电流。所述负载被耦合在电极与功率节点之间。所述电源被连接到海事结构和功率节点。所述负载装置被布置为使用所述供应电流为所述负载提供电力。此外，所述供应电压可以具有高频率的AC分量。所述负载可以是用于发射防污光的UV-C LED。

参考文献：

[1]Corrintec Ltd的David Moran的“The 10most frequently asked questionsabout corrosion”(paper presented at International seminar for theconstruction,management and operation of luxury yachts；Project 2002-Amsterdam-Holland 2002)

[2]Aish Technologies Limited,Poole UK的Barry Torrance的“Low SignatureImpressed Current Cathodic Protection–New Developments–Future Concpets”(论文于2005年6月发表于"Underwater Defense Technology Europe"以及于2006年2月发表于"Recent Advances in Cathodic Protection"，University of Manchester)

[3]Vitaly B Svetovoy，Remco G P Sanders和Miko C Elwenspoek的“Transientnanobubbles in short-time elecrolysis”；Journal of Physics:Condensed Matter 25(18.04.2013)

Claims (15)

1.一种用于对与水(10)接触的海事结构(50)进行外加电流阴极保护(ICCP)的系统，所述系统包括：

-电源(1、201、301)，其被布置为提供供应电流以生成所述海事结构相对于所述水的电势以用于所述外加电流阴极保护，以及

-负载装置(100)，其被布置在所述海事结构(50)上并且与所述水(10)接触，所述负载装置包括：

-至少一个电极(130)，其被布置为从所述负载装置延伸到所述水中以用于经由所述水来传输所述供应电流，

-至少一个功率节点(120)，以及

-至少一个负载(20)，其被耦合在所述电极与所述功率节点之间并且被布置为获取负载电流，

所述电源具有用于连接到所述海事结构的第一极(1a)以及用于连接到所述功率节点的第二极(1b)；

其中，所述负载装置被布置为使用所述供应电流来提供所述负载电流。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述负载装置(100)具有与所述水接触的前表面(102)，并且所述至少一个电极是跨所述前表面分布的多个电极。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个负载(20)是被耦合到所述至少一个电极的多个负载，所述负载是跨所述负载装置分布的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述电源(1、201、301)被布置为提供所述供应电流，所述供应电流具有：

-用于生成所述海事结构的所述电势的DC分量(420)，以及

-用于提供所述负载电流的至少部分的交流分量(410)，所述交流分量以高的频率交变，避免了对在所述至少一个电极处的电化学的净贡献。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述DC分量包括DC偏移，和/或所述DC分量是通过调节所述交流分量的脉冲的脉冲宽度来提供的。

6.根据权利要求4-5中的任一项所述的系统，其中，所述电源被布置为提供具有在20kHz至200kHz的范围内、并且优选为大约100kHz的频率的交流分量。

7.根据权利要求4-6中的任一项所述的系统，其中，所述电源被布置为在间隔中禁用所述DC分量和/或所述交流分量，以实现对所述海事结构的所述电势的测量。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述负载装置包括供应电路(250)，以在所述电极与所述功率节点之间传输所述供应电流，并且经由所述负载来传导所述供应电流的至少部分以提供所述负载电流。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述供电电路(250)包括齐纳二极管，所述齐纳二极管用于在所述电极与所述功率节点之间传输所述供应电流的部分。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述负载包括UV光源，所述UV光源用于发射防污光以用于对所述负载装置和/或所述海事结构与所述水接触的表面进行防污，所述水是包含生物污染生物体的污染液体。

11.一种用于在对与水(10)接触的海事结构(50)进行外加电流阴极保护(ICCP)的系统中使用的负载装置，所述系统还包括：

-电源(1、201、301)，其被布置为提供供应电流以生成所述海事结构相对于所述水的电势以用于所述外加电流阴极保护，所述电源具有用于连接到所述海事结构的第一极(1a)以及用于连接到所述负载装置的功率节点的第二极(1b)，所述负载装置被布置在所述海事结构(50)上并且与所述水(10)接触；

其中，所述负载装置包括：

-至少一个电极(130)，其被布置为从所述负载装置延伸到所述水中以用于经由所述水来传输所述供应电流，

-至少一个功率节点(120)，以及

-至少一个负载(20)，其被耦合在所述电极与所述功率节点之间并且被布置为获取负载电流，其中，所述负载装置被布置为使用所述供应电流来提供所述负载电流，并且所述负载装置(100、200、300)包括载体片材(4)，所述载体片材承载互连的多个所述电极和所述负载。

12.根据权利要求11所述的负载装置，其中，所述负载装置包括多个载体片材，并且每个片材具有至少一个连接器元件(320)，所述至少一个连接器元件用于连接相邻片材的所述功率节点。

13.一种具有要被暴露于水的表面(30)的海事结构(50)，所述海事结构包括根据权利要求1至10中的任一项所述的系统，其中：

-所述负载装置(100、200、300)被布置在所述海事结构的所述表面上；

-所述电源(1、201、301)的所述第一极被连接到所述海事结构以用于将所述供应电流从所述电源传送到所述负载装置以生成所述海事结构相对于所述水的所述电势，以用于所述外加电流阴极保护，并且

-所述电源的所述第二极被电流连接到所述至少一个功率节点(120、220、320)。

14.一种用于对与水(10)接触的海事结构(50)进行外加电流阴极保护(ICCP)的方法，

-电源(1、201、301)被布置在所述海事结构处，

-负载装置(100、200、300)被布置在所述海事结构(50)上并且与所述水(10)接触，所述负载装置包括：

-至少一个电极(130、230、330)，其被布置为从所述负载装置延伸到所述水中以用于经由所述水来传输供应电流，

-至少一个功率节点(120、220、320)，以及

-至少一个负载(20)，其被耦合在所述电极与所述功率节点之间并且被布置为获取负载电流，

-所述电源的第一极被连接到所述海事结构，并且第二极被连接到所述功率节点；

所述方法包括：

-从所述电源提供供应电流以生成所述海事结构相对于所述水的电势以用于所述外加电流阴极保护，并且

-在所述负载装置中使用所述供应电流来提供所述负载电流。

15.一种安装根据权利要求1至10中的任一项所述的系统的方法，所述方法包括：

-将至少一个负载装置(100、200、300)附接到海事结构(50)要被暴露于水(10)的表面；

-将所述电源的所述第二极连接到所述至少一个功率节点(120、220、320)；并且

-将所述电源的所述第一极连接到所述海事结构以用于从所述电源提供供应电流，以生成所述海事结构相对于所述水的电势以用于所述外加电流阴极保护，并且在所述负载装置中使用所述供应电流来提供所述负载电流。