CN110374746A - 一种船用多相可增程蓄能系统及具有其的船舶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用多相可增程蓄能系统及具有其的船舶，由多相联合蓄能装置、能量转换和回收利用装置、增程装置、安全防护装置及检测控制装置等组成，以气态、液态、固态三相蓄能装置联合蓄能，可利用多种清洁、可再生能源或传统能源实现增程，输出直流电能。其应用体系可涵盖多种船舶和具有其的分布式与集中式补能基站。该类基站可利用多种可再生能源和传统能源蓄能，并以充气、充电等方式为具有该蓄能系统的船舶等运输机械补充能量，还可用发电、供热、制冷、海水淡化等方式输出所蓄能量，扩展了可再生能源的利用领域。

Description

一种船用多相可增程蓄能系统及具有其的船舶

技术领域

本发明属于新能源技术应用领域，尤其涉及一种船用多相可增程蓄能系统及具有其的船舶。

背景技术

可再生能源和新能源的应用是当前国内外都十分重视的问题，但风能、太阳能、海浪能等可再生能源则受其波动性大、稳定性差的特性制约，至今也难以撼动传统矿物能源的统治地位，甚至难以摆脱被迫弃风弃电的顽疾。

至于交通运输方面，据权威部门报道，我国的进口石油量已超过石油消费总量的60％。而困扰京、津、冀等大城市的雾霾的主要生成物来自机动车辆的排放污染。国家的能源安全和环境安全面临着越来越大的压力。为此也产生了一些应对方案如电动车辆。而在水上运输工具方面，全电力驱动船舶技术进展迅猛，目前，电动船舶的核心技术中，船体、电驱动装置、电控等技术已相当成熟，但所需电能仍必须依赖消耗矿物燃料的传统发电机组，利用可再生能源或蓄电装置驱动的船舶技术进展甚微。制约其发展的关键因素是蓄能系统，即蓄电池组、燃料电池及电容器组等以及船用新型可再生能源利用装置。

对于水上电动运输工具来说，理想的蓄电系统应该以下几个特性：

一﹒有足够的能量密度，单位体积单位重量要有足够的容量，这样才能跑更远的航程。而蓄电池组、尤其是电容组，都不能满足这一要求。

二﹒有足够的功率密度，单位体积单位重量能产生足够大的功率，这一点这三种蓄电系统目前基本都可做到。

三﹒能量补充快捷方便，达到甚至超过目前燃油船舶的便捷性。这一点恰是蓄电池系统当前广受诟病的短板。

四﹒平均使用和制造成本要低，运行寿命和价格综合起来要有竞争力。这一点是制约现有蓄电系统迅速实现市场化的共同短板。例如以锂电池为代表的蓄电池组加上电池管理系统，成本相当高，续航里程和使用寿命都不能满足要求。而氢能源系统则由于技术难度较大，氢的制取、储存、运输的成本较高，系统性价比不具竞争力，市场化的门槛也相当高。

五﹒系统在使用中应具有较高的安全性，起码要不亚于现有的燃油发动机系统。相比之下。氢能源交通系统必须满足的安全要求则相当苛刻，在人口稠密区域港口建立加氢站的制约因素相当多。

六﹒制造蓄电系统的各种原材料能够源源不断地满足大规模生产的需求，并较易于实现报废蓄电材料的大规模回收利用。这也是目前各种蓄电池生产和回收所面临的难题。

七.为蓄能系统补充能量的基站应便于大规模推广设立。制约建立该类基站的不利因素应尽可能少。显然在当前，建立充电站以及将来可能出现的充氢站的门槛都不够低。

八.蓄能系统应具有增程功能。增程装置应结构简单，成本低，效率高，污染少。增程燃料的选择范围广泛，补充便捷，可涵盖多种低成本的清洁能源和可再生能源。蓄能系统还应能与各种船用可再生能源利用装置如风能、太阳能装置完美结合，具备大量储存可再生能源的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低，效率较高，蓄能快捷方便，具有增程功能的船用多相可增程蓄能系统及具有其的船舶。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种船用多相可增程蓄能系统，具有：

多相蓄能装置(多相指固相、气相、液相，通过多相之间转化)、能量转换装置、增程装置、能量回收装置、船用喷气推进装置、风能太阳能利用装置、安全防护装置及检测控制装置；

所述蓄能装置具有压缩空气储气罐、保温蓄热水箱、电容组和蓄电池组；所述压缩空气储气罐通过管路与保温蓄热水箱内的热交换器连接；

所述能量转换装置具有压缩空气透平、高速发电机和热交换器，所述热交换器设置在所述保温蓄热水箱中水温最高的区域，所述压缩空气储气罐通过管路与所述热交换器和压缩空气透平连接；所述压缩空气透平与所述发电机连接；所述发电机与所述电容组及蓄电池组通过整流电路连接；

所述增程装置设置在所述热交换器和压缩空气透平之间的压缩空气管路上，所述增程装置具有增程燃烧室、混合腔和增程燃料罐，所述增程燃料罐经控制器件(控制器件为阀体)与所述增程燃烧室连接，所述增程燃料罐中的燃料能够进入所述增程燃烧室燃烧；所述增程燃烧室与所述混合腔连接；所述混合腔经控制器件(控制器件为阀体)与压缩空气管道连通；所述混合腔的出口与所述压缩空气透平连接；

所述能量回收装置具有高速发电机废热及润滑油热能回收装置和增程燃气尾流废热回收装置，所述高速发电机废热回收装置具有散热防水套或发电机散热防水外壳，所述散热防水套安装在所述高速发电机上，所述发电机安装在保温蓄热水箱内靠近底部水温最低区域；所述润滑油热能回收装置包括润滑油散热器件，所述润滑油散热器件设置在润滑油循环管路上，所述润滑油散热器件设置在所述保温蓄热水箱内水温较低区域；所述增程燃气尾流废热回收装置安装于压缩空气透平的气流输出端，为一装有辅助吸热管的空腔管道，所述空腔管道的空腔内设有受控与保温蓄热水箱连通的水；所述增程燃气尾流废热回收装置末端设有消音器，增程燃气尾流废热回收装置外部设有保温层。

船体，所述蓄能装置、能量转换装置、增程装置、能量回收装置、船用喷气推进装置、风能太阳能利用装置、安全防护及检测控制装置等均安装在所述船体上；

所述船用喷气推进装置具有工作气压储气罐、压缩空气喷嘴及相关控制器件(控制器件为阀体)，所述工作气压储气罐安装在所述船体底部，压缩空气储气罐内的高压空气经减压后存入所述工作气压储气罐；所述工作气压储气罐通过控制器件(控制器件为阀体)与压缩空气喷嘴连接，所述压缩空气喷嘴分别安装于船首、船尾、船侧的水下部位，所述喷嘴受控喷气为船体操控提供动力。

所述增程燃烧室具有燃烧室外壳、火焰筒、燃料喷嘴、涡流器和点火装置，火焰筒与燃烧室外壳间留有外涵道，火焰筒后设有一段二次燃烧区；增程燃烧室的出口接入安装于透平入口处的混合腔，增程燃烧室及混合腔外设有保温层。

还具有制冷空调装置，所述制冷空调装置包括制冷空调仓以及鼓风机、空气过滤器、空气转换开关，所述制冷空调仓内装有多级减压阀和空调热交换器，压缩空气储气罐的高压空气经多级减压阀减压并释放冷能，热交换器在制冷空调仓内流动的常压空气和压缩空气之间实现热交换。

还具有防护装置，所述防护装置包括安全防护挡板、多种安全阀门及碰撞阀，所述碰撞阀设置在压缩空气管道上；所述碰撞阀具有碰撞刃、安全膜片、密封圈、阀座、紧固螺栓、止动垫圈和碰撞刃架，所述阀座与压缩空气管道连接，所述碰撞刃架安装在所述阀座上，所述安全膜片封闭所述阀座，所述碰撞刃活动安装在所述阀座上，所述碰撞刃在碰撞产生过程中能够率先刺破所述安全膜片；所述碰撞刃刃尖后部设有挡瓣环。

一种船舶，具有船体，所述船体上具有上述的多相可增程蓄能系统。

一种能源基站，具有上述的多相可增程蓄能系统，具有风能/水能/波浪能等可再生能源或常规能源驱动的空压机，所述可再生能源或常规能源驱动的空压机与压缩空气储气罐连接；所述发电机与电网通过电路连接。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，成本较低，效率较高，蓄能快捷方便，规模可大可小，具有增程功能且增程燃料选择范围广泛，对环境友好。该系统以气态、液态、固态三相蓄能物储存能量，以电能等方式输出能量。为提高可再生能源的利用率，扩展可再生能源利用领域开辟了新的途径。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的船用多相可增程蓄能系统的原理图；

图2为图1的船用多相可增程蓄能系统的结构示意图；

图3为图1的船用多相可增程蓄能系统的结构示意图；

图4为图1的船用多相可增程蓄能系统的增程装置的原理与结构示意图；

图5为图1的船用多相可增程蓄能系统的制冷空调装置的原理图；

图6为图1的船用多相可增程蓄能系统的安全装置碰撞阀的结构示意图；

图7为图1的船用多相可增程蓄能系统的另一种实施方式的结构示意图；

图8为具有风能、太阳能利用装置的图1的船用多相可增程蓄能系统原理图；

图9为与图1船用多相可增程蓄能系统配套的船用喷气推进装置的原理图；

图10为具有图1的多相可增程蓄能系统的能源基站的原理图。

上述图中的标记均为：01、压缩空气透平，02、高速发电机，03、发电机散热防水套，04、联轴器，05、润滑油泵，06、润滑油散热器件，07、润滑油管，08、高速轴承，09、水冷管道，10、对流控制阀，11、电加热器件，12、整流器散热片，13、导流套管，14、增程燃气尾流废热回收装置，15、辅助吸热管，16、消音器，17、保温蓄热水箱，18、热交换器，19、水温检测器件，20、水位检测器件，21、水箱保险阀，22、压缩空气管道，23、压缩空气控制阀，24、保温层，25、增程燃烧室，26、混合腔，27、燃料管道，28、燃烧室外壳，29、火焰筒，30、涡流器，31、燃料喷嘴，32、点火装置，33、气体温度检测器件，34、燃烧室外涵道，35、燃烧室二次燃烧区，36、增程燃料罐，37、增程燃料控制阀，38、碰撞阀，39、碰撞杆，40、碰撞杆支架，41、泄放孔，42、压缩空气储气罐，43、碰撞刃，44、碰撞刃挡瓣环，45、安全膜片，46、密封圈，47、碰撞阀座，48、安全膜片紧固螺栓，49、止动垫圈，50、碰撞刃架，51、新型垂直轴风力机，52、三体船主片体，53、三体船侧片体，54、工作气压储气罐，55、压缩空气喷嘴，56、喷嘴盖。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1-8，图1是以应用于电动船舶等移动机械的蓄能系统为例，说明本发明工作原理的方框图。图中虚线内为该蓄能系统的主体部分，包括蓄能、能量转换、增程、能量回收利用包括太阳能利用、安全防护以及检测控制等六大装置，下面逐一予以说明：

蓄能装置：

该装置由压缩空气储气罐、保温蓄能水箱、电容器组、蓄电池组和相关调控器件、管道等配套器件组成。在整个系统中，压缩空气是一相主要蓄能介质，水作为另一相重要蓄能介质兼具冷却和能量回收功能。固态的电容器组和蓄电池组为辅助蓄能装置，用于满足船舶起航、加速等情况下负荷剧烈变动对电源的要求。电容器组兼具滤波和蓄电作用。蓄电池组所蓄电能除提供给主负荷外，还需满足系统启动和各种船载电器用电。固态蓄电装置的蓄电量，只需满足能单独驱动船舶正常运行数分钟的时间或数千米的距离即可，其容量远小于纯蓄电池或纯电容的电动船舶。整个系统以直流电能方式输出能量，可等效为一大型蓄电池组。

能量转换装置：

参见图2与图3，本系统的能量转换装置由压缩空气透平01、高速发电机02和加热压缩空气的热交换器18及相关调控、整流装置等组成。压缩空气经热交换器18吸收保温蓄热水箱17中热水的热能进一步膨胀后，驱动压缩空气透平01通过联轴器04直接带动高速发电机02发电，再经整流装置整流，输送至固态蓄电组件，通过调控发电机的转速即可调控直流电能的输出。制作联轴器04的材料除了满足强度等要求外，还应具备较高的绝热性能，以便阻隔透平主轴与电机主轴间的热传导。透平和发电机组可选用水平或垂直等方式安装。机组的数目可根据功率和系统冗余度的要求配置，如图2、图3所示的单机组、图7所示的双机组，乃至多机组。

采用本发明的蓄能装置和能量转换装置的好处是：

1.蓄能能力强，成本低。

根据工程热力学有关气体状态方程可推导出，室温下1m³、100Mp的压缩空气等温膨胀作功，所含能量为6.9×108J，即165000大卡，约为192Kwh电能，按85％的转换率计,可达162Kwh。对于不同排水量的船舶，安装总容积数m³至数百m³的储气罐问题不大，可以根据具体使用要求，选用不同气压等级的储气罐以控制成本。

100升水，温度升高60℃，吸收热能6000大卡，约为7Kwh的电能，相当于将10吨重物提升约250m所需能量。有关通过加入各种添加剂改变水的沸点、冰点等特性的技术已广泛应用，可根据需要选用。

以压缩空气和水作为主蓄能介质，系统成本主要集中在高压储气罐、保温水箱、透平和高速发电机等器件上。电容和蓄电池的使用量只有纯电容或纯电池电动船舶的数十分之一,系统制造成本低。压缩空气和电的成本较低，所以具有该蓄能系统的船舶运行成本也比较低。

2.由透平直接耦合连接高速发电机的能量转换装置，具有功率密度大、体积小、重量轻、效率高、动态响应速度快、变工况适应性好等优点，能较好地满足电动运输工具的运行要求。国内外对相关技术的研究已相当深入，便于借鉴利用。其成熟产品的能量转换效率已与蓄电池组充放电的效率相当，辅以本发明的能量回收利用措施，其转换效率还可进一步提升。

3.补能快捷，对电网的冲击小。

为本系统补充能量的方式有三种：一种是充气，将高压空气充入储气罐；一种是“充电”，包括向固态蓄电组件充电以及通过电热器件加热保温水箱内的水；还有一种就是向增程燃料罐补充燃料。三种补能方式可同时进行，所需时间与补能的快捷性与普通船舶相当。由于主要蓄能介质为压缩空气，且补能时并不要求一定要把水箱内的水烧开，所以该系统补能时对电网的冲击也远小于纯蓄电池和纯电容蓄电系统。

4.循环使用寿命长。

该蓄能系统的使用寿命主要取决于透平、高速发电机、压缩空气储气罐等器件。因相关技术已比较成熟，故其循环使用寿命也远长于现有的蓄电池组。

5.安全性好。

由于该蓄能系统的主要蓄能介质为压缩空气和水，且采用了针对性的防护措施，故系统的安全性要超过传统的船舶。

6.兼容性好，便于大规模生产及回收利用。

因该蓄能系统等效为一蓄电池组，具有该系统的船舶相当于一套水上移动发电平台，较易于与其他供电、用电装置配合。对蓄电池、电容、高压容器、透平及高速电机等多种器件的技术进步成果也可迅速吸纳。系统消耗的主要是钢、铝、铜等大宗原材料，不易出现供应紧张、价格暴涨的状况。既便于进行标准化、系列化的大规模生产，也便于回收利用。

增程装置：，

本系统的增程装置由增程燃烧室25、混合腔26、增程燃料罐36以及相关的检测控制器件等组成。图4a为其方框图，b为其结构示意图。其工作原理是：增程燃料在增程燃烧室25中充分燃烧，产生的炽热气流进入混合腔26，与流经混合腔26的压缩空气混合，使压缩空气迅速膨胀，驱动透平。这样可使同样体量压缩空气的发电量大大增加，达到增程的目的。

增程燃烧室25的结构参见图4，以管式燃烧室为例，图4c为本发明的增程燃烧室，由燃烧室外壳28、火焰筒29、燃料喷嘴31、涡流器30、点火装置32等部件组成。这些都与传统燃烧室类似，其区别在于：

1.系统工作于增程状态时，增程燃料须在火焰筒29内尽量充分地燃烧，火焰筒29的段数应按此要求来选定。火焰筒29与燃烧室外壳28间留有外涵道34，火焰筒后设有一段二次燃烧区35。流经外涵道34的压缩空气在二次燃烧区35与火焰筒29内喷出的燃烧气体相遇，并将可能残存的增程燃料彻底燃尽，以杜绝系统尾气冒黑烟的现象。

2.增程燃烧室25的出口接入安装于透平入口处的混合腔26，系统工作于非增程状态时，混合腔26只相当于一段压缩空气输送管道。系统工作于增程状态时，流经混合腔26的压缩空气在此与增程燃烧室25喷出的炽热气流混合并急剧膨胀。由安装于混合腔26出口端的气体温度检测器件33监测混合后的气流温度。控制系统通过增程燃料控制阀37及压缩空气控制阀23对增程燃料和压缩空气流量进行联动控制，将输出气流的温度、流量等参数控制在透平正常工作的范围。

3.增程燃烧室25、混合腔26及相关器件外都加装保温层24，以充分利用热能，提高系统效率。

采用该增程装置的好处是：

1.与现有电动运输工具的增程装置相比，该增程装置结构简单、成本低、效率高、污染少的优势十分明显。即使储气罐所存气体气压较低时，增程装置仍可维持系统工作一段时间。

2.由于驱动透平的气流温度得到控制，故无需对透平采用特殊的冷却措施，也无需采用特殊的耐高温材料，利于降低制造难度和系统成本。

3.增程燃料的选用范围相当宽泛，采用双燃料技术的增程装置，更是液态、气态燃料皆宜。除汽、柴、煤油和液化天然气等传统燃料外，像甲醇、乙醇、氢燃料甚至压缩沼气等清洁燃料及可再生燃料都可选用，有利于缓解能源压力，降低运行成本。

4.特别要指出的是，若采用氢作为增程燃料，不仅可保证系统的零排放，而且开辟了氢燃料电源的新的技术路线。相对于现有的氢燃料电池系统，该系统不仅技术门槛和制造、运行成本大幅降低，而且成功避开了因各种杂质导致燃料电池“中毒”的难题，对氢燃料纯度的要求宽泛得多，有利于降低氢燃料的成本，提高系统的性价比和使用寿命。这些优势无疑都有利于加快氢燃料电动船舶等运输工具的市场化。

能量回收利用装置：

本系统的能量回收装置包括高速发电机02、润滑油及整流器件热能回收、增程燃气尾流废热回收及制冷空调等装置。

高速发电机02、润滑油及整流器件热能回收装置。

参见图2和图7，本发明采用给高速发电机02加装散热防水套03，将高速发电机02安装在保温蓄热水箱17靠近底部水温最低的区域，在为发电机降温的同时将热能回收。若大规模生产，可将发电机外壳做成防水散热式的，效果更好。透平和高速发电机所需润滑油经油泵05驱动，通过安装在保温水箱内的润滑油散热器件06，实现冷却和热能回收。为同样目的，整流器件的散热片12也安装在保温水箱底部。

采用这种热能回收装置的好处是：

1.相比普通发电机，高速发电机02体积小，散热难度大。采用本发明的处理方式，既解决了散热难题，为大功率高速发电机的研制创造了有利条件，又回收了热能，还可利用保温水箱隔离电机运转噪声，利用水的阻尼作用抑制电机振动，一举数得。

2.传统船舶等各种机械，处理废热的方法往往都是排入空气中，造成能源浪费。而在本系统中，则尽量把各种废热传导到保温蓄热水箱的水中加以利用，提高了系统的效率。

增程燃气尾流废热回收装置。

参见图2和图3，增程燃气尾流废热回收装置14安装于透平的气流输出端，为一装有数根辅助吸热管15的空腔管道，增程燃气尾流通过此管道再经消音器16排出。该管道的空腔内充满水，通过对流控制阀10与保温蓄热水箱17相连，装置外部与透平一样都用保温层24包裹。当系统工作于增程状态时，对流控制阀10打开，空腔管道内的水吸收燃气尾流余热，与保温蓄热水箱17的水产生对流，将热能输入保温蓄热水箱17。辅助吸热管15如图2中所示按不同的角度均匀错开设置。辅助吸热管15内的水与空腔管道的水相通，以增大该装置的热交换面积，提高回收余热的效能。当系统工作于非增程状态时，对流控制阀10关闭，切断水的对流，以减少保温蓄热水箱17内的热能散失。空腔管道采用金属波纹管材制作，具有伸缩性，既可避免该装置冬季被冻坏，又增加了热交换面积。

采用该余热回收装置的好处是：

进一步提高了增程燃料的利用率和系统的工作效率。特别是在气温较低时，开动增程装置有利于整个系统的稳定运行。

可利用常压空气热能的制冷空调装置。

图5为该制冷空调装置的方框图。该装置包括制冷空调仓以及附属的鼓风机、空气过滤器、空气转换开关等器件。制冷空调仓内装有多级减压阀和空调热交换器。来自压缩空气储气罐的高压空气经多级减压阀降至驱动透平的工作气压，在此过程中气体膨胀，气温降低。通过热交换器可将流经空调仓的外来常压空气降温并利用这些常压空气所含热能为压缩空气预热。空调仓两端的空气转换开关用于根据船舱内的气温调控常压空气的来源与去处。

图中直冷阀用于在船舶暂停状态下为船舱内的空气降温。在其控制下，将已降为工作气压的压缩空气直接通过空调管道排入船舱，进一步降为常压，同时释放冷能，迅速降低船舱内的气温。

采用该制冷空调装置的好处是：

降低成本、提高效率、环保节能。相比传统的船载制冷空调，该装置取消了颇为耗能的压缩机以及氟利昂之类可能污染环境的工作介质，既可降低船舱内的气温，又通过吸收利用常压空气所含热能提高了整个系统的效率。

至于冬季提高船舱内的气温，只需采用简单的电暖风装置既可。

太阳能利用装置。

参见图1，对于某些宜于安装光伏电池阵列的船舶，可将光伏电能作为系统输出电能的补充和辅助，船舶停航时，光伏电能存入蓄能系统的固态和液态介质中。这些光伏电能虽不足以单独驱动船舶，但对增加续航里程仍有可观的效果。

安全防护装置：

本系统安全防护的重点是压缩空气储气装置。由安全防护挡板、过压保险阀、快速切断阀以及碰撞阀等组成。安全防护挡板由高强度金属与非金属复合材料制成，置于压缩空气储气罐等高压装置与被保护对象之间，有关技术已很成熟。过压保险阀与快速切断阀等器件已商品化，故不再赘述。其他蓄能组件的安全防护，如保温蓄能水箱的过压蒸汽泄放以及增程燃料和固态蓄电组件的保护等有关技术也很成熟，也无需赘述。

参见图6，配套本发明的碰撞阀38的作用是在出现危及压缩空气储气罐42安全的碰撞时，率先为压缩空气提供快速泄放通道，以避免储气罐受挤压后爆炸。图中a为碰撞阀的结构示意图，由碰撞刃43、安全膜片45密封圈46、阀座47、紧固螺栓48、止动垫圈49、碰撞刃架50等组成，安装于压缩空气管道22上。图6b为合金钢所制的碰撞刃43的示意图，其刃尖后部有一挡瓣环44，其作用是在刃尖切开安全膜片45后，将切破的膜片挡开，防止膜瓣破片在高速气流的作用下发生回堵，以保证泄放通道的畅通。图6c是碰撞阀38的安装示意图。该阀安装于压缩空气储气罐42的输气管道可能发生碰撞的一端。碰撞杆39安装于防护栏后方，杆上相对于碰撞阀38的位置开有泄放孔41。正常情况下碰撞杆39由碰撞杆支架40支撑，不会接触碰撞阀38。防护栏安装于船舶上最有可能发生危及高压储气装置的碰撞的位置，只有发生撞击时，碰撞杆39才会撞击阀上的碰撞刃43。

采用该碰撞阀38的好处是：

当碰撞发生时，该阀将率先作出反应。从阀中喷出的高压气流喷向来袭物方向，并产生可观的反冲力，除了可避免储气罐爆炸外，也具有降低碰撞剧烈度的作用。

检测控制装置。

本发明中的检测装置主要对系统中的压力、温度、转速、电压、电流、水位等各种物理参数进行检测，并由控制系统通过各种自动控制阀门、开关等器件进行统一控制，以保证系统的正常运行。因有关控制技术和所涉器件等都很成熟，故不再详述。

图8为本发明应用于一种新型风能船的原理方框图。该风能船采用了一种新型垂直轴风力机。该风力机具备自动偏航、自动变浆距、桨叶可折叠、风轮高度可调等多种功能，具有高效、大功率、低成本、易操控、安装维修简便、运行不受风向变化影响等特点(具体内容可参见国家专利局颁发的有关发明专利201410523369.0；201410523201.X；201410526674.5；201410523321.X；201410524744.3)。该风力机除了直接驱动发电机和喷水推进器外，在风能富足或停航时，可驱动船上的空气压缩机压缩空气，并存储于高压储气罐中。将空气压缩过程中产生的热能通过水冷装置吸收并存储于保温蓄热水箱中。

以压缩空气作为本系统的一相蓄能介质。以水作为本系统的另一相蓄能介质。固态蓄能组件仍为电容器组和蓄电池组。系统的其他部分，包括能量转换及增程装置、安全防护、能量回收、检测控制装置等，都如图1所示，系统功率和蓄能容量根据船舶的大小选配。参见图9，图中a、c为一例三体风能船的示意图,为其配置的四个压缩空气储气罐42的安装位置应尽量少占用主船舱的空间。

采用该风能船用多相可增程蓄能系统的好处是：

1.系统成本低，性价比高，能大幅度减少船舶的燃料消耗和污染排放，降低船舶的运营成本。

2.由于具有蓄能和增程功能，大大降低了风速变化对船舶航速及航程的影响。

3.船舶补能快捷，方式灵活多样。既可利用自身的风力机补能，也可从港口、岛屿所设的补能站点补能，还可在船舶间进行“伙伴补能”。

4.每一艘风能船都是一艘移动风力发电平台，可利用自身的变流装置为停靠地的电网提供清洁电能。船上采用诸如低温多效蒸馏技术之类的海水淡化设备，可将压缩空气过程中产生的热能用来淡化海水，使风能船又成为移动的海水淡化平台。

利用本蓄能系统的一种船用喷气推进装置。

图9(b)为船用喷气推进装置示意图。图中54为工作气压气体储气罐，高压空气减压为工作气压后存入其中，具有一定的缓冲功能。喷嘴盖56可在气流或水流的作用下自动启闭。图9(d)为喷气推进装置在三体船主片体52船首的安装示意图。图9(e)为喷气推进装置在三体船侧片体53船首及船尾的安装示意图。该喷气推进装置同样也可安装在具有本发明蓄能系统的单体或双体船上。

本设计创意的好处是：

1.该船用喷气推进装置结构简单，成本低廉，操作简便，不易损坏。

2.极大地提高了船舶的操控性能，不但能使船舶原地进行任意角度的转向，甚至能使船舶实现侧向平移。可以辅助乃至取代传统的转向舵、舵机系统及船艏推进器。

图10为具有本发明蓄能系统的能源基站方框图。基站的蓄能系统与前述的基本类似，但规模和蓄能能力大为增加。

压缩空气的获取方式有两种。一种是利用风能、水能、波浪能等可再生能源驱动空压机，如图中的空压机即由新型垂直轴风力机驱动。另一种是利用传统能源驱动空压机，如图中即由电网电能来驱动，两种方法互为补充。将过滤后的清洁空气压缩，按不同气压等级分档存入各类压缩空气储气装置。压缩空气过程中产生的热能由水冷装置采集后存入保温蓄热储水装置。这些热能除用于发电，也可有其他多种用途，如：冬季取暖、热水供应、海水和内陆苦咸水淡化、高氟水净化等。图中的有机朗肯循环低温余热发电装置为选用设备，并非必备。选用其的原因是该装置利用热能发电时不需消耗压缩空气。

由基站所设充气装置按不同气压分档次为前述具有同类蓄能系统的船舶等各种电动机械充气。基站所发直流电可经充电桩为船舶等各种电动机械充电。还可将直流电逆变后输入电网。

采用该能源基站的好处是：

1.克服了可再生能源波动性大、稳定性差的缺陷。以风能利用为例，目前大量存在的“弃风弃电”现象，主要是由风电的稳定性不佳、与电网用电负荷不易实现良好匹配等因素造成。而采用了该蓄能系统的风电场，将有效改善乃至克服这些顽疾。

2.扩展了可再生能源的利用领域。仍以风能利用为例，目前，大规模的风能利用只集中在风力发电这一领域，而利用本发明的蓄能系统，则可将风能转化为压缩空气势能用于驱动具有该蓄能系统的船舶等各种电动机械。基站还可兼具发电充电、取暖供热、海水淡化等多种功能。该蓄能系统在江海沿岸、海岛等宜于建设沼气装置的地区还可利用沼气作为增程燃料，压缩空气时产生的热能可用来为沼液升温，一举解决沼气池冬季不产气的顽疾。现有的充电站，极度依赖供电网络，而具有本发明的能源基站，既可沿供电线路而建，也可脱离电网，只靠风能、太阳能、波浪能等可再生能源独立运行。若在港口、海岛等各种航运沿线以集中或分布方式大量设立这种能源基站，将对缓解能源压力，减少环境污染发挥显著作用。

3.对电网友好。具有该蓄能系统的能源基站，蓄能与补能不必同步进行，可在电网供电低谷区蓄能以降低蓄能成本。在供电高峰区不给电网增加额外负荷，甚至用自身发电来分担电网供电压力。大批量建设这类能源基站可有效满足电网“削峰填谷”的需求。

为解决现有的蓄电池组充电时间长的弊病，人们普遍寄希望于研制出能快速充满电的蓄电池。但即使有了这种蓄电池，由于充电电能直接取自电网，获取等量电能的时间越短，对电网的冲击就越大。为保证供电安全，供电部门必然会对充电站的设立严加审查控制。而建设本发明的能源基站时，只要驱动空压机的电动机功率不超标，就不会影响供电安全，也不需对原有的电缆、变压器等供电设备进行增容改造。这将大为便利该类型能源基站的推广建设，有可能使其建站密度远超现有加油站的密度，从而彻底消除电动船舶等运输工具的“里程焦虑”。

5.若要增大该类型能源基站蓄能能力，只需增加压缩空气储气装置和保温蓄热储水装置的总容量即可，方法简单、成本低廉。

6.若为该类能源基站配置电解水制氢设备，即可将氢作为增程燃料补充给具有该蓄能系统的船舶等电动机械，使基站具备更全面的补能功能。

7.这种类型的能源基站和具有该蓄能系统的各种电动机械设备构成了一个完整的体系。该体系既可大量采用多种现行的国内、国际标准，如高压储气设备标准等，也可大量采用多种现有的成熟技术，还可大量采用现有的成熟元器件产品和设备。便于进行标准化、系列化的大规模生产和推广应用。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种船用多相可增程蓄能系统，其特征在于，具有：

多相蓄能装置、能量转换装置、增程装置、能量回收装置；

所述多相蓄能装置具有压缩空气储气罐、保温蓄热水箱、电容组和蓄电池组；所述压缩空气储气罐通过管路与保温蓄热水箱内的热交换器连接；

所述能量转换装置具有压缩空气透平、发电机和热交换器，所述热交换器设置在所述保温蓄热水箱中，所述压缩空气储气罐通过管路及控制器件与所述热交换器和压缩空气透平连接；所述压缩空气透平与所述发电机直接连接；所述发电机与所述电容组及蓄电池组通过整流电路连接；

所述增程装置设置在所述热交换器和压缩空气透平之间的压缩空气管路上，所述增程装置具有增程燃烧室、混合腔和增程燃料罐，所述增程燃料罐经控制器件与所述增程燃烧室连接，所述增程燃料罐中的燃料能够进入所述增程燃烧室燃烧；所述增程燃烧室的出口与所述混合腔连接；所述混合腔经控制器件与压缩空气管道连通；所述混合腔的出口与所述压缩空气透平连接；

所述能量回收装置具有发电机废热及润滑油热能回收装置和增程燃气尾流废热回收装置。

船体，蓄能装置、能量转换装置、增程装置、能量回收装置、船用喷气推进装置均安装在所述船体上。

2.如权利要求1所述的船用多相可增程蓄能系统，其特征在于，所述增程燃烧室具有燃烧室外壳、火焰筒、燃料喷嘴、涡流器和点火装置，火焰筒与燃烧室外壳间留有外涵道，火焰筒后设有一段二次燃烧区；增程燃烧室的空气入口经控制器件与压缩空气管道连通，增程燃烧室出口接入安装于透平入口处的混合腔，增程燃烧室及混合腔外设有保温层。

3.如权利要求1所述的船用多相可增程蓄能系统，其特征在于，还具有制冷空调装置，所述制冷空调装置包括制冷空调仓以及鼓风机、空气过滤器、空气转换开关，所述制冷空调仓内装有多级减压阀和空调热交换器，压缩空气储气罐的高压空气经多级减压阀减压，热交换器在流经制冷空调仓内的空气和压缩空气之间实现热交换。

4.如权利要求3所述的船用多相可增程蓄能系统，其特征在于，还具有安全防护装置，所述安全防护装置包括碰撞阀，所述碰撞阀设置在压缩空气管道上；所述碰撞阀具有碰撞刃、安全膜片、密封圈、阀座、紧固螺栓、止动垫圈和碰撞刃架，所述阀座与压缩空气管道连通，所述碰撞刃架安装在所述阀座上，所述安全膜片封闭所述阀座，所述碰撞刃活动安装在所述阀座上，所述碰撞刃在碰撞产生过程中能够刺破所述安全膜片；所述碰撞刃刃尖后部设有挡瓣环。

5.如权利要求1所述的船用多相可增程蓄能系统，其特征在于，所述能量回收装置还具有发电机废热回收装置，所述发电机废热回收装置具有散热防水套或具有散热防水功能的发电机外壳，所述散热防水套安装在所述发电机上，所述发电机安装在保温蓄热水箱内靠近底部的低水温区域。

6.如权利要求1所述的船用多相可增程蓄能系统，其特征在于，所述能量回收装置还具有润滑油热能回收装置，所述润滑油热能回收装置包括润滑油散热器件，所述润滑油散热器件设置在润滑油循环管路上，所述润滑油散热器件设置在所述保温蓄热水箱内。

7.如权利要求1所述的船用多相可增程蓄能系统，其特征在于，所述能量回收装置还具有增程燃气尾流废热回收装置，所述增程燃气尾流废热回收装置安装于压缩空气透平的气流输出端，为一装有辅助吸热管的空腔管道，所述空腔管道的空腔内设有与保温蓄热水箱连通的水；所述增程燃气尾流废热回收装置末端设有消音器，增程燃气尾流废热回收装置外部设有保温层。

8.如权利要求1所述的船用多相可增程蓄能系统，还具有船用喷气推进装置，其特征在于，所述船用喷气推进装置包括工作气压储气罐、压缩空气喷嘴及控制器件，所述工作气压储气罐安装在所述船体底部，压缩空气储气罐内高压空气经减压后存入所述工作气压储气罐；所述工作气压储气罐通过控制器件与压缩空气喷嘴连接，所述压缩空气喷嘴分别安装于船首、船尾、船侧的水下部位，所述喷嘴受控喷气为船体操控提供动力。

9.一种船舶，其特征在于，具有如权利要求1-8任一所述的船用多相可增程蓄能系统。