CN111271210A - 一种吸收潮流能方式的氢动力船及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸收潮流能方式的氢动力船及运行方法，氢动力船包括舱体，舱体中设置潮流能发电装置、海水淡化系统、电解制氢系统、动力驱动系统和控制系统；潮流能发电装置的电能输出端连接电解制氢系统电能输入端，海水淡化系统的出水口连通电解制氢系统的介质入口，电解制氢系统的出口连通动力驱动系统的工质入口；控制系统的输出端分别连接潮流能发电装置、海水淡化系统、电解制氢系统以及动力驱动系统的控制信号输入端；潮流能发电装置与舱体可伸缩连接；在船舶停靠时，将可再生的潮流能转化为电能，再对海水进行淡化提纯作为制氢原料，制氢产生氢气存储，船行驶中，用氢气做燃料代替或减少重油、柴油的使用，减少碳排放，对环境具有保护作用。

Description

一种吸收潮流能方式的氢动力船及运行方法
技术领域
本发明属于潮流能发电与电解制氢应用领域，具体涉及一种吸收潮流能方式的氢动力船及运行方法。
背景技术
繁忙的水运和海运带来了空气污染，由于船舶所使用的燃料主要是渣油或重油，都属于柴油范畴，其含硫量是车用油的100至3500倍，并且还含有镉、钒、铅等重金属。在京津冀、长三角、珠三角及沿海沿江地区，船舶港口排放已成为大气污染的重要来源之一。
海洋潮流能因为储量巨大、清洁无污染、可预测性强、取之不尽、用之不竭等突出优点，在世界范围内受到科技界、产业界的高度关注，成为主要发达国家、跨国企业巨头争相布局的前沿科技和新兴产业焦点领域。海洋潮流能发展潜力十分巨大，是一种理想的清洁可再生发电能源。
氢气不含有碳，燃烧后不产生CO2，被认为是理想的能源或能源载体。氢气作为内燃机燃料时，极易实现稀薄燃烧，排放污染物少，热效率高。相比于锂电池等蓄电池，因电池的寿命远短于发动机寿命，而且电动车的最大连续行驶里程受到配备电池数量的限制，很难实现将其发动机全报废而改用电动机驱动。另一方面，蓄电池包含的元素开采过程也是对大自然的一种污染，并没有完全解决环境污染问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种吸收潮流能方式的氢动力船及运行方法，将潮流能转化为电能，再利用电能电解制氢，有助于解决或缓解轮船采用传统燃料污染环境的问题，同时有助于节约能源。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种吸收潮流能方式的氢动力船，包括舱体，舱体中设置潮流能发电装置、海水淡化系统、电解制氢系统、动力驱动系统和控制系统；潮流能发电装置的电能输出端连接电解制氢系统电能输入端，海水淡化系统的出水口连通电解制氢系统的介质入口，电解制氢系统的产品出口连通动力驱动系统的工质入口；控制系统的输出端分别连接潮流能发电装置、海水淡化系统、电解制氢系统以及动力驱动系统的控制信号输入端；潮流能发电装置可升降地设置在舱体中；
潮流能发电装置用于实现捕获海洋能中潮流能量并转换为电能，
海水淡化系统用于将海水淡化和净化电解制氢所需原材料水，
用于产生氢气的电解制氢系统；
动力驱动系统为船舶行驶提供动力。
潮流能发电装置包括导流罩和发电机构；导流罩沿潮流能发电装置轴向一周设置，导流罩沿发电机构轴向形成水流通道，发电机构外侧设置机舱，采用塔架连接机舱与导流罩，发电机构的输出端连接电解制氢系统的电能输入端，导流罩的底部设置基础。
导流罩的两端为喇叭口结构。
舱体与潮流能发电装置之间通过可升降伸缩轴连接，可升降伸缩轴的动力控制信号输入端连接控制系统的输出端，潮流能发电装置的电能输出端通过海缆连接电解制氢系统的电能输入端，舱体中还设置有转动缆装，海缆绕于转动缆装，转动缆装的动力采用电机，所述电机的控制信号输入端连接控制系统的输出端。
潮流能发电装置中设置有方向传感器，方向传感器连接控制系统的输入端，潮流能发电装置的顶部设置有转向装置，转向装置固定部连接伸缩机构，转向装置的转动部连接潮流能发电装置的顶部，转向装置采用转向电机驱动，所述转向电机的控制信号输入端连接控制系统的输出端。
电解制氢系统设置有介质输入端、电能输入端、电解槽和氢气存储装置，电解槽上开设气体输出口，气体输出口连通氢气存储装置入口，氢气存储装置的出口连通动力驱动系统的工质入口，介质输入端连通海水淡化系统的出水口；电能输入端连接潮流能发电装置的电能输出端。
动力驱动系统包括氢气内燃机、传动轴和螺旋桨，氢气存储装置的出口连通氢气内燃机的工质入口，氢气内燃机的输出端连接传动轴的主动端，传动轴的从动端连接螺旋桨。
氢气存储装置的入口和出口均设置有阀门，所述阀门的控制信号输入端连接控制系统的输出端。
一种吸收潮流能方式的氢动力船的运行方法，包括以下过程，
停靠制氢储氢阶段：将潮流能发电装置从舱体下放水中至海床底，潮流能发电装置用潮流能进行发电并将电能输送至电解制氢系统，同时海水淡化系统工作，向电解制氢系统提供纯水，电解制氢系统以所述纯水为原料电解制备氢气，并将制备的氢气存储；制氢结束时，所有系统停止工作，将潮流能发电装置收回至舱体内；
需要辅助或替代船舶原动力系统工作时，控制系统发送开启燃料指令，电解制氢系统收到所述指令后向动力驱动系统输送氢气，动力驱动系统以所述氢气为燃料向船舶提供助推动力。
当方向传感器提供信息显示潮流能导流罩的开口方向与潮流方向不一致时，则控制器输出端的一端点发出信号至转向装置使其工作，转动至对准潮流方向。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的一种吸收潮流能方式的氢动力船，一方面，在船舶港口停靠时，充分利用港口、岸边、海峡、岛屿之间的水道或湾口则潮流速度大，海岸的集流作用明显的特点，变废为宝，将清洁、可再生的潮流能能源转化为电能，再对海水进行淡化提纯处理作为电解制氢的原料，最后电解制氢产生氢气存储，船行驶过程中，可用氢气做燃料代替或减少重油、柴油的使用，不涉及碳排放，对环境具有保护作用，体现环保属性；另一方面除了一次性购买相关设备外，不需要其他支出，能源均来自大自然中，可长时间重复次使用，能有助于缓解频繁购买柴油或燃煤动力原料和环保压力，有利于节省成本。
进一步的，设置方向传感器和转向装置，有助于使导流罩的方向与潮流方向一致，有助于提高潮流能的利用效率。
本发明所述氢动力船在停靠时制氢储氢将潮流能转化为电能，海水淡化系统生成制氢用水，电解制氢系统以所述纯水为原料电解制备氢气，并将制备的氢气存储；制氢结束时，制氢过程中无污染，需要辅助或替代船舶原动力系统工作时，控制系统发送开启燃料指令，电解制氢系统收到所述指令后向动力驱动系统输送氢气，动力驱动系统以所述氢气为燃料向船舶提供助推动力，有助于减少使用燃油或燃煤，减少排放。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明装置潮流能发电子系统结构示意图。
图3是本发明装置海水淡化系统、电解制氢系统、动力驱动系统连接与结构示意图。
图4是本发明装置控制系统连接示意图。
1-潮流能发电装置，2-海水淡化系统，3-电解制氢系统，4-动力驱动系统，5-控制系统，11-导流罩，12-叶轮，13-轮毂，14-转轴，15-齿轮箱，16-发电机，17-机舱，18-基础，19-可升降伸缩轴，110-转向装置，111方向传感器，112-海缆，113-转动缆装，114-整流器，21-预处理设备，22-高压泵，23-反渗透膜元件，31-介质输入端，32-电能输入端，33-气体输出口，34-电解槽，35-氢气存储钢瓶，361-入口阀门，362-出口阀门，41-氢气内燃机，42-传动轴，43-螺旋桨，51-控制器，52-控制器输入端，53-控制器输出端。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的整体结构与工作方式。
参照附图1，本发明设计一种吸收潮流能方式的氢动力船，包括用于实现捕获海洋能中潮流能量并转换为电能的潮流能发电装置1、用于提取及净化电解制氢环节原材料水的海水淡化系统2、用于产生氢气的电解制氢系统3、为船舶行驶提供动力与驱动单元的动力驱动系统4以及控制各系统正常运行的控制系统5。
一种吸收潮流能方式的氢动力船，包括舱体，舱体中设置潮流能发电装置1、海水淡化系统2、电解制氢系统3、动力驱动系统4和控制系统5；潮流能发电装置1的电能输出端连接电解制氢系统3电能输入端，海水淡化系统2的出水口连通电解制氢系统3的介质入口，电解制氢系统3的产品出口连通动力驱动系统4的工质入口；控制系统5的输出端分别连接潮流能发电装置1、海水淡化系统2、电解制氢系统3以及动力驱动系统4的控制信号输入端；潮流能发电装置1可升降地设置在舱体中；潮流能发电装置1用于实现捕获海洋能中潮流能量并转换为电能，海水淡化系统2用于将海水淡化和净化电解制氢所需原材料水，用于产生氢气的电解制氢系统3；
动力驱动系统4为船舶行驶提供动力；潮流能发电装置1包括导流罩11和发电机构；导流罩11沿潮流能发电装置轴向一周设置，导流罩11沿发电机构轴向形成水流通道，发电机构外侧设置机舱17，采用塔架连接机舱17与导流罩11，发电机构的输出端连接电解制氢系统3的电能输入端，导流罩11的底部设置基础18。
参照附图2，潮流能发电装置1包括导流罩11、叶轮12、轮毂13、转轴14、齿轮箱15、发电机16、机舱17及基础18。导流罩11绕转轴14的一周形成一个沿转轴14水平方向的流体通道，导流罩11包括上、下、前、后四个导流挡板，导流罩11的左右开口两端均采用喇叭口设计，可增大潮流能进入量，加快潮流进入叶轮12的流速；叶轮12在潮流能发电装置1的最前端，采用风车三片式结构，等角度均匀的安装在轮毂13上，轮毂13的尾部与转轴14相连，转轴14的另一端与齿轮箱15的输入端连接，齿轮箱15能改变齿轮箱出口端转轴的转速，齿轮箱15出口端的高速轴与发电机16连接，并带动发电机16转动进而发电。转轴、齿轮箱以及发电机安装在机舱17内部，与外部海水隔绝；机舱17的底部通过塔架与导流罩11底层内部连接。导流罩11底部外侧通过多组支架与当潮流能发电装置下沉时坐落于海床的基础18连接，基础18对导流罩11起临时支撑固定作用，所述塔架采用钢筋。
潮流能发电装置1的电能输出端与电解制氢系统3的电能输入端之间设置整流器114；
导流罩11的顶部中心处左右两侧对称安装可升降伸缩轴19，伸缩轴是由多层嵌套套管组成，可升降伸缩轴19是由小型电机提供动能，用于改变可升降伸缩轴19的长度。可升降拉伸轴金属材质，表层涂抹防腐蚀膜，上端通过法兰与氢动力船内舱钢板固定连接，下端与转向装置110连接，转向装置110用转向电机控制启停，转向电机的控制信号输入端连接控制系统5的输出端，转向装置110与导流罩11顶部连接，工作时可带动导流罩11沿水平方向进行360°旋转，进而实现叶轮12方向调节。导流罩11上设有方向传感器111装置，用来接收潮流能流向信息。通过方向传感器111、控制系统5和转向装置110共同配合来改变导流罩11方向。
转向装置包括固定部和转动部，转动部与潮流能发电装置1的顶部连接，固定部与可升降伸缩轴19的下端连接，可选的，固定部和转动部为相互啮合的齿轮，转动部为动齿轮，固定部为静齿轮，动齿轮连接转向电机的输出轴，转向电机的控制信号输入端连接控制系统5的输出端。
转向装置110采用偏航装置。
发电机16为交流电机，输出端连接海缆112，海缆112通过可升降伸缩轴19的内部空间贯穿至船体舱板内侧，在舱体内部船板上绕转动缆装113成卷，转动缆装113工作也是由电机控制，使其海缆解缆或卷缆的速度与可升降伸缩轴19升降速度一致，这样即保证了海缆112不会冗余，也保证海缆112不会因为受到拉力而破损。海缆112末端与整流器114相连，整流器再与电解制氢系统电能输入端32连接，其作用是将发电机发出的交流电转化为电解制氢系统电能输入端可接收的直流电。
可升降伸缩轴19采用电动伸缩轴。
参照附图3，海水淡化系统2包括预处理设备21、高压泵22和反渗透膜元件23。其中，预处理设备21的入口连通外界海水，预处理设备21的出口通过管道与高压泵22的入口连接，高压泵22出口与反渗透膜元件23的入口连接，反渗透膜元件23中的反渗透膜将其内部空间沿着介质流向隔为前后两部分；入口处为前部分，即反渗透膜前端，内部空间较大用于吸收存放过滤海水，反渗透膜元件23的后端为过滤后的淡水，反渗透膜元件23的出口连接制氢子系统3的入口，为电解制氢提供水原料，预处理设备21包括过滤器、微滤器和软化水处理器，其中，过滤器的出口连接微滤器的入口，微滤器的出口连接软化水处理器的入口。以上方式将混有杂质的海水除净，高压泵22工作将过滤后的海水打入到反渗透膜元件23的前端，通过反渗透技术，将海水净化，产生淡水用于电解制氢。
海水淡化系统也可采用市售海水淡化设备，如，润德澳生产的RDA-FSHB5型或其他功率的型号。
电解制氢系统可以采用市售制氢成套设备，如，苏州苏州竞立制氢设备有限公司中压水电解制氢成套装置DQ2-1000m3系列产品。
电解制氢系统3是通过在电解槽34上通电电解水产生氢气，其中，电解槽34上设置有介质输入端31、电能输入端32、气体输出口33，以及用于存储氢气的氢气存储钢瓶35。氢气存储钢瓶35入口阀门361和后362的开关控制信号输入端连接控制系统的输出端，氢气存储钢瓶35通过控制系统控制氢气存储罐入口阀门361和出口阀门362的开关，达到接收制氢子系统制出氢气存储，并将氢气传送给内燃机燃烧目的；介质输入端31与海水淡化系统的液体出口连接，原料采用经过海水过滤后的纯水；电能输入端32与海缆112后端的整流器114连接，利用潮流能发电装置发出的电为电解制氢环节提供直流电能；气体输出口33分为阴极气体出口和阳极气体出口，阴极气体出口产生氢气与氢气存储钢瓶35的入口连接，电解槽34中采用氢氧化钠溶液。
动力驱动系统4包括氢气内燃机41、传动轴42和螺旋桨43；传动轴42的从动端与螺旋桨43连接，主动端与氢气内燃机41连接，氢气内燃机41燃烧氢气工作带动传动系统中的传动轴42和螺旋桨43转动，利用水给的反作用力，推动船舶前行，从而实现将氢气的化学能化为螺旋桨的转动驱动力。
参照附图4，控制系统包括控制器51，控制器51设置有控制器输入端52和控制器输出端53；控制器输入端52作为控制系统5的输入端，控制器输出端53作为控制系统5的输出端，控制器输出端53连接转向电机控制信号输入端，控制器输入端52连接方向传感器111，方向传感器111实时监控控制器51判断潮流能导流罩11的开口方向与潮流方向是否一致，若有偏差，则控制器输出端53的一端点与转向装置110连接，输出启动信号，使其转动直至对准潮流方向停止；控制器输出端53还连接可升降伸缩轴19和转动缆装113驱动电机控制信号输入端，当需要潮流能能量转换系统下潜至海里或返回船舶舱体时，控制器51同时发出下放或收回信号至可升降伸缩轴19和转动缆装113驱动电机，使其工作带动潮流能能量转换系统置于水下或返回。控制器输出端53还与高压泵22、氢气存储罐的入口阀门351和出口阀门362控制输入端相连，用于控制启停或开关工作。
本发明的分为停靠充电与放电行驶阶段，具体过程为：
停靠产氢储氢阶段：船舶在港口停靠时，由于港口、岸边、海峡、岛屿之间的水道或湾口则潮流速度很大，海岸的集流作用能使潮流更为丰富，船舶停靠不出海期间，充分利用良好的潮流能能源，也能根据需求调整氢动力船的停靠位置以获得更多潮流能，达到为船舶提供原始能量动力的目的。首先控制系统同步发出信号至可升降伸缩轴19和转动缆装113的驱动电机，同步工作可升降伸缩轴19拉伸及海缆112解缆，带动潮流能能量转换系统中的导流罩11和发电机构下潜至海里，基础18坐落于海床上。海水流过潮流能能量转换系统的叶轮12带动其转动，进而带动转轴14转动，拖动发电机16发电工作；发电机产生的电通过海缆112和整流器114送至电解制氢系统3的电能输入端32，为电解制氢提供电能。当方向传感器111提供信息显示潮流能导流罩11的开口方向与潮流方向不一致时，则控制器输出端53的一端点发出信号至转向电机使其工作，转动直至对准潮流方向停止。发电过程中同步地控制系统发出信号让海水淡化系统2同步工作，将海洋中的海水提取淡化送至电解制氢系统3中，用作电解制氢原料。电解制氢设备在通电状态下，结合电解液将水电解为氢气，再输送至氢气存储钢瓶35中。当不需要制氢时，控制系统控制停止所有系统工作，关闭前端阀门361，完成制氢和氢气存储。并对可升降伸缩轴19和转动缆装113驱动电机发出收起信号，将潮流能能量转换系统1收至船舶舱内，使船舶在行驶过程中潮流能发电装置对船舶行驶不构成阻力。
行驶放电阶段：船舶行驶过程中需要本装置配合辅助船舶原动力系统工作时，控制系统首先控制系统给后端阀门362发出打开信号，氢气存储钢瓶35中的氢气送至氢气内燃机41中带动其工作，再通过传动轴42与螺旋桨43转动工作，最终完成将海水中的潮流能吸收变为电能，中间转化为氢气存储，燃烧氢气将其化学能化为旋转机械能的过程，为船舶提供辅助推动力，使其行驶。

Claims (10)

1.一种吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，包括舱体，舱体中设置潮流能发电装置(1)、海水淡化系统(2)、电解制氢系统(3)、动力驱动系统(4)和控制系统(5)；潮流能发电装置(1)的电能输出端连接电解制氢系统(3)电能输入端，海水淡化系统(2)的出水口连通电解制氢系统(3)的介质入口，电解制氢系统(3)的产品出口连通动力驱动系统(4)的工质入口；控制系统(5)的输出端分别连接潮流能发电装置(1)、海水淡化系统(2)、电解制氢系统(3)以及动力驱动系统(4)的控制信号输入端；潮流能发电装置(1)可升降地设置在舱体中；
潮流能发电装置(1)用于实现捕获海洋能中潮流能量并转换为电能，
海水淡化系统(2)用于将海水淡化和净化电解制氢所需原材料水，
用于产生氢气的电解制氢系统(3)；
动力驱动系统(4)为船舶行驶提供动力。
2.根据权利要求1所述吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，潮流能发电装置(1)包括导流罩(11)和发电机构；导流罩(11)沿潮流能发电装置轴向一周设置，导流罩(11)沿发电机构轴向形成水流通道，发电机构外侧设置机舱(17)，采用塔架连接机舱(17)与导流罩(11)，发电机构的输出端连接电解制氢系统(3)的电能输入端，导流罩(11)的底部设置基础(18)。
3.根据权利要求1所述吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，导流罩(11)的两端为喇叭口结构。
4.根据权利要求1所述吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，舱体与潮流能发电装置(1)之间通过可升降伸缩轴(19)连接，可升降伸缩轴(19)的动力控制信号输入端连接控制系统(5)的输出端，潮流能发电装置(1)的电能输出端通过海缆(112)连接电解制氢系统(3)的电能输入端，舱体中还设置有转动缆装(113)，海缆(112)绕于转动缆装(113)，转动缆装(113)的动力采用电机，所述电机的控制信号输入端连接控制系统的输出端。
5.根据权利要求4所述吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，潮流能发电装置(1)中设置有方向传感器(111)，方向传感器(111)连接控制系统(5)的输入端，潮流能发电装置(1)的顶部设置有转向装置，转向装置固定部连接伸缩机构，转向装置的转动部连接潮流能发电装置(1)的顶部，转向装置(110)采用转向电机驱动，所述转向电机的控制信号输入端连接控制系统(5)的输出端。
6.根据权利要求1所述吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，电解制氢系统(3)设置有介质输入端(31)、电能输入端(32)、电解槽(34)和氢气存储装置(35)，电解槽(34)上开设气体输出口(33)，气体输出口(33)连通氢气存储装置(35)入口，氢气存储装置(35)的出口连通动力驱动系统(4)的工质入口，介质输入端(31)连通海水淡化系统(2)的出水口；电能输入端(32)连接潮流能发电装置(1)的电能输出端。
7.根据权利要求1所述吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，动力驱动系统(4)包括氢气内燃机(41)、传动轴(42)和螺旋桨(43)，氢气存储装置的出口连通氢气内燃机(41)的工质入口，氢气内燃机(41)的输出端连接传动轴(42)的主动端，传动轴(42)的从动端连接螺旋桨(43)。
8.根据权利要求6或7所述吸收潮流能方式的氢动力船，其特征在于，氢气存储装置的入口和出口均设置有阀门，所述阀门的控制信号输入端连接控制系统(5)的输出端。
9.一种吸收潮流能方式的氢动力船的运行方法，其特征在于，包括以下过程，
停靠制氢储氢阶段：将潮流能发电装置从舱体下放水中至海床底，潮流能发电装置(1)用潮流能进行发电并将电能输送至电解制氢系统(3)，同时海水淡化系统(2)工作，向电解制氢系统(3)提供纯水，电解制氢系统(3)以所述纯水为原料电解制备氢气，并将制备的氢气存储；制氢结束时，所有系统停止工作，将潮流能发电装置收回至舱体内；
需要辅助或替代船舶原动力系统工作时，控制系统(5)发送开启燃料指令，电解制氢系统(3)收到所述指令后向动力驱动系统(4)输送氢气，动力驱动系统(4)以所述氢气为燃料向船舶提供助推动力。
10.根据权利要求9所述的运行方法，其特征在于，当方向传感器(111)提供信息显示潮流能导流罩(11)的开口方向与潮流方向不一致时，则控制器输出端(53)的一端点发出信号至转向装置(110)使其工作，转动至对准潮流方向。
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