CN112249292A - 一种液氢高温超导电机全电力推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氢高温超导电机全电力推进系统，涉及船舶技术领域，该系统由液氢存储输送模块储存液氢并将液氢输送给动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块进行降温以保证各个模块的工作性能，液氢对各个模块降温后进入换热器进行换热形成常温的氢气输送到氢空燃料电池发电模块作为燃料，氢空燃料电池发电模块利用氢气与空气的电化学反应发电并通过超导电缆输变电模块给动力推进模块供电，该系统对整个电力推进系统进行多能态管理，可以大幅提升电机功率、效率和能源使用效率，节省船体空间，能够满足多工况下的转矩要求，不同侧重地增加航速、续航力和有效载荷量，降低自噪和辐射噪声。

Description

一种液氢高温超导电机全电力推进系统
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种液氢高温超导电机全电力推进系统。
背景技术
目前常见的动力推进系统主要有高能锂电动力推进系统、燃油动力型动力推进系统和核动力型动力推进系统，这几个动力推进系统各有特点：
高能锂电动力推进系统是当前较为成熟的动力推进系统，在续航力、安全性、充电速度、使用寿命、电能综合管理技术方面都还有待进一步提升，因此目前主要用在小型海洋航行器、低速潜水器和小型民用船舶上，通常不会用在海战平台上。
核动力型动力推进系统虽然具有极高的能量密度，但因其技术难度极高、结构系统非常复杂、潜在安全风险等级高、研制费用和一次性维护费用很高等特点，目前应用面还比较窄，一般也不太会被应用在海战平台上。
目前绝大多数海战平台都采用燃油动力型动力推进系统，虽然该系统技术成熟度高，但仍存在以下难以克服的问题：(1)系统技术路径基本固化，系统主要性能指标提升空间有限；(2)动力主机比功率相对较低，传动装置多且结构复杂，自重和占用空间大，总体适装性受限，对某些结构要求极高的平台来讲，间接降低了有效负载；(3)以柴油作为主要燃料，能量密度有限，能源利用效率接近极限，自持力相对较低，有效载荷扩展能力有限，效费比低；(4)主机噪声高，传动装置振动大、振动辐射噪声高，系统减振降噪措施繁杂，作用也不明显；(5)电机热辐射高，降温冷却效率低，红外隐身性差。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种液氢高温超导电机全电力推进系统，本发明的技术方案如下：
一种液氢高温超导电机全电力推进系统，该系统包括液氢存储输送模块、换热器、动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块；
液氢存储输送模块用于储存液氢并将液氢输送给动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块进行降温；
液氢对各个模块降温后进入换热器进行换热形成常温的氢气输送到氢空燃料电池发电模块作为燃料，氢空燃料电池发电模块利用氢气与空气的电化学反应发电并通过超导电缆输变电模块给动力推进模块供电。
其进一步的技术方案为，液氢存储输送模块将液氢分别输送到动力推进模块和超导电缆输变电模块进行降温，动力推进模块和超导电缆输变电模块流出的氢混合物均输送到氢空燃料电池发电模块进行降温，氢空燃料电池发电模块流出的氢混合物经过换热器形成常温的氢气输送到氢空燃料电池发电模块作为燃料，其中氢混合物包括液氢和氢气。
其进一步的技术方案为，动力推进模块包括高温超导电机、传动轴和螺旋桨，螺旋桨通过传动轴连接高温超导电机的电机轴，液氢存储输送模块将液氢输送到高温超导电机内部的换热器处与高温超导电机内部的氦气进行换热。
其进一步的技术方案为，超导电缆输变电模块包括高温超导电缆、电机驱动电源线、逆变器和终端，高温超导电缆和电机驱动电源线串联连接在氢空燃料电池发电模块与动力推进模块之间，高温超导电缆和电机驱动电源线通过终端进行过渡转换，电机驱动电源线通过逆变器连接到动力推进模块进行供电，液氢存储输送模块将液氢输送到高温超导电缆进行换热。
其进一步的技术方案为，液氢存储输送模块包括液氢储罐和氢输送管路，液氢储罐中储存有液氢，液氢储罐的底部通过氢输送管路将液氢输送给动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块进行降温，液氢储罐的顶部还通过氢输送管路将液氢挥发产生的氢气输送到换热器。
其进一步的技术方案为，液氢储罐高压密闭、真空且绝热。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种液氢高温超导电机全电力推进系统，该系统为海战平台提供了一种全新的动力推进系统，对整个电力推进系统进行多能态管理，通过对液氢冷量的精准控制来对不同部件的工作温度进行统筹管理使其保持较优的工作性能，利用高温超导电机的高比功率、低温环境下电力传输系统的近零能损特点、氢-空气燃料电池的高比能、低温液氢的高能量密度，可以大幅提升电机功率、效率和能源使用效率，节省船体空间，能够满足多工况下的转矩要求，不同侧重地增加航速、续航力和有效载荷量，降低自噪和辐射噪声。
附图说明
图1是本申请公开的液氢高温超导电机全电力推进系统的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种液氢高温超导电机全电力推进系统，该系统主要用于海战平台上，包括液氢存储输送模块、换热器、动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块。液氢存储输送模块用于储存液氢并将液氢输送给动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块进行降温，液氢对各个模块降温后进入换热器进行换热形成常温的氢气输送到氢空燃料电池发电模块作为燃料，氢空燃料电池发电模块利用氢气与空气的电化学反应发电并通过超导电缆输变电模块给动力推进模块供电。
具体的，请参考图1，液氢存储输送模块包括液氢储罐1和氢输送管路2，液氢储罐1中储存有液氢，液氢储罐高压密闭、真空且绝热，降低液氢的挥发。液氢储罐1的底部通过氢输送管路2将液氢输送给动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块进行降温。
实际本申请的结构是，液氢存储输送模块首先将液氢分别输送到动力推进模块和超导电缆输变电模块进行降温，也即液氢储罐1的底部通过氢输送管路2连接到动力推进模块和超导电缆输变电模块。
动力推进模块包括高温超导电机3、传动轴4和螺旋桨5，螺旋桨5通过传动轴4连接高温超导电机3的电机轴，高温超导电机3产生的旋转扭矩通过传动轴4传递到螺旋桨3上，利用螺旋桨旋转产生推力。液氢存储输送模块将液氢输送到高温超导电机3内部的换热器6处与高温超导电机3内部的氦气进行换热，经冷却后的低温氦气用来营造和维持高温超导电机3内部的低温环境。
超导电缆输变电模块至少包括高温超导电缆7，液氢存储输送模块将液氢输送到高温超导电缆7进行换热，高温超导电缆的临界温度为110K，液氢温度约为22K，利用液氢的冷量能够使高温超导电缆7维持超导状态，大大降低电力输送时的损耗。
动力推进模块和超导电缆输变电模块流出的氢混合物均经氢输送管路输送到氢空燃料电池发电模块进行降温，其中氢混合物包括液氢和氢气，这里的氢气通常是温度低于常温的低温氢气，是由液氢在对动力推进模块和超导电缆输变电模块降温过程中换热形成的。氢空燃料电池发电模块主要包括氢-空气燃料电池8，氢混合物进入氢-空气燃料电池8内部的热交换机9，利用氢混合物中的冷量对氢-空气燃料电池8进行冷却，维持燃料电池的工作温度。
本申请设计上述这种冷却结构是因为各个模块所要求的工作温度有一定的区别，因此本申请采用这种冷却结构设计对液氢中的冷量进行统筹管理，再通过对液氢流量、流速及换热设备的设计，使各模块处于其额定工作温度，使各模块之间能够正常运行。
氢空燃料电池发电模块流出的氢混合物经过换热器10形成常温的氢气输送到氢空燃料电池发电模块作为燃料。同样的，氢空燃料电池发电模块流出的氢混合物包括液氢和氢气，氢气通常是液氢降温过程中形成的低温氢气。本申请中的换热器10可以采用板翅式换热器实现，氢混合物在换热器10中与外界环境进行换热，温度升高成为常温氢气，达到氢-空气燃料电池8的工作温度。
另外，由于液氢储罐1中不可避免的漏热现象，其内部储存的液氢也不可避免会自然挥发形成氢气。则液氢储罐1的顶部还通过氢输送管路2将液氢挥发产生的氢气输送到换热器10，该挥发形成的氢气通常也是低温氢气，因此同样经过换热器10提高温度。
换热器10输出的常温氢气输送到氢空燃料电池发电模块作为燃料，也即输送进入氢-空气燃料电池8，同时氢-空气燃料电池8获取空气，该空气可以来自于外界大气环境，也可以来自于储存有空气的高压气罐。常温氢气与空气在氢-空气燃料电池8中发生电化学反应，产生并存储电量。
氢空燃料电池发电模块产生的电量通过超导电缆输变电模块给动力推进模块供电，超导电缆输变电模块除了包括高温超导电缆7之外，还包括电机驱动电源线11、逆变器12和终端13，高温超导电缆7和电机驱动电源线11串联连接在氢空燃料电池发电模块与动力推进模块之间，如图1所示，在发电端，氢-空气燃料电池8通过电机驱动电源线11连接高温超导电缆7；在用电端，高温超导电缆7通过电机驱动电源线11连接高温超导电机3，传输过程由高温超导电缆7进行远距离电力输送，可以大大降低电力损耗。高温超导电缆7和电机驱动电源线11通过终端13进行过渡转换，电机驱动电源线11通过逆变器12连接到动力推进模块，逆变器12将直流电转换为交流电后驱动高温超导电机3工作。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液氢高温超导电机全电力推进系统，其特征在于，所述系统包括液氢存储输送模块、换热器、动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块；
所述液氢存储输送模块用于储存液氢并将液氢输送给所述动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块进行降温；
液氢对各个模块降温后进入所述换热器进行换热形成常温的氢气输送到所述氢空燃料电池发电模块作为燃料，所述氢空燃料电池发电模块利用氢气与空气的电化学反应发电并通过所述超导电缆输变电模块给所述动力推进模块供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液氢存储输送模块将液氢分别输送到所述动力推进模块和所述超导电缆输变电模块进行降温，所述动力推进模块和所述超导电缆输变电模块流出的氢混合物均输送到所述氢空燃料电池发电模块进行降温，所述氢空燃料电池发电模块流出的氢混合物经过所述换热器形成常温的氢气输送到所述氢空燃料电池发电模块作为燃料，其中氢混合物包括液氢和氢气。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述动力推进模块包括高温超导电机、传动轴和螺旋桨，所述螺旋桨通过所述传动轴连接所述高温超导电机的电机轴，所述液氢存储输送模块将液氢输送到所述高温超导电机内部的换热器处与所述高温超导电机内部的氦气进行换热。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超导电缆输变电模块包括高温超导电缆、电机驱动电源线、逆变器和终端，所述高温超导电缆和电机驱动电源线串联连接在所述氢空燃料电池发电模块与所述动力推进模块之间，所述高温超导电缆和电机驱动电源线通过所述终端进行过渡转换，所述电机驱动电源线通过所述逆变器连接到所述动力推进模块进行供电，所述液氢存储输送模块将液氢输送到所述高温超导电缆进行换热。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述液氢存储输送模块包括液氢储罐和氢输送管路，所述液氢储罐中储存有液氢，所述液氢储罐的底部通过氢输送管路将液氢输送给所述动力推进模块、氢空燃料电池发电模块和超导电缆输变电模块进行降温，所述液氢储罐的顶部还通过氢输送管路将液氢挥发产生的氢气输送到所述换热器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述液氢储罐高压密闭、真空且绝热。
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