CN114379756A - 一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，该系统包括LNG燃料舱、气化装置、加热装置、燃料电池、蓄电池、配电板、电推马达、减速齿轮箱、轴系、螺旋桨，燃料电池将天然气转换为电能，然后给蓄电池充电，蓄电池通过配电板给电推马达供电，电推马达通过减速齿轮箱和轴系驱动螺旋桨转动。通过本发明的电力推进系统，可实现天然气到电能的直接转换，提高了能量转换效率，并通过蓄电池存储能量，确保了电能的储备，电推马达可实现电能到动能的高效转换，并使得船舶具有更好的机动性。
Description
技术领域
本发明涉及船舶建造技术领域，具体涉及一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统及方法。
背景技术
在全球排放日趋严格的背景下，越来越多的船舶选择清洁能源作为动力能源，其中天然气作为清洁能源也越来越多的应用到船舶推进系统当中，如何将天然气高效的转换成船舶动能是当今船舶动力系统研究的前沿课题。
专利号CN205113674U公开了一种具有全回转舵桨的船舶电力推进装置和船舶。该具有全回转舵桨的船舶电力推进装置，包括：电站系统、推进电机系统和舵桨系统；电站系统包括发电机组和配电板，发电机组的电能输出端与配电板的输入端相连；推进电机系统包括滤波器、变频器和推进电机，滤波器的输入端与配电板的输出端相连；变频器的输出端与滤波器的输出端相连，推进电机的电能输入端与变频器的输出端相连；舵桨系统包括至少一台全回转舵桨，每台全回转舵桨由一台推进电机独立驱动，该发明使用内燃机发电供电机驱动全回转舵桨，内燃机发电的能源利用率不高，且没有蓄电池蓄电。
目前大多数使用天然气的船舶都是使用双燃料的内燃机来燃烧天然气，要么是使用双燃料发电机转换成电能，要么是使用双燃料主机直接驱动螺旋桨，系统设计复杂且能源利用率不高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统及方法，本发明的推进系统及方法将天然气通过燃料电池将化学能转化为电能供给推进马达带动螺旋桨转动，从而为船舶行驶提供动力，提高了能源转化率，且系统设计简单，降低安装成本。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，该系统包括燃料模块、电力模块和驱动模块；燃料模块包括LNG燃料舱、汽化装置、加热装置和燃料电池；电力模块包括蓄电池和配电板，驱动模块包括电推马达、减速齿轮箱、轴系和螺旋桨；所述燃料模块与所述电力模块连接，所述电力模块与所述驱动模块连接；所述LNG燃料舱安装在船舶主甲板上，所述LNG燃料舱与所述汽化装置输入端通过第一燃气管连接，所述第一燃气管上安装控制阀，所述汽化装置输出端与所述加热装置进口端通过第二燃气管连接，所述加热装置出口与所述燃料电池输入端通过第三燃气管连接；所述燃料电池输出端与所述蓄电池输入端通过高压电缆连接，所述蓄电池输出端与配电板输入端连接；所述配电板输出端与所述电推马达输入端连接，所述电推马达输出端与所述减速齿轮箱输入端通过连轴节连接，所述减速齿轮箱输出端与所述中间轴一端连接，所述中间轴另一端与所述艉轴一端连接，所述艉轴另一端与螺旋桨连接。
上述LNG燃料舱中的天然气为液态状态。
上述配电板包括高压配电板和低压配电板；所述配电板中的高压配电板通过高压电缆与所述电推马达连接，所述配电板中的低压配电板供给船舶舱室常规用电。
一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进的方法，该方法具体包括以下步骤：
第一步，将燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统安装在船舶上，该系统包括燃料模块、电力模块和驱动模块；燃料模块包括LNG燃料舱、汽化装置、加热装置和燃料电池；电力模块包括蓄电池和配电板，驱动模块包括电推马达、减速齿轮箱、轴系和螺旋桨；所述燃料模块与所述电力模块连接，所述电力模块与所述驱动模块连接；所述LNG燃料舱安装在船舶主甲板上，所述LNG燃料舱与所述汽化装置输入端通过第一燃气管连接，所述第一燃气管上安装控制阀，所述汽化装置输出端与所述加热装置进口端通过第二燃气管连接，所述加热装置出口与所述燃料电池输入端通过第三燃气管连接；所述燃料电池输出端与所述蓄电池输入端连接，所述蓄电池输出端与配电板输入端连接；所述配电板输出端与所述电推马达输入端连接，所述电推马达输出端与所述减速齿轮箱输入端通过连轴节连接，所述减速齿轮箱输出端与所述中间轴一端连接，所述中间轴另一端与所述艉轴一端连接，所述艉轴另一端与螺旋桨连接；
第二步，开启第一燃料管上的控制阀，LNG燃料舱中的液态天然气通过第一燃料管进入汽化装置，启动汽化装置将进入汽化装置的液态天然气转换为气态天然气；气态天然气经过第二燃气管进入加热装置；
第三步，启动加热装置将进入加热装置的气态天然气进行加热，使天然气处于常温常压状态，经过加热装置的天然气通过第三燃气管进入燃料电池；
第四步，启动燃料电池将天然气的化学能转变为电能，并通过高压电缆输送到蓄电池进行电能储存；启动配电板将蓄电池中的电能供电给电推马达；
第五步，启动电推马达，通过连轴节带动减速齿轮箱，减速齿轮箱通过中间轴带动艉轴转动，艉轴带动螺旋桨转动，螺旋桨转动从而推动船舶行驶。
上述第五步中的减速齿轮箱将电推马达的高转速转换成低转速后带动中间轴转动。
上述第四步中的蓄电池电能储存，在船舶航行之前，燃料电池发电将蓄电池的电能储存到满状态。
基于上述方案，本发明的推进系统及方法经过实践取得了如下积极有益效果：
1.本发明通过本发明的燃料电池和蓄电池组合，能最大限度的利用燃料电池和蓄电池的优势；燃料电池能量转换效率高，但是输出功率有限，无法直接满足船舶动力系统在高负荷时的需求，通过蓄电池供电给电推马达结合，满足船舶行驶过程中各种负荷要求，提高了能源转换率的同时满足船舶动力负荷要求。
2.本发明通过配电板中的高压配电板和低压配电板为电推马达供电的同时，还供给船舶其他舱室用电的需求，方便船舶舱室用电。
3.本发明通过蓄电池对燃料电池产生的电能进行储存，使船舶行驶过程中有充足的电力供给，避免了燃料电池发生故障时，船舶无法运行的情况。
附图说明
图1是本发明一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统中的船舶动力系统工作原理图。
图中标注的含义为：
1.燃料舱；2.气化装置；3.加热装置；4.燃气管；5.燃料电池；6.蓄电池；7.配电板；8.电推马达；9.减速齿轮箱；10.中间轴和艉轴；11.螺旋桨。
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明了，下面通过附图中示出的具体实例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，该系统包括燃料模块、电力模块和驱动模块；燃料模块包括LNG燃料舱1、汽化装置2、加热装置3和燃料电池5；电力模块包括蓄电池6和配电板7，驱动模块包括电推马达8、减速齿轮箱10、中间轴11、艉轴12和螺旋桨13；所述燃料模块与所述电力模块连接，所述电力模块与所述驱动模块连接；所述LNG燃料舱1安装在船舶主甲板上，所述LNG燃料舱1与所述汽化装置2输入端通过第一燃气管41连接，所述第一燃气管41上安装控制阀，所述汽化装置2输出端与所述加热装置3进口端通过第二燃气管42连接，所述加热装置3出口与所述燃料电池5输入端通过第三燃气管43连接；所述燃料电池5输出端与所述蓄电池6输入端通过高压电缆连接，所述蓄电池6输出端与配电板7输入端连接；所述配电板7输出端与所述电推马达8输入端连接，所述电推马达8输出端与所述减速齿轮箱10输入端通过连轴节9连接，所述减速齿轮箱10输出端与所述中间轴11一端连接，所述中间轴11另一端与所述艉轴12一端连接，所述艉轴12另一端与螺旋桨13连接。
上述LNG燃料舱1中的天然气为液态状态。
上述配电板7包括高压配电板和低压配电板；所述配电板7中的高压配电板通过高压电缆与所述电推马达8连接，所述配电板7中的低压配电板供给船舶舱室常规用电。高压配电板和低压配电板可根据船舶用电需求进行电力分配，提高电力使用效率。
一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进的方法，该方法具体包括以下步骤：
第一步，将燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统安装在船舶上，该系统包括燃料模块、电力模块和驱动模块；燃料模块包括LNG燃料舱1、汽化装置2、加热装置3和燃料电池5；电力模块包括蓄电池6和配电板7，驱动模块包括电推马达8、减速齿轮箱10、中间轴11、艉轴12和螺旋桨13；所述燃料模块与所述电力模块连接，所述电力模块与所述驱动模块连接；所述LNG燃料舱1安装在船舶主甲板上，所述LNG燃料舱1与所述汽化装置2输入端通过第一燃气管41连接，所述第一燃气管41上安装控制阀，所述汽化装置2输出端与所述加热装置3进口端通过第二燃气管42连接，所述加热装置3出口与所述燃料电池5输入端通过第三燃气管43连接；所述燃料电池5输出端与所述蓄电池6输入端通过高压电缆连接，所述蓄电池6输出端与配电板7输入端连接；所述配电板7输出端与所述电推马达8输入端连接，所述电推马达8输出端与所述减速齿轮箱10输入端通过连轴节9连接，所述减速齿轮箱10输出端与所述中间轴11一端连接，所述中间轴11另一端与所述艉轴12一端连接，所述艉轴12另一端与螺旋桨13连接；
第二步，开启第一燃料管41上的控制阀，LNG燃料舱1中的液态天然气通过第一燃料管41进入汽化装置2，启动汽化装置2将进入汽化装置2的液态天然气转换为气态天然气；气态天然气经过第二燃气管42进入加热装置3；利用加热装置3改变天然气状态，方便天然气后续使用；
第三步，启动加热装置3将进入加热装置3的气态天然气进行加热，使天然气处于常温常压状态，经过加热装置3的天然气通过第三燃气管43进入燃料电池5；使用燃料电池5代替内燃机发电，提高了电能转化效率，降低了能源成本；加热装置3将天然气加热到常温常压下，提高了天然气的利用效率；
第四步，启动燃料电池5将天然气的化学能转变为电能，并通过高压电缆输送到蓄电池6进行电能储存；启动配电板7将蓄电池6中的电能供电给电推马达8；使用蓄电池6进行电能储存，可随时对电推马达8进行供电，同时也保证了对船舶其他舱室供电；
第五步，启动电推马达8，通过连轴节9带动减速齿轮箱10，减速齿轮箱10通过中间轴11带动艉轴12转动，艉轴12带动螺旋桨13转动，螺旋桨13转动从而推动船舶行驶。
上述第四步中的蓄电池6电能储存，在船舶航行之前，燃料电池5发电将蓄电池6的电能储存到满状态；使船舶航行期间，蓄电池电量满足船舶航行需要。
上述第五步中的减速齿轮箱10将电推马达8的高转速转换成低转速后带动中间轴11转动。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (6)
1.一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，其特征在于，该系统包括燃料模块、电力模块和驱动模块；燃料模块包括LNG燃料舱(1)、汽化装置(2)、加热装置(3)和燃料电池(5)；电力模块包括蓄电池(6)和配电板(7)，驱动模块包括电推马达(8)、减速齿轮箱(10)、中间轴(11)、艉轴(12)和螺旋桨(13)；所述燃料模块与所述电力模块连接，所述电力模块与所述驱动模块连接；所述LNG燃料舱安装在船舶主甲板上，所述LNG燃料舱(1)与所述汽化装置(2)输入端通过第一燃气管(41)连接，所述第一燃气管(41)上安装控制阀，所述汽化装置(2)输出端与所述加热装置(3)进口端通过第二燃气管(42)连接，所述加热装置(3)出口与所述燃料电池(5)输入端通过第三燃气管(43)连接；所述燃料电池(5)输出端与所述蓄电池(6)输入端通过高压电缆连接，所述蓄电池(6)输出端与配电板(7)输入端连接；所述配电板(7)输出端与所述电推马达(8)输入端连接，所述电推马达(8)输出端与所述减速齿轮箱(10)输入端通过连轴节(9)连接，所述减速齿轮箱(10)输出端与所述中间轴(11)一端连接，所述中间轴(11)另一端与所述艉轴(12)一端连接，所述艉轴(12)另一端与螺旋桨(13)连接。
2.根据权利1所述的一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，其特征在于，所述LNG燃料舱(1)中的天然气为液态状态。
3.根据权利1所述的一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，其特征在于，所述配电板(7)包括高压配电板和低压配电板；所述配电板(7)中的高压配电板通过高压电缆与所述电推马达(8)连接，所述配电板(7)中的低压配电板供给船舶舱室常规用电。
4.一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
第一步，将燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统安装在船舶上，该系统包括燃料模块、电力模块和驱动模块；燃料模块包括LNG燃料舱(1)、汽化装置(2)、加热装置(3)和燃料电池(5)；电力模块包括蓄电池(6)和配电板(7)，驱动模块包括电推马达(8)、减速齿轮箱(10)、中间轴(11)、艉轴(12)和螺旋桨(13)；所述燃料模块与所述电力模块连接，所述电力模块与所述驱动模块连接；所述LNG燃料舱安装在船舶主甲板上，所述LNG燃料舱(1)与所述汽化装置(2)输入端通过第一燃气管(41)连接，所述第一燃气管(41)上安装控制阀，所述汽化装置(2)输出端与所述加热装置(3)进口端通过第二燃气管(42)连接，所述加热装置(3)出口与所述燃料电池(5)输入端通过第三燃气管(43)连接；所述燃料电池(5)输出端与所述蓄电池(6)输入端通过高压电缆连接，所述蓄电池(6)输出端与配电板(7)输入端连接；所述配电板(7)输出端与所述电推马达(8)输入端连接，所述电推马达(8)输出端与所述减速齿轮箱(10)输入端通过连轴节(9)连接，所述减速齿轮箱(10)输出端与所述中间轴(11)一端连接，所述中间轴(11)另一端与所述艉轴(12)一端连接，所述艉轴(12)另一端与螺旋桨(13)连接；
第二步，开启第一燃料管(41)上的控制阀，LNG燃料舱(1)中的液态天然气通过第一燃料管(41)进入汽化装置(2)，启动汽化装置(2)将进入汽化装置(2)的液态天然气转换为气态天然气；气态天然气经过第二燃气管(42)进入加热装置(3)；
第三步，启动加热装置(3)将进入加热装置(3)的气态天然气进行加热，使天然气处于常温常压状态，经过加热装置(3)的天然气通过第三燃气管(43)进入燃料电池(5)；
第四步，启动燃料电池(5)将天然气的化学能转变为电能，并通过高压电缆输送到蓄电池(6)进行电能储存；启动配电板(7)将蓄电池(6)中的电能供电给电推马达(8)；
第五步，启动电推马达(8)，通过连轴节(9)带动减速齿轮箱(10)，减速齿轮箱(10)通过中间轴(11)带动艉轴(12)转动，艉轴(12)带动螺旋桨(13)转动，螺旋桨(13)转动从而推动船舶行驶。
5.根据权利4所述的一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，其特征在于，所述第五步中的减速齿轮箱(10)将电推马达(8)的高转速转换成低转速后带动中间轴(11)转动。
6.根据权利4所述的一种燃料电池和蓄电池组合的船舶电力推进系统，其特征在于，所述第四步中的蓄电池(6)电能储存，在船舶航行之前，燃料电池(5)发电将蓄电池(6)的电能储存到满状态。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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