CN116928026A - 一种船用多功能储能装置系统及方法 - Google Patents

一种船用多功能储能装置系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种船用多功能储能装置系统及方法，主要包括：气液换热器、膨胀机、船舶推进器、中高温聚焦式太阳能集热器、降膜式蒸发器、低压压气机、高压压气机、风力发电机、电动机、储热罐、高压储气罐、凝汽器、预热器、减压喷头、水泵和相关的阀门。该系统将可再生能源与压缩空气储能有机结合，提供船舶运行时的推进动力，降低了船舶运行的综合能耗，同时也能持续供应海上航行所需的珍贵淡水资源，实现航海船舶淡水的自给自足。本发明实现了海上船舶绿色可持续能源的综合利用，将可再生能源、储能及海水淡化相结合，提高了可再生能源的利用效率，极大程度地降低了系统的运行成本，具有较好的综合应用前景。

Description

一种船用多功能储能装置系统及方法
技术领域
本发明涉及储能与绿色能源利用技术领域，尤其涉及一种船用多功能储能装置系统及运行方法。
背景技术
风能、太阳能作为清洁能源，其分布广泛、能量巨大，相对于其他可再生能源，在航运中比较容易获取。然而，可再生能源本身具有较强的随机性、不稳定性和间歇性限制了其大规模应用和发展。储能技术通过能量在不同时间的平移，将不稳定性、间歇性的可再生能源转化为可持续的高品质的能量，从而实现可再生能源的大规模应用。
压缩空气储能技术具有容量大、寿命长、成本低等优点，是最具有发展潜力的电力储能技术之一。目前，船用动力系统主要是以混合动力系统为主，虽然能减少不可再生能源消耗，但是废气排放问题仍严峻。另外压缩空气储能系统运行时功能单一，直接影响经济效益。因此，有必要开发一种应用于船舶运行且结合风能、太阳能及储能的多功能综合用能系统。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种船用多功能储能装置系统及运行方法，其能利用海上丰富的风能、太阳能等可再生资源结合海上航行船舶特有的冷却海水设置高效压缩空气储能模式为船舶航行提供全天候持续的动力，同时也能制造航海过程急需的珍贵淡水，最大限度提高了系统的能源综合利用率。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种船用多功能储能装置系统，它包括由气液换热器、膨胀机、船舶推进器、中高温聚焦式太阳能集热器、气液换热器、降膜式蒸发器、风力发电机、电动机、低压压气机、高压压气机、储热罐、预热器、高压储气罐、凝汽器、减压喷头、水泵和阀门所构成的压缩空气储能系统、储能释放-动力推进系统和海水淡化回路。
所述中高温聚焦式太阳能集热器能够提供250℃~300℃的导热油，进入气液换热器与空气换热。
所述气液换热器管外侧壳程能够承压，海水淡化过程预热后的海水在该换热器壳程升温时压力同步升高。
所述降膜式蒸发器同时具备闪蒸和降膜蒸发的汽液分离作用；管外侧壳程为常压，使离开气液换热器的高温高压海水经减压喷头进入降膜式蒸发器上方时压力陡降形成大量微细小液滴且瞬间达到饱和并进一步过热，此时产生剧烈的闪蒸效果，将海水物理分离为水蒸汽和未相变的海水，之后未发生相变的海水液滴在重力作用下喷洒落在降膜式蒸发器的竖直蒸发管上沿管壁面形成下降液膜，同时吸收管内介质的热量发生二次蒸发从未相变的海水进一步汽化分离为大量水蒸汽和浓海水。
所述压缩空气储能系统包括：气液换热器右侧入口通过第一阀门连通压缩空气储能进气口，左侧出口连通第三阀门一端；气液换热器左侧端通过第四阀门连通第三阀门另一端，右侧一端连通预热器的海水出口侧，右侧另一端通过第六阀门与低压压气机入口相连通；低压压气机出口通过第七阀门与降膜式蒸发器相连通；降膜式蒸发器设置在气液换热器下游，气液换热器中的海水经减压喷头流入降膜式蒸发器，降膜式蒸发器通过阀门与高压压气机入口相连通，其余端连通凝汽器蒸汽入口和卤水出口；高压压气机出口通过第十一阀门与储热罐相连通；储热罐另一端通过第十四阀门与预热器气体入口相连通；预热器气体出口与第十五阀门一端相连通，第十五阀门另一端直接与高压储气罐相连通；凝汽器底部通过水泵连通海水进口，右端连通淡水出口，顶端连通预热器海水进口；风力发电机利用风能发电连接电动机并向其提供电能，电动机将风力发电机提供的电能转化为机械能驱动低压压气机、高压压气机压缩空气；同时风力发电机也可以作为船舶推进器的供电装置，为船舶推进器提供电力转化为机械能直接驱动船舶航行。
所述储能释放-动力推进系统包括：气液换热器右侧入口通过第十二阀门连通储热罐，左侧出口连通第十二阀门一端；储热罐另一端通过第十三阀门与高压储气罐出口相连；膨胀机入口连通第二阀门另一端，膨胀机出口通过第五阀门与降膜式蒸发器相连；降膜式蒸发器设置在气液换热器下游，气液换热器中的海水经减压喷头流入降膜式蒸发器，降膜式蒸发器左端通过第九阀门与气液换热器相连通，其余端连通凝汽器蒸汽入口和卤水出口；气液换热器左侧一端通过第十阀门连通储能释放—动力推进排气口，右侧一端连通预热器的海水出口；凝汽器底部通过水泵连通海水进口，右端连通淡水出口，顶端连通预热器海水进口；船舶推进器通过内部设置的联轴器连接至膨胀机，膨胀机做功输出机械功通过配套联轴器驱动船舶推进器而推动船舶航行；同时船舶推进器也可以直接采用风力发电机提供的电力驱动运行，实现风能直接驱动船舶运行的能源转化应用。
所述海水淡化回路包括：气液换热器、降膜式蒸发器、预热器、凝汽器、减压喷头和水泵；所述海水淡化回路具有二级预热和太阳能/压缩空气放能余热升温以及二级汽化的汽液分离特性，极大地提高海水淡化效率。
所述系统不仅能够将海上丰富的风能和太阳能有机结合且综合高效转化与储存，而且当风平浪静的阴雨天或无风的夜晚也能够将储存的压缩空气能转化为船舶航行所需的机械能，为船舶全天候航行提供可持续的动力保障。
一种船用多功能储能装置系统的运行方法，其包括以下四种运行模式：
模式一，压缩空气储能：
Step1.1：关闭第二阀门、第五阀门、第九阀门、第十阀门、第十二阀门和第十三阀门，开启第一阀门、第三阀门、第四阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第十一阀门、第十四阀门和第十五阀门；
Step1.2：风力发电机产生持续电能驱动电动机，电动机将风力发电机所提供的电能转化为机械能驱动低压压气机、高压压气机运行并压缩空气，使进入其中的空气的温度和压力持续升高，空气从压缩空气储能进气口进入气液换热器吸收中高温聚焦式太阳能集热器提供的温度250~300℃的导热油的热量，然后经第三阀门、第四阀门进入气液换热器与海水换热，海水吸热升温至100~120℃，一次降温后的空气经第六阀门送入低压压气机进行一级压缩，升温升压后180~220℃的空气经第七阀门进入降膜式蒸发器与海水二次换热，此时空气完成一级升压与二次降温，之后形成低温中压空气再经第八阀门送入高压压气机进行二级压缩，此时空气温度再次升高至500~600℃，压力急剧升高达到目标储能压力约8~10MPa；
Step1.3：二级压缩的空气从高压压气机排气口排出沿第十一阀门流动至储热罐，被储热罐中的中温相变储能材料吸收热量三次降温至200~300℃，接着压缩空气从储热罐离开后经第十四阀门进入预热器四次降温冷却并完成海水淡化过程的二级预热，四次降温后的40~50℃压缩空气经第十五阀门流动至高压储气罐后完成低温高压压缩空气的制备与储存，低温高压压缩空气压力在8~10MPa；
模式二，储能释放-动力推进：
Step2.1：关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第十一阀门、第十四阀门和第十五阀门，开启第二阀门、第五阀门、第九阀门、第十阀门、第十二阀门和第十三阀门；
Step2.2：第十三阀门开启后，低温高压的压缩空气从高压储气罐膨胀输出，经第十三阀门流动至储热罐吸收其内部中温相变储能材料储存的热量完成一次升温，压缩空气温度升高后从储热罐流出经第十二阀门后进入气液换热器吸收中高温聚焦式太阳能集热器提供的温度250~300℃导热油的热量完成二次升温，二次升温的高压压缩空气经第二阀门后进入膨胀机膨胀做功，膨胀机将空气内能转化为机械能，然后通过配套联轴器将机械能传递给船舶推进器从而推动船舶航行，所述储能释放过程由于对压缩空气提供了两次升温，其后经过膨胀机的能源转化效率要远大于常规系统；
Step2.3：膨胀机做功后的乏气经第五阀门进入降膜式蒸发器放热降温并加热海水，再经第九阀门后进入气液换热器再次放热降温加热饱和海水制造水蒸气，最后，低温低压空气从储能释放-动力推进排气口排出完成储能释放；
模式三，海水淡化：
①基于压缩空气储能模式：
Step3.1.1：在气液换热器中产生的高温空气经第四阀门后进入气液换热器，在气液换热器中与来自预热器的海水换热完成空气的一次降温，同时海水不停吸收高温空气的热量，压力与温度不断升高，接着从气液换热器出口经减压喷头流入降膜式蒸发器雾化形成大量微细液滴，此时微细液滴压力突降导致其饱和温度低于当前所处温度出现剧烈一次闪蒸现象发生汽液分离，同时未汽化的海水落入降膜式蒸发器的竖直蒸发管表面在重力作用下形成下降液膜，这种液膜吸收蒸发管内一级压缩后的高温中压空气的热量促成海水的二次强烈降膜蒸发，在一次闪蒸和二次降膜蒸发的综合作用下，进入降膜式蒸发器的海水被最大限度分离为水蒸汽和卤水，最终卤水由降膜式蒸发器底部排出；
Step3.1.2：Step3.1.1所述降膜式蒸发器中在一次闪蒸和二次降膜蒸发共同作用下产生的水蒸汽由其顶部出口进入凝汽器，在凝汽器内被水泵加压后送入的低温海水冷凝液化为淡水，同时初始被水泵加压后进入的低温海水一次预热升温至30~40℃，然后进入预热器进行二次预热，而凝汽器中水蒸气冷凝液化产生的液态淡水，从淡水出口排出用以供应船舶工作人员的生活需求；
②基于储能释放-动力推进模式：
Step3.2.1：膨胀机做功后的低压中温乏气经第五阀门进入降膜式蒸发器，在降膜式蒸发器中被来自气液换热器的海水冷却一次降温，放热降温后的乏气经第九阀门进入气液换热器，进一步与来自凝汽器的预热海水换热二次降温，最后乏气变为接近常温常压的空气经第十阀门后由储能释放-动力推进排气口排出；
Step3.2.2：由水泵加压送入系统的低温海水在凝汽器内被来自降膜式蒸发器的较高温度的水蒸气预热，海水吸热升温至30~40℃，而水蒸气放热被冷凝液化成液态淡水，从淡水出口排出以满足海上航行船舶工作人员的淡水需求；同时，经凝汽器预热后的海水通过预热器接着进入气液换热器，在封闭且承压的气液换热器中被Step3.2.1中一次降温后的乏气再次加热升温升压，升温升压后的海水由气液换热器底部出口经减压喷头进入降膜式蒸发器，在降膜式蒸发器中离开减压喷头时压力突降被雾化形成大量微细液滴，导致其饱和温度低于当前所处温度出现剧烈一次闪蒸现象发生汽液分离，同时未汽化的海水落入降膜式蒸发器的竖直蒸发管表面在重力作用下形成下降液膜，这种液膜吸收蒸发管内来自膨胀机做功后的低压中温乏气的热量促成海水的二次强烈降膜蒸发；
Step3.2.3：降膜式蒸发器中在一次闪蒸和二次降膜蒸发共同作用下，产生了大量水蒸汽和卤水，水蒸汽由降膜式蒸发器顶部出口进入凝汽器冷凝液化为淡水并从淡水出口排出用以供应船舶工作人员的生活需求，卤水由降膜式蒸发器底部排出；
模式四，风能直接驱动运行：
在储能完成或风能充裕时，直接将风力发电机提供的电能输出驱动船舶推进器完成船舶推动航行，实现风能直接驱动船舶运行的能源转化应用。
本发明有如下有益效果：
本发明利用气液换热器、膨胀机、船舶推进器、中高温聚焦式太阳能集热器、降膜式蒸发器、风力发电机、电动机、低压压气机、高压压气机、储热罐、预热器、高压储气罐、凝汽器、减压喷头、水泵等组成一套能够在满足船舶运行动力的条件下，结合风能、太阳能、储能三种用能方式实现高效产能与用能，同时也实现了为船舶海上远洋航行持续提供珍贵的淡化海水，提高了可再生能源的利用效率，有较好的发展前景且符合现有的能源发展方向。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的一种船用多功能储能装置系统示意图。
图中：1气液换热器、2膨胀机、3船舶推进器、4中高温聚焦式太阳能集热器、5气液换热器、6降膜式蒸发器、7风力发电机、8电动机、9低压压气机、10高压压气机、11储热罐、12凝汽器、13高压储气罐、14预热器、15减压喷头、16水泵、V1~V15阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
如图1所示，本发明提供的一种船用多功能储能装置系统，它包括由气液换热器1、膨胀机2、船舶推进器3、中高温聚焦式太阳能集热器4、气液换热器5、降膜式蒸发器6、风力发电机7、电动机8、低压压气机9、高压压气机10、储热罐11、预热器12、高压储气罐13、凝汽器14、减压喷头15、水泵16和阀门V1~V15所构成的压缩空气储能系统、储能释放-动力推进系统和海水淡化回路。该系统将可再生能源与压缩空气储能有机结合，提供船舶运行时的推进动力，降低了船舶运行的综合能耗，同时也能持续供应海上航行所需的珍贵淡水资源，实现航海船舶淡水的自给自足。本发明实现了海上船舶绿色可持续能源的综合利用，将可再生能源、储能及海水淡化相结合，提高了可再生能源的利用效率，极大程度地降低了系统的运行成本，具有较好的综合应用前景。
进一步的，所述中高温聚焦式太阳能集热器4能够提供250℃~300℃的导热油，进入气液换热器1与空气换热。通过上述的中高温聚焦式太阳能集热器4能够用于利用太阳能。
进一步的，所述气液换热器5管外侧壳程能够承压，海水淡化过程预热后的海水在该换热器壳程升温时压力同步升高。
进一步的，所述降膜式蒸发器6同时具备闪蒸和降膜蒸发的汽液分离作用；管外侧壳程为常压，使离开气液换热器5的高温高压海水经减压喷头15进入降膜式蒸发器6上方时压力陡降形成大量微细小液滴且瞬间达到饱和并进一步过热，此时产生剧烈的闪蒸效果，将海水物理分离为水蒸汽和未相变的海水，之后未发生相变的海水液滴在重力作用下喷洒落在降膜式蒸发器6的竖直蒸发管上沿管壁面形成下降液膜，同时吸收管内介质的热量发生二次蒸发从未相变的海水进一步汽化分离为大量水蒸汽和浓海水。
进一步的，所述压缩空气储能系统包括：气液换热器1右侧入口通过第一阀门V1连通压缩空气储能进气口，左侧出口连通第三阀门V3一端；气液换热器5左侧端通过第四阀门V4连通第三阀门V3另一端，右侧一端连通预热器12的海水出口侧，右侧另一端通过第六阀门V6与低压压气机9入口相连通；低压压气机9出口通过第七阀门V7与降膜式蒸发器6相连通；降膜式蒸发器6设置在气液换热器5下游，气液换热器5中的海水经减压喷头15流入降膜式蒸发器6，降膜式蒸发器6通过阀门V8与高压压气机10入口相连通，其余端连通凝汽器14蒸汽入口和卤水出口；高压压气机10出口通过第十一阀门V11与储热罐11相连通；储热罐11另一端通过第十四阀门V14与预热器12气体入口相连通；预热器12气体出口与第十五阀门V15一端相连通，第十五阀门V15另一端直接与高压储气罐13相连通；凝汽器14底部通过水泵16连通海水进口，右端连通淡水出口，顶端连通预热器12海水进口；风力发电机7利用风能发电连接电动机并向其提供电能，电动机8将风力发电机7提供的电能转化为机械能驱动低压压气机9、高压压气机10压缩空气；同时风力发电机7也可以作为船舶推进器3的供电装置，为船舶推进器3提供电力转化为机械能直接驱动船舶航行。
进一步的，所述储能释放-动力推进系统包括：气液换热器1右侧入口通过第十二阀门V12连通储热罐11，左侧出口连通第十二阀门V2一端；储热罐11另一端通过第十三阀门V13与高压储气罐13出口相连；膨胀机2入口连通第二阀门V2另一端，膨胀机2出口通过第五阀门V5与降膜式蒸发器6相连；降膜式蒸发器6设置在气液换热器5下游，气液换热器5中的海水经减压喷头15流入降膜式蒸发器6，降膜式蒸发器6左端通过第九阀门V9与气液换热器5相连通，其余端连通凝汽器14蒸汽入口和卤水出口；气液换热器5左侧一端通过第十阀门V10连通储能释放—动力推进排气口，右侧一端连通预热器12的海水出口；凝汽器14底部通过水泵16连通海水进口，右端连通淡水出口，顶端连通预热器12海水进口；船舶推进器3通过内部设置的联轴器连接至膨胀机2，膨胀机2做功输出机械功通过配套联轴器驱动船舶推进器3而推动船舶航行；同时船舶推进器3也可以直接采用风力发电机7提供的电力驱动运行，实现风能直接驱动船舶运行的能源转化应用。
进一步的，所述海水淡化回路包括：气液换热器5、降膜式蒸发器6、预热器12、凝汽器14、减压喷头15和水泵16；所述海水淡化回路具有二级预热和太阳能/压缩空气放能余热升温以及二级汽化的汽液分离特性，极大地提高海水淡化效率。
进一步的，所述系统不仅能够将海上丰富的风能和太阳能有机结合且综合高效转化与储存，而且当风平浪静的阴雨天或无风的夜晚也能够将储存的压缩空气能转化为船舶航行所需的机械能，为船舶全天候航行提供可持续的动力保障。
实施例2：
一种船用多功能储能装置系统的运行方法，其包括以下四种运行模式：
模式一，压缩空气储能：
Step1.1：关闭第二阀门V2、第五阀门V5、第九阀门V9、第十阀门V10、第十二阀门V12和第十三阀门V13，开启第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8、第十一阀门V11、第十四阀门V14和第十五阀门V15；
Step1.2：风力发电机7产生持续电能驱动电动机8，电动机8将风力发电机7所提供的电能转化为机械能驱动低压压气机9、高压压气机10运行并压缩空气，使进入其中的空气的温度和压力持续升高，空气从压缩空气储能进气口进入气液换热器1吸收中高温聚焦式太阳能集热器4提供的温度250~300℃的导热油的热量，然后经第三阀门V3、第四阀门V4进入气液换热器5与海水换热，海水吸热升温至100~120℃，一次降温后的空气经第六阀门V6送入低压压气机9进行一级压缩，升温升压后200℃的空气经第七阀门V7进入降膜式蒸发器6与海水二次换热，此时空气完成一级升压与二次降温，之后形成低温中压空气再经第八阀门V8送入高压压气机10进行二级压缩，此时空气温度再次升高至500~600℃，压力急剧升高达到目标储能压力约8~10MPa；
Step1.3：二级压缩的空气从高压压气机10排气口排出沿第十一阀门V11流动至储热罐11，被储热罐11中的中温相变储能材料吸收热量三次降温至200~300℃，接着压缩空气从储热罐11离开后经第十四阀门V14进入预热器12四次降温冷却并完成海水淡化过程的二级预热，四次降温后的40~50℃压缩空气经第十五阀门V15流动至高压储气罐13后完成低温高压压缩空气的制备与储存，低温高压压缩空气压力在8~10MPa；
模式二，储能释放-动力推进：
Step2.1：关闭第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6、第七阀门V7、第八阀门V8、第十一阀门V11、第十四阀门V14和第十五阀门V15，开启第二阀门V2、第五阀门V5、第九阀门V9、第十阀门V10、第十二阀门V12和第十三阀门V13；
Step2.2：第十三阀门V13开启后，低温高压的压缩空气从高压储气罐13膨胀输出，经第十三阀门V13流动至储热罐11吸收其内部中温相变储能材料储存的热量完成一次升温，压缩空气温度升高后从储热罐11流出经第十二阀门V12后进入气液换热器1吸收中高温聚焦式太阳能集热器4提供的温度250~300℃导热油的热量完成二次升温，二次升温的高压压缩空气经第二阀门V2后进入膨胀机2膨胀做功，膨胀机2将空气内能转化为机械能，然后通过配套联轴器将机械能传递给船舶推进器3从而推动船舶航行，所述储能释放过程由于对压缩空气提供了两次升温，其后经过膨胀机2的能源转化效率要远大于常规系统；
Step2.3：膨胀机2做功后的乏气经第五阀门V5进入降膜式蒸发器6放热降温并加热海水，再经第九阀门V9后进入气液换热器5再次放热降温加热饱和海水制造水蒸气，最后，低温低压空气从储能释放-动力推进排气口排出完成储能释放；
模式三，海水淡化：
①基于压缩空气储能模式：
Step3.1.1：在气液换热器1中产生的高温空气经第四阀门V4后进入气液换热器5，在气液换热器5中与来自预热器12的海水换热完成空气的一次降温，同时海水不停吸收高温空气的热量，压力与温度不断升高，接着从气液换热器5出口经减压喷头15流入降膜式蒸发器6雾化形成大量微细液滴，此时微细液滴压力突降导致其饱和温度低于当前所处温度（过热状态）出现剧烈一次闪蒸现象发生汽液分离，同时未汽化的海水落入降膜式蒸发器6的竖直蒸发管表面在重力作用下形成下降液膜，这种液膜吸收蒸发管内一级压缩后的高温中压空气的热量促成海水的二次强烈降膜蒸发，在一次闪蒸和二次降膜蒸发的综合作用下，进入降膜式蒸发器6的海水被最大限度分离为水蒸汽和浓海水（卤水），最终卤水由降膜式蒸发器6底部排出；
Step3.1.2：Step3.1.1所述降膜式蒸发器6中在一次闪蒸和二次降膜蒸发共同作用下产生的水蒸汽由其顶部出口进入凝汽器14，在凝汽器14内被水泵16加压后送入的低温海水冷凝液化为淡水，同时初始被水泵16加压后进入的低温海水一次预热升温至30~40℃，然后进入预热器12进行二次预热，而凝汽器14中水蒸气冷凝液化产生的液态淡水，从淡水出口排出用以供应船舶工作人员的生活需求；
②基于储能释放-动力推进模式：
Step3.2.1：膨胀机2做功后的低压中温乏气经第五阀门V5进入降膜式蒸发器6，在降膜式蒸发器6中被来自气液换热器5的海水冷却一次降温，放热降温后的乏气经第九阀门V9进入气液换热器5，进一步与来自凝汽器14的预热海水换热二次降温，最后乏气变为接近常温常压的空气经第十阀门V10后由储能释放-动力推进排气口排出；
Step3.2.2：由水泵16加压送入系统的低温海水在凝汽器14内被来自降膜式蒸发器6的较高温度的水蒸气预热，海水吸热升温至30~40℃，而水蒸气放热被冷凝液化成液态淡水，从淡水出口排出以满足海上航行船舶工作人员的淡水需求；同时，经凝汽器14预热后的海水通过预热器12（此时不进行换热仅作为流通通道）接着进入气液换热器5，在封闭且承压的气液换热器5中被Step3.2.1中一次降温后的乏气再次加热升温升压，升温升压后的海水由气液换热器5底部出口经减压喷头15进入降膜式蒸发器6，在降膜式蒸发器6中离开减压喷头15时压力突降被雾化形成大量微细液滴，导致其饱和温度低于当前所处温度（过热状态）出现剧烈一次闪蒸现象发生汽液分离，同时未汽化的海水落入降膜式蒸发器6的竖直蒸发管表面在重力作用下形成下降液膜，这种液膜吸收蒸发管内来自膨胀机2做功后的低压中温乏气的热量促成海水的二次强烈降膜蒸发；
Step3.2.3：降膜式蒸发器6中在一次闪蒸和二次降膜蒸发共同作用下，产生了大量水蒸汽和浓海水（卤水），水蒸汽由降膜式蒸发器6顶部出口进入凝汽器14冷凝液化为淡水并从淡水出口排出用以供应船舶工作人员的生活需求，卤水由降膜式蒸发器6底部排出；
模式四，风能直接驱动运行：
在储能完成或风能充裕时，直接将风力发电机7提供的电能输出驱动船舶推进器3完成船舶推动航行，实现风能直接驱动船舶运行的能源转化应用。

Claims (9)

1.一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：它包括由气液换热器（1）、膨胀机（2）、船舶推进器（3）、中高温聚焦式太阳能集热器（4）、气液换热器（5）、降膜式蒸发器（6）、风力发电机（7）、电动机（8）、低压压气机（9）、高压压气机（10）、储热罐（11）、预热器（12）、高压储气罐（13）、凝汽器（14）、减压喷头（15）、水泵（16）和阀门（V1~V15）所构成的压缩空气储能系统、储能释放-动力推进系统和海水淡化回路。
2.根据权利要求1所述一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：所述中高温聚焦式太阳能集热器（4）能够提供250℃~300℃的导热油，进入气液换热器（1）与空气换热。
3.根据权利要求1所述一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：所述气液换热器（5）管外侧壳程能够承压，海水淡化过程预热后的海水在该换热器壳程升温时压力同步升高。
4.根据权利要求1所述一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：所述降膜式蒸发器（6）同时具备闪蒸和降膜蒸发的汽液分离作用；管外侧壳程为常压，使离开气液换热器（5）的高温高压海水经减压喷头（15）进入降膜式蒸发器（6）上方时压力陡降形成大量微细小液滴且瞬间达到饱和并进一步过热，此时产生剧烈的闪蒸效果，将海水物理分离为水蒸汽和未相变的海水，之后未发生相变的海水液滴在重力作用下喷洒落在降膜式蒸发器（6）的竖直蒸发管上沿管壁面形成下降液膜，同时吸收管内介质的热量发生二次蒸发从未相变的海水进一步汽化分离为大量水蒸汽和浓海水。
5.根据权利要求1所述一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：所述压缩空气储能系统包括：气液换热器（1）右侧入口通过第一阀门（V1）连通压缩空气储能进气口，左侧出口连通第三阀门（V3）一端；气液换热器（5）左侧端通过第四阀门（V4）连通第三阀门（V3）另一端，右侧一端连通预热器（12）的海水出口侧，右侧另一端通过第六阀门（V6）与低压压气机（9）入口相连通；低压压气机（9）出口通过第七阀门（V7）与降膜式蒸发器（6）相连通；降膜式蒸发器（6）设置在气液换热器（5）下游，气液换热器（5）中的海水经减压喷头（15）流入降膜式蒸发器（6），降膜式蒸发器（6）通过阀门（V8）与高压压气机（10）入口相连通，其余端连通凝汽器（14）蒸汽入口和卤水出口；高压压气机（10）出口通过第十一阀门（V11）与储热罐（11）相连通；储热罐（11）另一端通过第十四阀门（V14）与预热器（12）气体入口相连通；预热器（12）气体出口与第十五阀门（V15）一端相连通，第十五阀门（V15）另一端直接与高压储气罐（13）相连通；凝汽器（14）底部通过水泵（16）连通海水进口，右端连通淡水出口，顶端连通预热器（12）海水进口；风力发电机（7）利用风能发电连接电动机并向其提供电能，电动机（8）将风力发电机（7）提供的电能转化为机械能驱动低压压气机（9）、高压压气机（10）压缩空气；同时风力发电机（7）也可以作为船舶推进器（3）的供电装置，为船舶推进器（3）提供电力转化为机械能直接驱动船舶航行。
6.根据权利要求1所述一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：所述储能释放-动力推进系统包括：气液换热器（1）右侧入口通过第十二阀门（V12）连通储热罐（11），左侧出口连通第十二阀门（V2）一端；储热罐（11）另一端通过第十三阀门（V13）与高压储气罐（13）出口相连；膨胀机（2）入口连通第二阀门（V2）另一端，膨胀机（2）出口通过第五阀门（V5）与降膜式蒸发器（6）相连；降膜式蒸发器（6）设置在气液换热器（5）下游，气液换热器（5）中的海水经减压喷头（15）流入降膜式蒸发器（6），降膜式蒸发器（6）左端通过第九阀门（V9）与气液换热器（5）相连通，其余端连通凝汽器（14）蒸汽入口和卤水出口；气液换热器（5）左侧一端通过第十阀门（V10）连通储能释放—动力推进排气口，右侧一端连通预热器（12）的海水出口；凝汽器（14）底部通过水泵（16）连通海水进口，右端连通淡水出口，顶端连通预热器（12）海水进口；船舶推进器（3）通过内部设置的联轴器连接至膨胀机（2），膨胀机（2）做功输出机械功通过配套联轴器驱动船舶推进器（3）而推动船舶航行；同时船舶推进器（3）也可以直接采用风力发电机（7）提供的电力驱动运行，实现风能直接驱动船舶运行的能源转化应用。
7.根据权利要求1所述一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：所述海水淡化回路包括：气液换热器（5）、降膜式蒸发器（6）、预热器（12）、凝汽器（14）、减压喷头（15）和水泵（16）；所述海水淡化回路具有二级预热和太阳能/压缩空气放能余热升温以及二级汽化的汽液分离特性，极大地提高海水淡化效率。
8.根据权利要求1所述一种船用多功能储能装置系统，其特征在于：所述系统不仅能够将海上丰富的风能和太阳能有机结合且综合高效转化与储存，而且当风平浪静的阴雨天或无风的夜晚也能够将储存的压缩空气能转化为船舶航行所需的机械能，为船舶全天候航行提供可持续的动力保障。
9.权利要求1-8任意一项所述一种船用多功能储能装置系统的运行方法，其特征在于，其包括以下四种运行模式：
模式一，压缩空气储能：
Step1.1：关闭第二阀门（V2）、第五阀门（V5）、第九阀门（V9）、第十阀门（V10）、第十二阀门（V12）和第十三阀门（V13），开启第一阀门（V1）、第三阀门（V3）、第四阀门（V4）、第六阀门（V6）、第七阀门（V7）、第八阀门（V8）、第十一阀门（V11）、第十四阀门（V14）和第十五阀门（V15）；
Step1.2：风力发电机（7）产生持续电能驱动电动机（8），电动机（8）将风力发电机（7）所提供的电能转化为机械能驱动低压压气机（9）、高压压气机（10）运行并压缩空气，使进入其中的空气的温度和压力持续升高，空气从压缩空气储能进气口进入气液换热器（1）吸收中高温聚焦式太阳能集热器（4）提供的温度250~300℃的导热油的热量，然后经第三阀门（V3）、第四阀门（V4）进入气液换热器（5）与海水换热，海水吸热升温至100~120℃，一次降温后的空气经第六阀门（V6）送入低压压气机（9）进行一级压缩，升温升压后180~220℃的空气经第七阀门（V7）进入降膜式蒸发器（6）与海水二次换热，此时空气完成一级升压与二次降温，之后形成低温中压空气再经第八阀门（V8）送入高压压气机（10）进行二级压缩，此时空气温度再次升高至500~600℃，压力急剧升高达到目标储能压力约8~10MPa；
Step1.3：二级压缩的空气从高压压气机（10）排气口排出沿第十一阀门（V11）流动至储热罐（11），被储热罐（11）中的中温相变储能材料吸收热量三次降温至200~300℃，接着压缩空气从储热罐（11）离开后经第十四阀门（V14）进入预热器（12）四次降温冷却并完成海水淡化过程的二级预热，四次降温后的40~50℃压缩空气经第十五阀门（V15）流动至高压储气罐（13）后完成低温高压压缩空气的制备与储存，低温高压压缩空气压力在8~10MPa；
模式二，储能释放-动力推进：
Step2.1：关闭第一阀门（V1）、第三阀门（V3）、第四阀门（V4）、第六阀门（V6）、第七阀门（V7）、第八阀门（V8）、第十一阀门（V11）、第十四阀门（V14）和第十五阀门（V15），开启第二阀门（V2）、第五阀门（V5）、第九阀门（V9）、第十阀门（V10）、第十二阀门（V12）和第十三阀门（V13）；
Step2.2：第十三阀门（V13）开启后，低温高压的压缩空气从高压储气罐（13）膨胀输出，经第十三阀门（V13）流动至储热罐（11）吸收其内部中温相变储能材料储存的热量完成一次升温，压缩空气温度升高后从储热罐（11）流出经第十二阀门（V12）后进入气液换热器（1）吸收中高温聚焦式太阳能集热器（4）提供的温度250~300℃导热油的热量完成二次升温，二次升温的高压压缩空气经第二阀门（V2）后进入膨胀机（2）膨胀做功，膨胀机（2）将空气内能转化为机械能，然后通过配套联轴器将机械能传递给船舶推进器（3）从而推动船舶航行，所述储能释放过程由于对压缩空气提供了两次升温，其后经过膨胀机（2）的能源转化效率要远大于常规系统；
Step2.3：膨胀机（2）做功后的乏气经第五阀门（V5）进入降膜式蒸发器（6）放热降温并加热海水，再经第九阀门（V9）后进入气液换热器（5）再次放热降温加热饱和海水制造水蒸气，最后，低温低压空气从储能释放-动力推进排气口排出完成储能释放；
模式三，海水淡化：
①基于压缩空气储能模式：
Step3.1.1：在气液换热器（1）中产生的高温空气经第四阀门（V4）后进入气液换热器（5），在气液换热器（5）中与来自预热器（12）的海水换热完成空气的一次降温，同时海水不停吸收高温空气的热量，压力与温度不断升高，接着从气液换热器（5）出口经减压喷头（15）流入降膜式蒸发器（6）雾化形成大量微细液滴，此时微细液滴压力突降导致其饱和温度低于当前所处温度出现剧烈一次闪蒸现象发生汽液分离，同时未汽化的海水落入降膜式蒸发器（6）的竖直蒸发管表面在重力作用下形成下降液膜，这种液膜吸收蒸发管内一级压缩后的高温中压空气的热量促成海水的二次强烈降膜蒸发，在一次闪蒸和二次降膜蒸发的综合作用下，进入降膜式蒸发器（6）的海水被最大限度分离为水蒸汽和卤水，最终卤水由降膜式蒸发器（6）底部排出；
Step3.1.2：Step3.1.1所述降膜式蒸发器（6）中在一次闪蒸和二次降膜蒸发共同作用下产生的水蒸汽由其顶部出口进入凝汽器（14），在凝汽器（14）内被水泵（16）加压后送入的低温海水冷凝液化为淡水，同时初始被水泵（16）加压后进入的低温海水一次预热升温至30~40℃，然后进入预热器（12）进行二次预热，而凝汽器（14）中水蒸气冷凝液化产生的液态淡水，从淡水出口排出用以供应船舶工作人员的生活需求；
②基于储能释放-动力推进模式：
Step3.2.1：膨胀机（2）做功后的低压中温乏气经第五阀门（V5）进入降膜式蒸发器（6），在降膜式蒸发器（6）中被来自气液换热器（5）的海水冷却一次降温，放热降温后的乏气经第九阀门（V9）进入气液换热器（5），进一步与来自凝汽器（14）的预热海水换热二次降温，最后乏气变为接近常温常压的空气经第十阀门（V10）后由储能释放-动力推进排气口排出；
Step3.2.2：由水泵（16）加压送入系统的低温海水在凝汽器（14）内被来自降膜式蒸发器（6）的较高温度的水蒸气预热，海水吸热升温至30~40℃，而水蒸气放热被冷凝液化成液态淡水，从淡水出口排出以满足海上航行船舶工作人员的淡水需求；同时，经凝汽器（14）预热后的海水通过预热器（12）接着进入气液换热器（5），在封闭且承压的气液换热器（5）中被Step3.2.1中一次降温后的乏气再次加热升温升压，升温升压后的海水由气液换热器（5）底部出口经减压喷头（15）进入降膜式蒸发器（6），在降膜式蒸发器（6）中离开减压喷头（15）时压力突降被雾化形成大量微细液滴，导致其饱和温度低于当前所处温度出现剧烈一次闪蒸现象发生汽液分离，同时未汽化的海水落入降膜式蒸发器（6）的竖直蒸发管表面在重力作用下形成下降液膜，这种液膜吸收蒸发管内来自膨胀机（2）做功后的低压中温乏气的热量促成海水的二次强烈降膜蒸发；
Step3.2.3：降膜式蒸发器（6）中在一次闪蒸和二次降膜蒸发共同作用下，产生了大量水蒸汽和卤水，水蒸汽由降膜式蒸发器（6）顶部出口进入凝汽器（14）冷凝液化为淡水并从淡水出口排出用以供应船舶工作人员的生活需求，卤水由降膜式蒸发器（6）底部排出；
模式四，风能直接驱动运行：
在储能完成或风能充裕时，直接将风力发电机（7）提供的电能输出驱动船舶推进器（3）完成船舶推动航行，实现风能直接驱动船舶运行的能源转化应用。
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