CN1596206A - 用于船只、特别是具有低红外特征驱动的海军船只的电能提供系统 - Google Patents

用于船只、特别是具有低红外特征驱动的海军船只的电能提供系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于船只，特别是用于可具有低红外特征驱动的海军船只的电能提供系统，这种船只是作为“全电船只”(AES)构造的，其具有一个由燃料电池供电的直流电网(DC)作为船上电网并作为正常行驶驱动的电网，和一个带发电机的、特别产生用于快速行驶驱动的能量的交流电网(AC)，其中，按电机的方式驱动发电机，例如通过至少一台燃气轮机或者一台优选充电的柴油电机，并且其中，将所述AC和DC电网这样地连接，使得在它们之间可以交换电能，并且尤其是在按电机的方式驱动的开始，从该DC电网提取电能并传送至该AC电网。

Description

用于船只、特别是具有低红外特征驱动的海军船只的电能提供系统
技术领域
本发明涉及一种用于船只，特别是用于可具有低红外特征(IR-Signatur)驱动的海军船只的电能提供系统，这种船只是作为“全电船只”(All ElectricShip，AES)构造的，其具有一个由燃料电池供电的直流电网(DC)作为船上电网并作为正常行驶驱动的电网，和一个带发电机的、特别产生用于快速行驶驱动的能量的交流电网(AC)，其中，按电机的方式驱动发电机，例如通过至少一台燃气轮机或者一台优选充电的柴油电机。
背景技术
没有公开的德国专利申请10102741.9，申请日2001年1月22日，公开了一种用于水上交通工具的电能提供系统，该系统与上述的系统相对应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于船只的对应电能提供系统的结构，该结构能以特殊的快速行驶驱动很好地对应海军船只特殊的运行要求，并允许优化地使用所有在船只上现有的电能产生装置。在此，在本专利申请中包含了德国专利申请10102741.9公开的内容。
AES的电能提供系统的特殊要求尤其表现在，AC和DC电网这样地相互连接，使得在它们之间可以交换电能，并且在按电机的方式驱动的开始，从该DC电网提取电能并传送至该AC电网。由此，可以优选地具有船只驱动的低IR特征实现启动过程。
在本发明的结构中，将发电机按电机方式驱动的废气引入到船底的低低压空间，其中，该低压空间中的低压是在快速行驶驱动运行时由该快速行驶驱动直接或者间接加速的水所产生的。这样，可以优选地放弃与将废气引入到水中有关的废气压缩机和/或产生低压的机组，尽管这里的压力超过大气压直到一个巴。在此，通过将废气引入到船底的低压空间，还实现了将废气与环流船底的水很好地混合，使得实际上不能根据废气检测船只的行驶，因为所构成的废气气泡只是在船只的船尾才升起并在这里在船尾涡流中下沉。在使用燃气轮机或者柴油电机为作为快速行驶驱动的喷水式推进器的电机提供能量的情况下，将废气引入到该喷水式推进器的一个同轴的废气喷嘴段，其中，喷水式推进器构造为用于在直至船只吃水线下十米的运行。这样优选地利用了喷水式推进器的喷射器效应，并同时利用了喷射水流的扭转。总之在船底形成一个非常良好的废气排放方式。
在使用柴油电机为作为快速行驶驱动的螺旋桨推进驱动的电机提供能量的情况下，优选地将废气引入到一个水下喷嘴系统，例如引入到一个流量计管系统或者一个环形的气体排除喷嘴。这样，即使阻力有一定的提高，仍然实现了与在具有同轴的废气喷嘴段的喷水式推进器中功能类似的将废气引入水中和在水中的分布。同样，在使用为螺旋桨推进驱动提供能量的柴油电机的情况下，只要是有关废气，则可以进行排除掉红外定位的排放。
在本发明的另一个结构中，为按电机方式驱动的废气设置了一个用于送出到吃水线以上的旁路，该旁路可以用于按电机方式驱动的启动。这样，对于起初不能产生低压的情况也能实现按电机方式驱动的启动。
另外，在本发明中，用于DC电网的燃料电池既有功率快速上升的燃料电池(例如PEM电池)，又有功率上升较慢的燃料电池(例如工作在PEM电池的大约80℃以上温度范围的DMFC或SOFC电池或者其它电池)。由此也为DC电网实现了基本负载的供电和峰值负载的供电，其中不同燃料电池和类型的组合使得可以特别廉价和有效地优化燃料电池的供电。这种供电可以优选地很好满足对海军船只供电的动态的以及静态要求。
在此，在本发明的结构中，不同燃料电池工作在介质(气体/水)和热连接中，并共同向DC电网提供电能。必要时它们也可以工作在与一个或者多个重整装置的连接中。在每种情况下，产生一种伴随较低热量生成的非常优选的、较高的效率，其中剩余热量还可以例如在吸收冷却系统中用于冷却。快速行驶机组的启动过程优选地采用PEM燃料电池，而基本船上供电采用具有较高运行温度的燃料电池。快速行驶机组的启动过程要求许多能量，因为该机组必须借助于外部能量加速到最低的运行转速，即，PEM电池必须能够对应地提供许多能量并被相应地设置。
如果将分布在船的不同区域的、不同动态特性的燃料电池组合成技术上共同作用的单元，则对于海军船只特别具有优势。这样形成了对于被命中的不敏感性，因为在船只的个别部位严重损坏的情况下仍然可以将在其它船只部位产生的能量进行优化。
在本发明优选的结构中，燃料电池具有一个带有控制和引导系统的DC开关装置，同样，用于快速行驶驱动的能量产生单元具有一个带有控制和引导系统的AC开关装置。这样，有可能对两个电网进行满足需要的能量管理。可以完全相互独立地对两个电网进行控制、调节和检查。在一个电网发生故障时另一个电网保持不变的完全功能。
另外，在本发明的结构中，AC控制和引导系统与压力传感器连接，特别是与在废气出口-低压空间中的低压传感器和在废气通道中的压力传感器连接，该系统与阀门调节装置及必要时与阀门的位置传感器连接。这样，提供了对各能量产生器的启动和加速过程进行自动化的基础，借助于它可以利用废气引导电路逻辑(自动化系统)运行控制和引导系统，该自动化系统包括常见的电子自动化部件(如调整速度斜率、闭锁等)，并特别优选地在Siemens-SIMATIC S7设备的基础上运行。
这种设备也可以作为冗余工作的SPS设备供使用，并可以优选地承担全部的自动化。在正常和高度可用的结构中，其按特别的方式有助于自动化过程的可靠性。这样，可以可靠地避免不希望的、对驱动系统有损害的开关状态；从而可靠地保持轴承的油压、燃料压力和温度、启动和点火过程等等，即保持启动条件。
在本发明中，必要时废气引导系统具有一个压缩空气输入子系统，特别是在启动过程中用于将废气吹出低压空间和/或加速废气流动。因此，优选地有一种用于改善和加速启动过程的辅助装置可供使用。由此可以极大地改善用于达到较高速度所必须的驱动的启动过程的可靠性。如果快速行驶驱动通过由压缩空气启动的柴油发电机组来驱动的话，则可以一同使用压缩空气储备。
此外，在本发明中，能量提供系统具有一个设置在带有控制和引导系统的AC和DC开关装置之上的引导系统，该引导系统使所有能量产生器和能量消耗器的能量产生和能量消耗匹配，特别是针对能量产生器和能量消耗器的不同动态特性进行匹配。从而可以避免，例如在交战中提供给海军船只的对于生存重要的部件的能量少于所需要的。在这种情况下例如在被击中的情形下将不重要的能量消耗器(如厨房、空调等)从船上电网中去除，而将全部可用能量集中到对于生存重要的机组上。
在此，在本发明的结构中将AC和DC开关装置这样设置，使得在DC电网中出现较高能量要求时(例如使用高能量的武器)，可以从AC电网向DC电网提供最大的能量。此外，DC电网具有高度动态的能量存储器，例如蓄电池组或惯性轮。这些装置的共同之处是，通过它们的使用可以满足对在电网中可供使用的能量的急速要求。即，AC和DC电网这样设置，使得可以从两个电网中按照要求提供电能。
本发明可以一般示例地描述如下：
为了使水面海军船只的IR特性最小，应该将柴油电机和/或燃气轮机的废气在利用吃水线以下的压力下降区域(低压)时作为水废气混合物，通过与一个或多个喷水式推进器连接的同轴的废气喷嘴段等排出。一种电开关装置使得可以启动由电驱动电机驱动的喷水式推进器，然后加速驱动用于驱动为该喷水式推进器产生电能的发电机的柴油电机和/或燃气轮机。喷水式推进器的功率被尽可能地提升，使得在同轴的废气喷嘴段等中形成一个对应的低压区域。然后才启动柴油电机和/或燃气轮机，其中这样安排废气的引导，使得将废气立刻引导至同轴的废气喷嘴段。在柴油电机和/或燃气轮机加速之后发电机为喷水式推进器电机提供电功率。此时，喷水式推进器可以提升到直至其最大可能的功率。对于可以替代喷水式推进器使用的高速度螺旋桨推进驱动同样如此，其中将同轴的废气喷嘴段通过轴向废气喷嘴段代替。
电开关装置按如下方式设置：
1至n个燃料电池装置(BZA)为行驶电网和船上电网无排放地提供电能，图1中示例为4个BZA。这些BZA以直流电压的形式提供其电能。这些BZA通常为巡航行驶驱动、在图中示例的一个或多个电舵螺旋桨推进器、武器系统和船上电网提供能量。由柴油电机和/或燃气轮机驱动的一个或者多个交流发电机为附加的驱动(图中是船的喷水式推进器)的电驱动电机提供能量。
在至少一个DC汇流排和至少一个AC汇流排之间设置了一个或者多个静态DC/AC变换器。通过该变换器电能可以从DC汇流排流向AC汇流排或者相反。这样，为了使IR最小，喷水式推进器可以利用BZA的能量启动。此外，在紧急情况下，如BZA出故障时，从柴油电机和/或燃气轮机驱动的AC发电机为DC电网提供能量；不过，在这种情况下可能没有IR特征的最小化。
在船只的驱动状态从喷水式推进器驱动变为巡航行驶驱动时，经历了一个IR特征最小的反向的运行。喷水式推进器的功率被尽可能地回收，使得在同轴的废气喷嘴段还存在足够的低压，用于将柴油电机和/或燃气轮机的废气吸出/排放。将DC/AC变换器激活，由BZA承担向喷水式推进器提供电能。交流发电机的功率下降到零并与AC汇流排分离。然后，将柴油电机和/或燃气轮机减速和断开。此时，喷水式推进器同样将其功率降为零并断开。
这样，水面海军船只的IR特征在快速行使驱动的接通和断开阶段也被最小化了。由此，按照本发明的方式装备的船只，无论在利用燃料电池驱动的巡航行驶，还是在至高速行驶或从高速行驶再次降为巡航行驶的过渡阶段和在高速行驶中，都不能通过IR传感器在远距离上定位。
附图说明
借助于附图对本发明作进一步说明，从中如同从属权利要求一样可以得出本发明的细节，图中，
图1表示用于海军水面船只的具有较低IR特征的驱动系统的系统局部截面的原理，
图2表示能量提供系统的原理。
具体实施方式
在图1中1，2，3和4各表示一个燃料电池单元，它们可以选择性地由PEM电池块或者由PEM电池块与其它具有较高运行温度的燃料电池的组合构成。在组合中对两种不同的燃料电池进行功能连接。由燃料电池装置1，2，3和4产生的电能送至电DC开关装置5，6，这些开关装置必要时也可以组合起来，其中根据可靠性和冗余要求也设置多于两个DC开关装置(电装置)，从这里出发通过DC/AC变换器7，8至电开关装置9(AC开关装置)。发电机10和喷水式推进器17的电机15都与电开关装置9连接。发电机10与燃气轮机11连接，燃气轮机的废气可以通过转换装置12开关选择性地通过废气通道13(在特殊情况下)被导引到大气中，或者在正常的情况下通过废气通道14被导引到喷水式推进器17的同轴废气喷嘴段18。在电机15和喷水式推进器17之间设置了驱动轴16。如通过箭头19表示的那样，水进入到喷水式推进器17中，并如示出的那样以水废气锥体20离开喷水式推进器17。21表示了船体的底边。可以看出，喷水式推进器明显地位于吃水线以下，通常在5和12m之间。对应的是待克服的水压。
图2中22和23各表示一个位于燃料电池组26，27，28和29之间的直流汇流排。从直流汇流排22，23将能量利用电流变换器40，41通过连接导线24，25送至交流汇流排30。在直流汇流排23上连接着通过反向换流器31供电的、示例性表示的舵螺旋桨推进器33，以及通过反向换流器32供电的另一个示例性表示的舵螺旋桨推进器36。自然，也可以采用正常的螺旋桨推进器替代舵螺旋桨推进器。
交流汇流排30通过由燃气轮机驱动的发电机34，36提供能量。喷水式推进器组对34，35从交流汇流排30得到能量。如在图2中示出的，在各汇流排和其部件之间存在常规的、且仅仅示意表示的开关装置。直流汇流排22还连接着一个船首推进器42，该推进器由于其很低的功率和极少使用而可以由直流电网馈电。直流汇流排22，23通过一个跨接37相互连接，从而共同构成完整的船上电网，其中图2仅仅示出主要的部件。

Claims (20)

1.一种用于船只，特别是用于可具有低红外特征驱动的海军船只的电能提供系统，这种船只是作为“全电船只AES”构造的，其具有一个由燃料电池供电的直流电网(DC)作为船上电网并作为正常行驶驱动的电网，和一个带发电机的、特别产生用于快速行驶驱动的能量的交流电网(AC)，其中，按电机的方式驱动发电机，例如通过至少一台燃气轮机或者一台优选充电的柴油电机，其特征在于，将所述AC和DC电网这样相互连接，使得在它们之间可以交换电能，并且尤其是在按电机的方式驱动的开始，从该DC电网提取电能并传送至该AC电网。
2.根据权利要求1所述的电能提供系统，其特征在于，将发电机按电机方式驱动的废气引入到船底的低压空间，其中，该低压空间中的低压是在快速行驶驱动运行时由该快速行驶驱动直接或者间接加速的水所产生的。
3.根据权利要求1或2所述的电能提供系统，其特征在于，在使用燃气轮机或者柴油电机为作为快速行驶驱动的喷水式推进器的电机提供能量的情况下，将废气引入到喷水式推进器的同轴的废气喷嘴段，其中，该喷水式推进器构造为用于在直至吃水线下十米的运行。
4.根据上述权利要求1或2所述的电能提供系统，其特征在于，在使用柴油电机为作为快速行驶驱动的螺旋桨推进驱动的电机提供能量的情况下，将废气引入到一个水下喷嘴系统，例如引入到一个流量计管系统或者一个环形的气体排除喷嘴。
5.根据上述利要求1至4中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，为按电机方式驱动的废气设置了一个用于送出到吃水线以上的旁路，该旁路可以用于按电机方式驱动的启动。
6.一种具有用于AES的AC电网和DC电网的、特别是根据上述权利要求之一所述的电能提供系统，其特征在于，用于DC电网的燃料电池既有功率可快速上升的燃料电池，例如PEM电池，又有功率上升较慢的燃料电池，例如工作在PEM电池大约80℃以上温度范围的DMFC或SOFC电池或者其它电池。
7.根据权利要求6所述的电能提供系统，其特征在于，不同的燃料电池工作在气体/水的介质和热连接中，并共同向DC电网提供电能。
8.根据权利要求6或7所述的电能提供系统，其特征在于，将所述功率可快速上升的燃料电池的容量这样配置，使得至少可以进行快速行驶驱动的启动过程。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，将不同动态特性的燃料电池组合成技术上共同作用的单元，并分布在船的不同区域。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，所述燃料电池具有一个带有控制和引导系统的DC开关装置。
11.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，用于快速行驶驱动的能量产生单元具有一个带有控制和引导系统的AC开关装置
12.根据利要求10或11所述电能提供系统，其特征在于，所述电能提供系统与一个废气导引系统连接，利用该废气导引系统可以转换废气的导引。
13.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，所述AC控制和引导系统与压力传感器连接，特别是与在废气出口-低压空间中的低压传感器和在废气通道中的压力传感器连接。
14.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，所述AC控制和引导系统与阀门调节装置及必要时与位置传感器连接。
15.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，所述AC控制和引导系统具有一个废气引导电路逻辑、即自动化系统，特别是在Siemens-SIMATIC S7设备的基础上调整速度斜率、闭锁，以及设置一个按照相同技术构造的用于驱动的自动化系统。
16.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，所述废气引导系统具有一个压缩空气输入子系统，特别是在启动过程中用于将废气吹出低压空间和/或加速废气流动。
17.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，所述能量提供系统具有一个设置在带有控制和引导系统的AC和DC开关装置之上的引导系统，该引导系统使所有能量产生器和能量消耗器的能量产生和能量消耗匹配，特别是针对能量产生器和能量消耗器的不同动态特性进行匹配。
18.根据权利要求17所述的电能提供系统，其特征在于，将所述AC和DC开关装置这样设置，使得在DC电网中出现较高能量要求时，例如使用高能量武器时，可以从AC电网向DC电网提供最大的能量。
19.根据权利要求17或18所述的电能提供系统，其特征在于，AC和DC部件，特别是所述开关装置这样设置，使得如果燃料电池完全或部分地无法产生能量，则可以持续地从AC电网为DC电网供电。
20.根据上述权利要求中任一项所述的电能提供系统，其特征在于，所述DC电网具有高度动态的能量存储器，例如蓄电池组或惯性轮。
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