CN206644983U - 一种船舶供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种船舶供电系统，能够大幅减小船舶油耗，提高能源利用率，达到节能减排的目的，并且保持了船舶供电系统的灵活性。其技术方案为：系统包括：船舶供电电池，储存电能为船舶供电；供电电池监控模块，连接船舶供电电池，对船舶供电电池的充放电过程进行监测和控制；逆变单元，连接船舶供电电池和负载，将电池的直流电转换为负载工作所用的交流电；电池充电组件，连接船舶供电电池，为船舶供电电池进行充电。

Description

一种船舶供电系统

技术领域

本实用新型涉及一种船舶供电技术，尤其涉及使用清洁能源对船舶进行供电的系统。

背景技术

作为船舶电力推进系统最主要的原动机，柴油机所显现的问题日趋突出:一是航运燃料燃烧时产生的大量浓缩氮和硫，成了环境污染的主要因素；二是高转速、大功率柴油机产生的振动和噪声所带来的问题越来越引起人们的重视，“零噪声”是人们对生活、工作环境提出的更高要求，尤其是乘客和船员；三是日益突出的全球能源问题要求人们必须在短时间内开发出新的能源及动力装置。

而且在城市河流上运行着的各种河流保洁船，清淤船，垃圾船、打桩等多种工程船均由柴油机驱动，排放措施较为落后，同样存在着诸多问题。燃料消耗量高，废气排放量大，成本高，污染重。所以，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。

除动力能源问题以外，使用柴油机组的电力推进船舶还一直面临着一个技术难题：频繁的负载扰动对推进系统的影响。这些负载波动对船舶电网和电站有着巨大的冲击，使得船舶稳定性下降，以至于电站中内燃机燃油得不到充分燃烧，对环境效益和经济效益造成双重损害。

因此，传统的船舶通常使用柴油机驱动，其存在能耗高、噪声大、废气污染大，严重影响当地环境以及负载频繁扰动对船舶电力推进系统影响较大的问题。

实用新型内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供了一种船舶供电系统，能够大幅减小船舶油耗，提高能源利用率，达到节能减排的目的，并且保持了船舶供电系统的灵活性。

本实用新型的技术方案为：本实用新型揭示了一种船舶供电系统，包括：

船舶供电电池，储存电能为船舶供电；

供电电池监控模块，连接船舶供电电池，对船舶供电电池的充放电过程进行监测和控制；

逆变单元，连接船舶供电电池和负载，将电池的直流电转换为负载工作所用的交流电；

电池充电组件，连接船舶供电电池，为船舶供电电池进行充电。

根据本实用新型的船舶供电系统的一实施例，船舶供电电池是锂电池组或锌溴液流电池。

根据本实用新型的船舶供电系统的一实施例，电池充电组件是船舶岸电接口，利用岸电对船舶供电电池进行充电。

根据本实用新型的船舶供电系统的一实施例，电池充电组件还包括过渡充电接头，通过船与船之间的过渡充电接头的连接，利用一个船舶岸电接口对多条船进行充电。

根据本实用新型的船舶供电系统的一实施例，电池充电组件包括：

燃料电池，通过DC/DC转换器对船舶供电电池进行在线充电；

燃料电池监控模块，连接燃料电池，对燃料电池向船舶供电电池的放电过程进行监测和控制。

根据本实用新型的船舶供电系统的一实施例，电池充电组件包括：

发电机组，对船舶供电电池进行充电。

根据本实用新型的船舶供电系统的一实施例，系统还包括：

超级电容，连接船舶供电电池，辅助船舶供电电池进行短时大功率动态响应；

超级电容监控模块，连接超级电容，对超级电容中的参数进行监测和控制。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型将锂电池作为船舶电力推进的主动力，由于锂电池具有洁净、高效、无污染、低噪声、模块结构、安装自由度高、维修保养方便易于发展自动化及连续工作等优点，因此这一技术手段既可以降低船舶燃料费用又可以减少局部排放，同时还能大大降低船舶运营成本。此外，本实用新型还使用了储能单元，在电力系统遇到扰动时，储能单元可以在瞬时吸收或释放能量，平复扰动给系统带来的影响，改善系统性能。随着大容量能量存储技术的发展，储能元件价格下降，使得储能元件大规模应用于电力推进船舶成为可能。本实用新型将超级电容器作为储能元件，由于超级电容器有着较高的功率密度，单位时间内可以输出较多的能量，是一般电池的数十倍，有着良好的动态性能和超高的使用寿命。本实用新型将锂电池与超级电容器结合起来使用，使得混合储能系统具有良好的动态特性和稳态特性。

总的来说，通过采用本实用新型的技术方案，船舶可以完全摆脱柴油机组，既可以降低船舶燃料费用又可以减少污染物排放，并能够大大降低船舶运营成本，而且使用方便，续航能力强，其经济效益和社会效益十分明显。本实用新型的船舶供电系统可大幅减小船舶油耗，提高能源利用率，达到节能减排的目的，并且保持了船舶供电系统的灵活性。

附图说明

图1示出了本实用新型的船舶供电系统的实施例的原理。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本实用新型的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本实用新型的船舶供电系统的实施例的原理。请参见图1，组成船舶供电系统的最基本的模块包括：船舶供电电池1、逆变单元3、电池充电组件、以及能量管理系统。能量管理系统包括：供电电池监控模块2、燃料电池监控模块7、超级电容监控模块10。各模块之间的信号连接关系如图1所示。

船舶供电电池1的功能是储存电能为船舶供电，可以是锂电池，也可以是锌溴液流电池。锂电池和锌溴液流电池具有较高的功率密度和能量密度，有良好的稳态性能。锂电池容量大小可选，用户可以根据实际用电需求选择合适容量的锂电池组即可。锂电池是指嵌入化合物正负极材料的可充放电的高能量电池，正极材料一般使用插锂化合物，比如LiMn₂O₄、LiNiO₂、LiCoO₂等，负极材料通常采用人造石墨、天然石墨、焦炭系列材料。可以根据实际工作用量选择合适容量的锂电池，是最简单、最直接也最方便的蓄能供电驱动方案。对于锌溴液流电池，是高效的电化学储能设备，又被称为氧化还原液流储能电池，锌溴液流电池理论开路电压1.82V，总效率为75％，理论能量密度430Wh/kg，电池可以100％深度放电几千次，与锂电池电池相比，具有较高的能量密度和功率密度以及优越的循环充放电性能，性能优越，所以也可作为锂电池的备选方案。

供电电池监控模块2连接船舶供电电池1，对船舶供电电池1的充放电过程进行监测和控制。逆变单元3连接船舶供电电池1和负载(如图中的转舵、推进器、其他设备电源)，将电池的直流电转换为负载工作所用的电流。

电池充电组件连接船舶供电电池1，用于为船舶供电电池进行充电。电池充电组件可以有多种实施形式。电池充电组件的第一种形式是船舶岸电接口，当锂电池电量用完后，再重新回到岸边采用船舶岸电接口(AMP，Alternative Marine Powered)进行岸电充电。AMP是非传统船舶电源或者船-岸电转接系统，其作用是：当船舶停靠码头作业时，通过AMP系统将岸上电源连接至船舶电网，改用岸电而非传统的船舶柴油发电机供电，以达到减少废气排放，净化环境的目标。本实用新型虽已经彻底摆脱柴油机的使用，但LNG发电机组仍属热机，与岸电相比，就会凸显出发电机组效率低、噪声大、发电成本高。因此，当船舶靠岸后，以市电电网供电代替船舶LNG发电机组，可以节能、减排、降噪。是十分高效的办法。较佳的，还可以包括过渡充电接头，如果码头停靠船舶较多，驳船并排停放，船只停靠地点离岸较远的还可以采用就近船舶之间过渡连接进行充电。就像一根导线一样，相互连接，一个岸电接头便可以为所有船舶充电，使得船舶充电更加灵活方便。

电池充电组件的第二种形式是利用发电机组5对船舶供电电池进行充电，比如LNG发电机组作为续航保障的组件，燃烧天然气同样清洁环保，而且输出功率也不错，天然气最高可替代80％的柴油，且完全满足船舶的动力需求。燃料为液化天然气，液化天然气(LNG)是以液态形式存在的天然气，具有资源丰富、使用方便和排放清洁等特点。当天然气在一个大气压下冷却至约-162℃时，气态会转变成液态。无色、无味、无毒且无腐烛性，气液比例约为625:1。在液化过程中，原料气将脱除二氧化碳、硫化物、水以及重烃，主要成分为甲烷，及少量的乙烷、丙烷和丁烷，几乎不含重烃、CO₂、N₂和H₂O、微小颗粒等有害物质，能有效降低氮氧化物和二氧化碳排放量。由于成分很纯净，且燃烧完全，燃烧后产物为二氧化碳和水，所以它是很好的代用清洁燃料，有利于环境保护，减轻城市污染。且经过液化过程，硫成分以固体形式析出、分离，燃烧时更清洁，温室气体排放量更低。是种有效的清洁能源。在用LNG发电机组的情况下，船舶需要携带AMP系统。

电池充电组件的第三种形式是燃料电池6、燃料电池监控模块7。燃料电池6通过DC/DC转换器8对船舶供电电池1进行在线充电。而燃料电池监控模块7连接燃料电池6，对燃料电池6向船舶供电电池1的放电过程进行监测和控制。如果船舶需要长时间离岸作业，锂电池一次满额电量不足以维持船舶长时间作业的情况下，可选择燃料电池6随船在线为锂电池充电。燃料电池就像一个小型发电厂，持续工作输出电流，对锂电池充电，弥补了单一锂电池组续航能力不强的缺陷。

燃料电池6作为锂电池小功率充电续航单元，可采用目前比较流行的甲醇重整制氢燃料电池，甲醇氢燃料电池是氢气与氧气发生化学反应生成电能的化学装置，单套额定输出功率为5KW，燃料为53％甲醇溶液，用户可根据用电需要调整配置。燃料电池并不像蓄电池那样是个储存电能的装置，它更像是一个发电厂，在持续的化学反应中不断生成电能，只要有源源不断的燃料，就能不断发电。氢气在阳极碰到催化剂，分离成电子和质子，质子透过质子膜PEM，与阴极的氧气和电子结合生成水蒸气。电子从阳极经外部回路回到阴极的过程形成了直流电。

为了进一步提高系统的储能能力，还可以安装超级电容9和超级电容监控模块10。超级电容9连接船舶供电电池1，辅助船舶供电电池1进行短时大功率响应。超级电容监控模块10连接超级电容9，对超级电容中的参数进行监测和控制。超级电容是近年发展起来的一种新型电力储能器件，基于双电层原理。超级电容器的电容量极大，可达数千法拉。它通过极化电解质来储存能量，其储能过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因如此，超级电容才可以反复充放电使用达数十万次之多。其中应用最为广泛的就是双电层式超级电容，它由双层级电板组成，中间部分有高聚合碳粒子聚合而成，中间则有铝制薄膜连接。在电力系统中，超级电容器作为新型的快速动态能量存储器件已被广泛地使用在各个工业邻域中。超级电容器的优点包括：1)高功率密度，超级电容的内阻小，输出功率密度高，是一般蓄电池的数十倍；2)循环寿命长。具有至少十万次以上的充电寿命；3)充电速度快，可以用大电流给超级电容充电，充电时间很短；4)工作温度范围宽，能在-40℃～60℃的环境温度中正常工作；5)绿色环保，超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害化学物质，且自身寿命较长，因而是一种新型的绿色环保电源。

能量管理系统实时对燃料电池、锂电池、超级电容、LNG发电机组进行管控。能量管理系统具有如下的功能：

(1)供电电池监控模块2在本实施例中是智能锂电池管理，主要监控各个锂电池的电压、电流、温度和能量等参数，起到监控保护以及信息显示的作用。

(2)超级电容监控模块10主要监控各个超级电容电压电流、温度和能量等参数，监控和保护超级电容并实时显示超级电容的信息状态。

(3)燃料电池监控模块7主要对单个燃料堆发电过程进行管理和状态监测，所有燃料电堆、电池及用电负载进行用电管理、热管理、进排气管理等。

(4)当能量管理系统检测到锂电池蓄能不多时，提示能量不足，减缓船上各系统用电，电池电量过低时暂停其他各系统供电，并提醒船只返航，回到岸边采用市电充电，在充电过程中，能量管理系统监控充电回路并提供监控。

(5)如果安装有燃料电池或者LNG发电组，能量管理系统可以控制燃料电池或者LNG发电组在线对锂电池或超级电容进行充电，可以边工作边充电，加强续航能力。

(6)船舶大功率运行机构在重物下降或者刹车制动时，产生的再生电能存储到锂电池和超级电容中。

(7)安装燃料电池的情况下，燃料电池发出非恒定直流电，经过DC/DC转换器将电流变得平稳恒定，并对锂电池组、超级电容在线充电。

(8)当储能单元(锂电池、超级电容)的储能低于阈值时，不允许船上各运行机构动作，等待充电过程进行；锂电池、超级电容储能满额时，控制燃料电池充电关断；当锂电池储能开始下降时，可允许燃料电池对储能单元在线充电，动态调整燃料电池充电速度，所以一般不会出现工作状态储能很低的情况，当储能低于设定值时，能力管理系统控制大功率系统停机等待充电；

(9)和推进器PLC控制器进行通讯联络，获得推力、速度、功率等数据，并根据储能单元的储能情况对PLC提出机构速度要求。

采用本实用新型的船舶供电系统的供电过程如下：

a)全船采用锂电池供电，锂电池可由船上AMP系统接口连接市电进行充电。

b)在锂电池供电的基础上，安装有燃料电池(或LNG发电机组)对锂电池在线充电，延长锂电池续航能力。燃料电池组发出非恒定直流电，经DC/DC转换器，对蓄能锂电池单元进行充电。蓄能锂电池单元充电状态由能量管理系统监控，控制充电及放电状态。以锂电池为主对船舶主要负载进行供电。

c)当系统需要短时大电流输出时可通过超级电容辅助锂电池短时间内放电提供大功率电能，保证供电系统的灵活性。蓄能锂电池组将储存的电能稳定得供给直流母排，再由直流母排向各机构及辅助设备供电，各运行机构在减速制动时，产生的再生电能由蓄能锂电池单元和超级电容回收。

d)AMP系统的操作主要包括以下步骤：1)船舶AMP岸电系统接地放电，接岸电前，码头AMP服务工程师上船接洽，并要求船舶AMP岸电系统进行接地放电，在码头AMP服务工程师见证下，船员在中压连接屏上完成接地放电程序；2)电缆的送岸连接；3)AMP应急断电线路的连接、试验和送电；4)同步检验；5)中压配电板合闸送电；6)岸电供电结束时的恢复程序；7)AMP系统管理进行定期系统绝缘检测。

e)当码头有较多船舶停靠时，通常都是并排停靠，离岸较远的船只要连接岸电就会比较麻烦，除了要考虑电缆长度问题，还要考率岸上充电接口问题。如果在每条船上都加一个过渡接头，就可以大大提高工作效率，船与船之间可以实现互相连接，过渡接头使得每条船像一根导线一样，相互连在一起，这样一个岸电接口就可以为所有船只充电。使得船舶充电更加方便快捷。

此外，图1所示的船舶供电系统可以有多种变形，图示的虚线框是可选模块，可以进行任意的组合搭配，以组合成船舶供电系统的多种变形方式。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (7)

1.一种船舶供电系统，其特征在于，包括：

船舶供电电池，储存电能为船舶供电；

供电电池监控模块，连接船舶供电电池，对船舶供电电池的充放电过程进行监测和控制；

逆变单元，连接船舶供电电池和负载，将电池的直流电转换为负载工作所用的交流电；

电池充电组件，连接船舶供电电池，为船舶供电电池进行充电。

2.根据权利要求1所述的船舶供电系统，其特征在于，船舶供电电池是锂电池组或锌溴液流电池。

3.根据权利要求1所述的船舶供电系统，其特征在于，电池充电组件是船舶岸电接口，利用岸电对船舶供电电池进行充电。

4.根据权利要求3所述的船舶供电系统，其特征在于，电池充电组件还包括过渡充电接头，通过船与船之间的过渡充电接头的连接，利用一个船舶岸电接口对多条船进行充电。

5.根据权利要求1所述的船舶供电系统，其特征在于，电池充电组件包括：

燃料电池，通过DC/DC转换器对船舶供电电池进行在线充电；

燃料电池监控模块，连接燃料电池，对燃料电池向船舶供电电池的放电过程进行监测和控制。

6.根据权利要求1所述的船舶供电系统，其特征在于，电池充电组件包括：

发电机组，对船舶供电电池进行充电。

7.根据权利要求5所述的船舶供电系统，其特征在于，系统还包括：

超级电容，连接船舶供电电池，辅助船舶供电电池进行短时大功率动态响应；

超级电容监控模块，连接超级电容，对超级电容中的参数进行监测和控制。