CN218632132U - 一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统 - Google Patents

Abstract

一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，船舶设置有太阳能发电装置和风力发电装置，太阳能发电装置和风力发电装置通过电缆与整流变压器连接后，分别与电解水制氢装置、船舶电网连接。电解水制氢装置通过管路分别与氢气处理及压缩装置、氧气处理装置、氢气燃料电池装置连接，氢气处理及压缩装置通过管路与氢气储瓶连接，氢气储瓶分别与氢气燃料电池装置、甲醇合成装置连接，氧气处理装置通过管路依次与氧气储瓶、氢气燃料电池装置连接。二氧化碳处理装置依次与二氧化碳储罐、甲醇合成装置、甲醇储罐、甲醇燃料发动机连接后，回流至二氧化碳处理装置。本发明确保船舶在航行过程中始终处理无任何碳排放的状态，符合规范要求。

Description

一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统

技术领域

本发明属于船舶设计及建造领域，具体涉及一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统。

背景技术

氢气作为一种清洁燃料，氢气在发动机内燃烧产生船舶航行所需要动力，或者通过燃料电池发电后，其最终生成的产物只有水，具有高效、无污染、设备运行噪音低等特点。氢燃料及氢燃料电池具有广泛的应用前景，船舶采用氢燃料和氢气燃料电池作为船舶动力系统的方案是其满足新法规要求的主要措施之一。

但由于氢燃料的单位功率密低，船舶航行时同样的航程所需要消耗的单位体积氢较常规柴油燃料的体积大很多，而因其体积增加，则势必会影响船舶的载货量，因此，目前氢燃料只能在近海小型船舶上少量应用，很难被应用到远洋大型船舶上。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其所采用的技术方案是：

一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，船舶设置有太阳能发电装置和风力发电装置，太阳能发电装置和风力发电装置通过电缆与整流变压器连接后，分别与电解水制氢装置、船舶电网连接。

电解水制氢装置通过管路分别与氢气处理及压缩装置、氧气处理装置、氢气燃料电池装置连接，氢气处理及压缩装置通过管路与氢气储瓶连接，氢气储瓶分别与氢气燃料电池装置、甲醇合成装置连接，氧气处理装置通过管路依次与氧气储瓶、氢气燃料电池装置连接，氢气燃料电池装置分别与船舶电网连接。

二氧化碳处理装置依次与二氧化碳储罐、甲醇合成装置、甲醇储罐、甲醇燃料发动机连接后，回流至二氧化碳处理装置，形成第一循环网。

上述一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，更进一步地，甲醇燃料发动机通过回水管路依次与水舱、电解水制氢装置连接。

上述一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，更进一步地，甲醇合成装置连接有回水管路，通过回水管路依次与水舱、电解水制氢装置连接。

上述一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，更进一步地，风力发电装置设置在生活楼前部。

上述一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，更进一步地，太阳能发电装置设置在甲板空地及生活楼的四周。

上述一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，更进一步地，二氧化碳储罐上设有与船舶舷侧排出口相连的管路，通过排出口将二氧化碳输送到二氧化碳传输船上，运送至岸上。

上述一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，更进一步地，电解水制氢装置伸出有将气体释放至空气中的支管路。

本发明的优点在于：

1.船舶上采用了一种风力发电装置和太阳能光伏发电装置，并将船舶上可布置安装这两种发电装置的空做到最大化，从而提高了这两种装置的发电量。这两种发电装置发出的电力通过整流变压后可直接向船舶的电网供电，在这种运行模式下，船舶不需要任何其他燃料，也不会向空气中排放任何有害气体。从而降低了船舶的运行成本，同时也避免了有害气体的排放而造成环境污染，可以真正做到无碳排放；

2.船舶上配置了一套电解水制氢装置，当船舶上所配置的风力发电装置和太阳能光伏发电装置所发出的电超过船舶正常运行所需的电力时，这部分超出的电力将通过电解水制氢的方式进行储存。当船舶有大负载操作时或夜间航行时，这部分储存的氢将放出，通过氢燃料电池再次发电并输送到船舶的电网中，用于船舶的航行及相关系统的运行。而这部分操作仍然不需要其他任何燃料，也不会向空气中排放任何有害气体。从而降低了船舶的运行成本，同时也避免了有害气体的排放而造成环境污染，可以真正做到无碳排放；

3.将电解水制氢过程中所产生的氧气进行了收集和储存，这部分被储存的氧气可用于氢燃料电池工作时所需的氧气，也可用于船舶系统运行过程中对氧气的需求，船舶不需要设置独立的制氧装置，大大降低了船舶的建造费用；

4.将氢气燃烧后所产生的淡水进行了收集和储存，这部分收集并储存的淡水可用于船舶运行过程中的杂用，也可继续用于电解水制氢操作，有效的降低了船舶航行和运行过程中对淡水的需求，也会降低船舶淡水补给的频率，从而降低了船舶航行和运行过程中的操作成本；

5.本发明的船舶因航行操作过程中完全采用了风力发电、太阳能光伏发电及氢燃料动力，整个运行过程中没有任何有害物质及二氧化碳排放问题，真正达到了零碳排放的目的。

附图说明

图1是本发明系统布置流程图；

图2是本发明船舶侧视示意图；

图3是本发明船舶俯视示意图；

图4是本发明船舶后视示意图；

其中：1-太阳能发电装置、2-风力发电装置、3-整流变压器、 4-电解水制氢装置、5-氢气处理及压缩装置、6-储氢罐、7-氧气处理装置、8-储氧罐、9-氢气燃料电池发电装置、10-水舱及供水系统、 11-甲醇动力发动机、12-二氧化碳(CO2)处理装置、13-二氧化碳(CO2)储罐、14-甲醇合成装置、15-甲醇舱。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步说明。

本发明专利提出了一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，系统由安装在船上的太阳能发电装置、风力发电装置、整流变压器、电解水制氢装置、氢气处理及压缩装置、储氢罐、氧气处理装置、储氧罐、氢气燃料电池发电装置、水舱及供水系统、甲醇动力发动机、二氧化碳(CO2)处理装置、二氧化碳(CO2)储罐、甲醇合成装置、甲醇舱等部分组成。

根据船舶的实际布置将太阳能发电装置安装在船舶露天甲板、生活楼外部围壁上，在不影响船舶操作和运行和前提下安装的数量尽可能的多，从而将太阳能发电量做到最大化。

将风力发电装置安装到船舶生活楼的前部，风力发电装置的选型需根据船舶生活楼的前部窗户布置，在不影响生活楼内人员通过窗户向外部观望视线的前提下，在生活楼前部安装尽可能多风力发电装置，因该发电装置只要有风或船舶航行过程中，便会有流动的空气通过风力发电装置，在流动的空气作用下，风力发电装置的叶片便会不停转动，风力发电装置的发电装置在叶片的带动下便可不断发出电来，风力发电装置安装数量也将决定船舶航行时的总发电量，因此，在条件允许的前提下，尽可能多的安装风力发电装置。

将整流变压器安装船舶的甲板上或船体内电气设备间，具体安装位置可根据船舶实际布置情况决定。将太阳能发电装置与整流变压器通过电缆连接，将风力发电装置与整流变压器通过电缆连接，将整流变压器上的一个电路与船舶的主电网相连，确保太阳能发电装置和风力发电装置所发出的电可以被输送到船舶的主电网上。

将电解水制氢装置安装到甲板上，或船体舱室内，具体位置可根据船舶的实际布置情况决定。

将电解水制氢装置的气解水制氢的电气端与整流变压器的电气输出端通过电缆连接，确保电流可以从变压器中被输送到电解水制氢装置的电解水制氢端。

将氢气处理及压缩装置安装到船到船舶的甲板上或船体舱室内，具体位置可根据船舶实际布置来决定，推荐做法是将其安装在电解水制氢装置附近，这样可以缩短连接二者间管系的长度。

将储氢罐安装到船舶的甲板上或船体舱室内，具体位置可根据船舶实际布置来决定，推荐做法是将其安装在露天甲板区域，从而降低气泄漏造成爆炸的风险。

将电解水制氢装置的氢气输出口、氢气处理及压缩装置、储氢罐通过输氢管路连接起来，确保电解水制氢装置所制出的氢气可以通过管路先被输送到氢气处理及压缩装置中，经过处理后的氢再由气处理及压缩装置通过管路被输送到储氢罐中储存。

将氧气处理装置安装到船到船舶的甲板上或船体舱室内，具体位置可根据船舶实际布置来决定，推荐做法是将其安装在电解水制氢装置附近，这样可以缩短连接二者间管系的长度。

将储氧罐安装到船到船舶的甲板上或船体舱室内，具体位置可根据船舶实际布置来决定。

将电解水制氢装置的氧气输出口、氧气处理装置、储氧罐三者间通过管线连接起来，确保从电解水制装置中制出的氧气通过氧气处理装置处理提纯后被输送到储氧罐中储存。

在电解水制氢装置的氧气输出管系上设有一个可将氧气直接排放到空气中的分支管系，该管系上设有一个阀门，正常作业工况下该阀门始终处于关闭状态。只有当储氧罐内被氧气充满，该阀门便会被打开，这时电解水制装置再制出的氧气将通过该支路被排放到空气中。

将氢气燃料电池发电装置安装到船舶的甲板或船体独立舱室内，具体位置可根据船舶的实际布置情况来决定。

将氢气燃料电池发电装置的氢气输入口分别与电解水制氢装置的氢气输出口，储氢罐上的氢气输出口通过管系相连，管系上需设置必要的阀门及相关附件，用来调节和控制进入氢气燃料电池发电装置的氢气来源。

将氢气燃料电池发电装置的氧气输入口与储氧罐上的氧气输出口相连，管路上设有必要的阀门及相关附件。

将氢气燃料电池的电力输出端的通过电缆连接到船舶的主电网，确保氢气燃料电池发出的电可被输送到船舶的主电网上。

船舶的水舱及供水系统中的水舱需根据前期总体性能计算分析结果进行合理配置，水舱的最合理位置最好靠近电解水制氢装置，这样为水舱及供水系统中的供水系统可以做到路径最短。

将氢气燃料电池的淡水输出端通过管路连接到向船舶的水舱，用于船舶航行过程中的淡水补充，管路上设有必要的阀门及相关附件。

将二氧化碳(CO2)处理装置的气体输入端与甲醇动力发动机的气体排出口通过管路相连，管路上设置必要的阀门及附件。二氧化碳(CO2)处理装置的二氧化碳输出端则与安装在船舶上的二氧化碳(CO2)储罐上的二氧化碳输入端通过管路相连接，管路上需安装必要的阀门及相关附件。

将二氧化碳(CO2)储罐上的二氧化碳输入端与船舶的二氧化碳(CO2)处理装置上的二氧化碳输出端通过管路相连，管路上需安装必要的阀门及相关附件。并将二氧化碳(CO2)储罐上的二氧化碳输出端的一个支路通过管路与船舶上的甲醇合成装置相连，管路上需安装必要的阀门及相关附件。另外一个支路则与船舶的舷外排出口通过管路连，管路上需设置必要的阀门及相关附件。

将甲醇合成装置上的二氧化碳输入端、氢气输入端分别与船上的二氧化碳储罐上的输出端和储氢罐上的氢气输出端通过管路相连，管路上需设置必要的阀门及相关附件。将甲醇合成装置上的合成后甲醇排出口与船舶上的甲醇舱通过管路相连，管路上设置必要的阀门及相关附件。同时将确保甲醇合成装置正常运行工作的相关系统连接并调试好。

甲醇舱作为船舶航行过程中的燃料供应站，因其储存的甲醇燃料为具有易挥发，易爆炸的特点，甲醇舱在设计过程中需特殊考虑上述特点，确保船舶的安全。甲醇舱上设有甲醇输入口，该接口分别与船舶的舷侧装载端相连，用于甲醇的补给；同时也与船舶上的甲醇合成装置上的合成后甲醇排出口相连，甲醇合成装置上合成后的甲醇可以储存到甲醇舱内。将甲醇舱的一个输出口通过管路与甲醇动力发动机相连，通过该管路向甲醇动力发动机提供工作用燃料。

船舶的甲醇动力发动机在船舶建造阶段便被安装到了船体内发动机室；从甲醇舱上的甲醇输出口引一路管线与甲醇动力发动机相连，为甲醇动力发动机11提供燃料，管路上设有必要的阀门及相关附件；将甲醇动力发动机11的淡水输出端与船舶的水舱通过管路连接，当氢气在发动机内燃烧的同时会产生大量淡水，这部分淡水便会通过管路被收集到船舶的水舱内，用于船舶航行过程中的淡水补充。管路上需设置必要的阀门及相关附件。将甲醇动力发动机的排气管与船舶上的二氧化碳处理装置的气体输入端相连，排气管上设置必要的阀门及相关附件。将甲醇动力发动机上的淡水排出口与舱上的水舱通过管路相连，管路上设置必要的阀门及相关附件。

完成上述安装工作后，需对整个系统进行调试和测试，确保所有系统均满足前期设计的预定目标。船舶便可以进行正常航行运输作业了。

当船舶在停泊或海上航行过程中，可以通过安装在船舶上的风力发电装置和太阳能发电装置进行发电，发出的电力通过整流变压器的整流变压后，使得发出的电与船舶的电网所需电流电压相匹配，这部分发出的电则可直接用于常规船舶系统的运行。

当船舶停泊过程中或船舶常规系统对电力需求小于船上风力发电装置和太阳能发电装置所发出的电力时，风力发电装置和太阳能发电装置多发现的电力将会通过整流变压器的整流变压后输送到电解水制氢装置处，在电解水制氢装置内通过电解水的方式制出氢气，这部分氢气可直接加注到氢气燃料电池装置中进行储存，也通过氢气处理及压缩装置处理后充装到储氢罐中进行储存。

当船舶运行过程中需要大功率运行时，这部分储存的氢气则会作为燃料补充被输送到氢气燃料电池中用于氢燃料电池发电，氢气燃料电池发出的电会被输送到船舶的电网上，用于船舶各种系统运行。

在电解水制氢的过程中同步制的氧气也将被合理的应用到氢气燃料电池发电过程中的氧气输入，船舶不需要再设置单独的制氧装置。

而氢气在氢气燃料电池中与氧气质子交换发电时，或甲醇在发动机内燃烧过程中均将会产生大量淡水，这部分淡水通过管路被收集到船舶的水舱内，用于船舶航行过程中的淡水补充，这样船舶在远距离航行时便可降低淡水的携带量，或可减少船舶运行过程淡水补给频率或补给量。

当甲醇动力发动机工作时，其排出的二氧化碳将通过该管路被输送到该二氧化碳处理装置中，通过二氧化碳处理装置将甲醇动力发动机排出的二氧化碳处理提纯，然后存放到二氧储罐中。

在需要进行甲醇合成作业时，分别将储存在二氧储罐内的二氧化碳和储存在储氢罐中的氢输送到甲醇合成装置中，通过存放在甲醇合成装置内的催化剂的催化，再通过高温、高压方式将二氧化碳和氢气合成甲醇，合成后的甲醇将被输送到船舶上的甲醇舱内储存。合成过程中同时产生的淡水也将被收集到船舶上的水舱内储存。

当船舶上二氧化碳储罐内的二氧化碳储存量大于甲醇合成所需要的量时，如船舶停靠在码头，可选通过船舶上的舷侧排出口排放到岸上的二氧化碳接收站；如船舶在航行过程中，则可通过船舶上的舷侧排出口输送到专业的二氧化碳运输船上，由专业的二氧化碳运输船将这部分多余的二氧化碳转运到专门用于处理回收二氧化碳的处所进行处理，如专业甲醇生产化工厂，或地下封存等。

通过上述操作，确保船舶在航行过程中始终处理无任何碳排放的状态，确保该船舶可以满足未来国际组织对船舶航行实现零排放的相关要求。

Claims (7)

1.一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其特征在于：船舶设置有太阳能发电装置和风力发电装置，太阳能发电装置和风力发电装置通过电缆与整流变压器连接后，分别与电解水制氢装置、船舶电网连接；

电解水制氢装置通过管路分别与氢气处理及压缩装置、氧气处理装置、氢气燃料电池装置连接，氢气处理及压缩装置通过管路与氢气储瓶连接，氢气储瓶分别与氢气燃料电池装置、甲醇合成装置连接，氧气处理装置通过管路依次与氧气储瓶、氢气燃料电池装置连接，氢气燃料电池装置分别与船舶电网连接；

二氧化碳处理装置依次与二氧化碳储罐、甲醇合成装置、甲醇储罐、甲醇燃料发动机连接后，回流至二氧化碳处理装置，形成第一循环网。

2.根据权利要求1所述的一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其特征在于：甲醇燃料发动机通过回水管路依次与水舱、电解水制氢装置连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其特征在于：甲醇合成装置连接有回水管路，通过回水管路依次与水舱、电解水制氢装置连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其特征在于：风力发电装置设置在生活楼前部。

5.根据权利要求1所述的一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其特征在于：太阳能发电装置设置在甲板空地及生活楼的四周。

6.根据权利要求1所述的一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其特征在于：二氧化碳储罐上设有与船舶舷侧排出口相连的管路，通过排出口将二氧化碳输送到二氧化碳传输船上，运送至岸上。

7.根据权利要求1所述的一种基于风电光伏发电的船舶甲醇动力系统，其特征在于：电解水制氢装置伸出有将气体释放至空气中的支管路。

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