一种多能互补的船舶用全天候淡-热-电联供系统 |
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| 申请号 | CN202111401507.4 | 申请日 | 2021-11-19 | 公开(公告)号 | CN114142791B | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 中国计量大学; | 发明人 | 彭超; 顾海林; 池作和; 张光学; 詹明秀; 王进卿; 祁照岗; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种多能互补的 船舶 用全天候淡‑热‑电联供系统，将海上 风 能 、 太阳能 和 波浪能 转化为 电能 并通过储能设备储存起来；通过海面波浪带动 叶轮 旋转，叶轮的机械能 直接驱动 高压 泵 为 海 水 增压 ，高压 海水 泵入 反渗透 膜中进行 淡化 处理并通入 淡水 池储备起来；通过风‑光‑波发电系统提供 电流 输入，制淡系统提供淡水，借助 电解 槽 电解水制备氢气和 氧 气并通过储气设备储存作为 燃料 电池 的反应物；利用 燃料电池 工作时发出的电能和余热为船舶进行辅助供电以及供热。本发明充分发挥海上 可再生 能源 优势，构建了大型船舶淡水、 热能 、电 力 一体化系统，实现了海上清洁能源协同利用，在远洋货轮、极地科考船等大型船舶上具有良好的应用前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统，其特征在于，包括风‑光‑波发电系统、制淡系统以及基于氢能的热电联供系统，其中： |
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| 说明书全文 | 一种多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统技术领域背景技术[0002] 进入21世纪以来，因大量使用传统化石能源导致全球生态危机越来越严重，人类迫切需要改变传统燃料在世界能源体系中的支配地位，以减少碳排放，应对气候变化。传统发电技术依靠将煤燃烧产生的化学能转化为机械能再转为电能，这种发电技术碳排放量高，污染严重，已不能达到现有要求。 [0003] 船舶电力系统常用的电源装置是柴油发电机组和蓄电池组。柴油燃烧发电过程中产生大量温室气体、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物不仅污染海上空气还会有泄露污染海水的风险。随着″双碳″目标的提出，加上近年来柴油价格的上涨，船舶行业亟需考虑使用清洁能源作为电力或动力来源。而海上风能、太阳能、波浪能等可再生能源储量丰富，若能结合新能源发电技术，将海上弃风、弃光和海浪充分利用，对保护海洋生态环境，降低船舶运营成本，促进我国环境可持续发展有重要意义。 [0004] 风能和太阳能是最具有代表性的两种可再生能源，使用风力发电机组和光伏发电机组将风能和太阳能转化为电能一直是各国面对能源危机积极推广的发电技术。随着科技水平的飞速发展，风力发电技术已经可以通过调节桨距和发电机组功率转速的方式最大化捕获风能，光伏产业也开发出第三代钙钛矿太阳能板，在发电功率和电能质量提高的同时成本也大大降低。 [0005] 波浪能是海洋能的主要能源形态之一，在远离海岸线的海洋深处，海浪运动会产生巨大的能量，如果能将海浪的动能及其他水面的波浪能带动叶轮转化为机械能再转化成电能等其它能源，这对缓解能源危机和减少环境污染非常重要，利用波浪能结合反渗透海水淡化技术还可以为船员提供淡水，是一条不错的技术路线。 [0006] 氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，它可以作为燃料电池的反应物也能作为氢能发动机的燃料。氢气制备有多种途径，其中通过可再生能源的电力电解水产生氢气被称为″绿氢″技术，目前电解水的技术路线中，使用PEM电解槽的系统能耗低、产物纯度高、操作温度低，其产出的氢气纯度可高达99.9％，是目前″绿氢″生产的重要发展方向，很适合作为给燃料电池提供氢气的设备。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将氢气与空气或氧气经催化后产生的化学能直接转化为电能的发电装置，具有比能量大、能量转率高、工作温度低、零排放等优点。因此，PEMFC可作为船舶电力系统辅助发电装置广泛应用，其运行过程中产生的热量还能通过储氢罐、热泵构成供热系统实现热能梯级利用。 [0007] 申请号CN201910914501.3公开的是一种采用燃料电池船舶直流组网系统和应用此系统的船舶，其利用风、光能转变成的电能电解海水制氢，并构建船舶用直流组网系统，未考虑海水直接电解制氢的可行性和稳定性，且交流电对于船舶负载系统同样重要，需重点考虑；申请号CN201910869904.0公开了一种多能互补的海上能源集成发电系统，其利用的是海洋温差能并未考虑不同海域不同气候下海水温差的变化范围，这会影响发电系统的电能质量，造成电网的波动；申请号CN201110298031.6公开了一种潮流能和波浪能耦合的发电及制淡系统，系统应用场景为海岛或海岸，并不能很好的应用与移动中的船舶，且仅仅依靠海洋能进行发电和制淡水未考虑海面波浪小、无潮汐时的情况，无法实现多能互补；申请号CN202010345400.1公开的一种船用光储柴混合能源供电系统及供电方法，其光伏能源系统优先为储能电池充电和负载供电，当光伏能源不足时再由柴油发电机发电供负载使用，但当夜晚或其他无光条件下仍需要完全依靠柴油发电机组发电，不利于环保要求。 发明内容[0008] 为解决上述问题，本发明旨在提出一种多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统，利用海上风能、太阳能、波浪能储量丰富的优势，将不同可再生能源在不同时空不同气候下的对发电系统的不利影响占比降到了最低，提高了系统运行效率，为船舶带来清洁的电力系统、淡水制备系统和热水供应系统，最大化的减少了能量浪费，提高了对清洁能源的利用率。 [0009] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： [0010] 一种多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统，包括风‑光‑波发电系统、制淡系统以及基于氢能的热电联供系统，其中： [0011] 风‑光‑波发电系统：通过能量转换装置将海上风能、太阳能和波浪能转化为电能并通过储能设备储存起来； [0013] 基于氢能的热电联供系统：通过风‑光‑波发电系统提供电流输入，制淡系统提供淡水，借助电解槽电解水制备氢气和氧气并通过储气设备储存作为燃料电池的反应物；利用燃料电池工作时发出的电能和余热为船舶进行辅助供电以及供热。 [0014] 进一步的，所述能量转换装置包括风力发电机组、光伏发电设备以及波浪能发电机组，所述风力发电机组采用垂直轴风力发电机，安装在船舶尾部甲板；所述光伏发电设备采用第三代钙钛矿太阳能板，在甲板中部呈八行五列布置；所述波浪能发电机组采用直驱风机发电机。 [0015] 进一步的，所述风‑光‑波发电系统的三套发电子系统根据天气变化协同发电，发出的电能通过控制器、继电器控制电能走向，所述电能具有三种使用模式，模式一：电能通过整流、调压、稳压后输入储能设备，最终经过逆变并入交流电网供负载使用；模式二：电能通过整流、调压、稳压后作为电解水的电能输入用于制备氢气和氧气；模式三：当海上能源不足且储能设备充满电时，储能设备的多余电能输出作为电解水的电能输入用于制备氢气和氧气。 [0016] 进一步的，所述制淡系统通过叶轮在海浪的驱动下旋转，并利用导流盖增加转速带动高压泵工作，高压泵通过过滤器过滤海水并将过滤处理后的海水泵入反渗透膜进水口处，海水进入膜组进行淡化，产出的淡水通入淡水池储存。 [0017] 进一步的，所述基于氢能的热电联供系统包括电解水单元、储气单元、燃料电池单元以及水源热泵单元。 [0018] 进一步的，所述电解水单元使用PEM电解槽作为制氢设备，其正负极与控制器连接，电能输入分别来自为风‑光‑波发电系统和储能设备；所述PEM电解槽所电解的水有两个输入途径：一是淡水池中的水经过滤阀、去离子器、喷射器气化通入，二是气水分离装置分离出的液态水经气化后喷入；所述PEM电解槽电解得到的氢气和氧气通过气水分离装置、干燥装置进入储气装置储存备用。 [0019] 进一步的，所述储气单元使用储氧罐和储氢罐，并通过气体流量计、三通阀、空压机、压力表以及控制器控制氢气、氧气的气体流向走向，所述储氢罐采用金属氧化物储氢罐。 [0020] 进一步的，所述燃料电池单元通过五块额定功率为5kW、额定电压为48V的质子交换膜燃料电池并联布置组成电堆，电堆设有气体出入口、冷却水出入口用于接收氢气、氧气，构成液冷换热循环；所述电堆通过DC‑DC升压装置、DC‑AC逆变装置将产生的电能汇入到交流电网供负载使用；所述燃料电池的电堆气体出口设有压力表和气体泵，用于将携带水汽的多余反应气体输回气体入口；所述燃料电池电堆的冷却板采用蛇形通道，在通道底部分别等间距加工出若干凹陷结构，用于增强换热。 [0021] 进一步的，所述燃料电池单元与储气单元构成了冷却水循环系统，利用燃料电池堆产生的余热，为金属氧化物储氢罐提供放氢反应需要的热量，燃料电池冷却水出口与金属氧化物储氢罐冷却水进口连接，流出储氢罐的冷却水先经过散热装置降温，再通入蒸发换热装置为水源热泵单元提供辅助热源。 [0022] 进一步的，所述水源热泵单元包括蒸发换热装置、压缩机、冷凝器以及膨胀阀，所述水源热泵单元通过R134a在蒸发换热装置中吸收热量变成低温低压气体，再经过压缩机压缩形成高温高压气体，通过冷凝器吸热成为低温高压液体，最后由膨胀阀降压变成低温低压液体输回蒸发换热装置，其中冷凝器中的冷凝管浸没在热水池中对生活用水进行加热；所述蒸发换热装置为板式换热器，是冷却水循环系统与水源热泵单元的耦合换热场所，后者的工质R134a与前者的冷却水以热传导方式换热后各自流向下一级。 [0023] 有益效果：本发明通过新能源发电技术对海上多种可再生能源集成利用，提高了资源利用率，大大减小了不同可再生能源在不同时空不同气候下的占比对发电系统的影响。本发明考虑到船舶在远洋航行时面临的淡水不足问题，利用波浪能设置了淡水制备系统，为船员提供生活用水，制得的淡水还为电解槽提供了反应物，解决了直接电解海水产生污染物的问题。本发明对燃料电池运行产生的余热进行梯级利用，既提高了储氢罐氢气释放率又为船员提供了生活热水，使基于氢能的热电联供系统效率达到最高。本发明将新型结构冷却通道应用在燃料电池冷却板上，增强了电堆散热效果，提升了供热系统整体效率。附图说明 [0024] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： [0025] 图1为本发明实施例所述的多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统的拓扑图； [0026] 图2为本发明实施例所述的多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统的供热系统工作原理图； [0027] 图3为本发明实施例所述的多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统的燃料电池冷却板结构示意图。 具体实施方式[0028] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0029] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 [0030] 实施例1 [0031] 参见图1‑3：一种多能互补的船舶用全天候淡‑热‑电联供系统，包括风‑光‑波发电系统、制淡系统以及基于氢能的热电联供系统，其中： [0032] 风‑光‑波发电系统：通过能量转换装置将海上风能、太阳能和波浪能转化为电能并通过储能设备储存起来； [0033] 制淡系统：通过利用海面波浪带动叶轮旋转，叶轮的机械能直接驱动高压泵为海水增压，高压海水泵入反渗透膜中进行淡化处理通入淡水池储备起来； [0034] 基于氢能的热电联供系统：通过风‑光‑波发电系统提供电流输入，制淡系统提供淡水，借助电解槽电解水制备氢气和氧气并通过储气设备储存作为燃料电池的反应物；利用燃料电池工作时发出的电能和余热为船舶进行辅助供电以及供热。 [0035] 本实施例充分发挥海上可再生能源优势，构建了大型船舶淡水、热能、电力一体化系统，风‑光‑波发电系统利用海上可再生能源发电并实现了电能的储存；制淡系统借助海浪动能和高压反渗透技术将海水淡化；基于氢能的热电联供系统可以利用发电系统多余电能用来电解水制氢，当船舶电力供应不足时可以启动燃料电池，同时对燃料电池的余热进行梯级利用，为船员提供生活热水。本实施例实现了海上清洁能源协同利用，并通过燃料电池实现辅助供电和供热，系统总能耗极低，可以安装在远洋货轮、极地科考船等大型船舶，具有良好的应用前景。 [0036] 在一具体的实例中，所述能量转换装置包括风力发电机组、光伏发电设备以及波浪能发电机组，所述风力发电设备采用垂直轴风力发电机，安装在船舶尾部甲板；所述光伏发电机组采用第三代钙钛矿太阳能板，在甲板中部呈八行五列布置；所述波浪能发电机组采用直驱风机发电机。 [0037] 在具体实现中，本实施例使用四台风力发电机，四十块太阳能电池板和一套20kW波浪能直驱式发电系统，三套发电子系统根据天气变化协同发电，发出的电能经整流、调压、稳压后输入储能电池，最终经过逆变并入交流电网供负载使用。 [0038] 在一具体的实例中，所述风‑光‑波发电系统的三套发电子系统根据天气变化协同发电，发出的电能通过控制器、继电器控制电能走向，所述电能具有三种使用模式，模式一：电能通过整流、调压、稳压后输入储能设备，最终经过逆变并入交流电网供负载使用；模式二：电能通过整流、调压、稳压后作为电解水的电能输入用于制备氢气和氧气；模式三：当海上能源不足且储能设备充满电时，储能设备的多余电能输出作为电解水的电能输入用于制备氢气和氧气。 [0039] 需要说明的是，本实施例的储能设备之一为48V 200Ah锂电池组，当海上能源不足且锂电池组电能充足时，电池组充满电后的多余电能可以直接用于电解水制氢。 [0040] 在一具体的实例中，所述制淡系统通过叶轮在海浪的的带动下旋转，并通过导流盖增加转速驱动高压泵工作，高压泵将过滤处理后的海水泵入反渗透膜进水口处，海水进入膜组进行淡化，产出的淡水通入淡水池储存。 [0041] 在一具体的实例中，所述基于氢能的热电联供系统包括电解水单元、储气单元、燃料电池单元以及水源热泵单元。 [0042] 在一具体的实例中，所述电解水单元使用PEM电解槽作为制氢设备，其正负极与控制器连接，电能输入分别来自为风‑光‑波发电系统和储能设备；所述PEM电解槽所电解的水有两个输入途径：一是淡水池中的水经过滤阀、去离子器、喷射器气化通入，二是气水分离装置分离出的液态水经气化后喷入；所述PEM电解槽电解得到的氢气和氧气通过气水分离装置、干燥装置进入储气装置储存备用。 [0043] 在一具体的实例中，所述储气单元使用储氧罐和储氢罐，并通过气体流量计、三通阀、空压机、压力表以及控制器控制氢气、氧气的气体流向走向，所述储氢罐采用金属氧化物储氢罐。 [0044] 本实施例的金属氧化物储氢罐具有储量大、成本低、安全性高、可循环性好等特点，非常适合有人员活动的大型船舶储氢系统。 [0045] 在一具体的实例中，所述燃料电池单元通过五块额定功率为5kW、额定电压为48V的质子交换膜燃料电池并联布置组成电堆，电堆设有气体出入口、冷却水出入口用于接收氢气、氧气，构成液冷换热循环；所述电堆通过DC‑DC升压装置、DC‑AC逆变装置将产生的电能汇入到交流电网供负载使用；所述燃料电池的电堆气体出口设有压力表和气体泵，用于将携带水汽的多余反应气体输回气体入口，因此电堆无需额外增湿装置；所述燃料电池电堆的冷却板采用蛇形通道101，在通道底部分别等间距加工出若干凹陷结构102，用于增强换热。 [0046] 本实施例的冷却板冷却通道中的凹陷结构增强了对冷却水的扰动作用，从而强化了冷却板换热能力，同时尽量减少通道压损过大带来的系统额外损耗，实际运行中效果良好，提高了电堆热管理效率。 [0047] 在一具体的实例中，所述燃料电池单元与储气单元构成了冷却水循环系统，利用燃料电池堆产生的余热，为金属氧化物储氢罐提供放氢反应需要的热量，燃料电池冷却水出口与金属氧化物储氢罐冷却水进口连接，流出储氢罐的冷却水先经过散热装置降温，再通入蒸发换热装置1为水源热泵单元提供辅助热源。 [0048] 在一具体的实例中，所述水源热泵单元包括蒸发换热装置1、压缩机2、冷凝器3以及膨胀阀4，所述水源热泵单元通过R134a在蒸发换热装置1中吸收热量变成低温低压气体，再经过压缩机2压缩成高温高压气体，通过冷凝器3吸热成为低温高压液体，最后由膨胀阀4降压变成低温低压液体输回蒸发换热装置1，其中冷凝器3中的冷凝管浸没在热水池中对生活用水进行加热，所述蒸发换热装置1为板式换热器，是冷却水循环系统与水源热泵单元的耦合换热场所，后者的工质R134a与前者的冷却水以热传导方式换热后各自流向下一级。 [0049] 本发明的基本工作原理：本发明主要能源输入为海上风能、太阳能、波浪能，储能设备包括锂电池组和PEMFC电堆；淡‑热‑电联供系统即淡水、热水、电力联合供应系统，系统实现的方法简单来说就是利用风能、太阳能、波浪能为锂电池充电；利用风能、太阳能、波浪能和锂电池输出的电能进行电解水制氢；利用锂电池组和PEMFC电堆为船上负载提供交流电，保障船舶电力供应；利用波浪能带动叶轮旋转，驱动高压泵将海水泵入反渗透膜中得到淡水；利用PEMFC电堆运行过程中产生的余热为金属氧化物储氢罐提供放氢反应所需热量；利用降温后的冷却水余热作为水源热泵系统的水源加热淡水。 [0050] 需要说明的是，本发明中所述的″全天候″含义是系统具备应对海上变化莫测的气候和昼夜变化的能力。当船舶在白天航行时，可能遇到晴朗有风、晴朗无风、阴雨有风、阴雨无风四种主要天气，晚上航行时则会遇到阴雨有风、阴雨无风两种天气。对晴朗的定义是可以使太阳能板正常发挥光生伏打效应输出稳定电能的最小光照强度；有风则定义为使风力发电机组有效运转且输出稳定电能的最小风力，默认在有风条件下的波浪能充足。下面将结合附图1详细阐述本发明系统全天候运行的使用方法及原理解释。 [0051] 当天气为晴朗有风时，发电系统处于全功率运行状态。风力发电机组输出的交流电经AC‑DC整流后输入控制器1，光伏发电设备与波浪能发电机组输出的直流电经DC‑DC调压后输入控制器1。控制器分别与继电器1、继电器2、继电器3连接，当锂电池组电能不足时，继电器1、3断开，继电器2闭合，对锂电池组充电。当锂电池组电能充足时，断开继电器2、3，闭合继电器1，为PEM电解槽提供直流电电解水制氢。当船舶负载过大锂电池组无法供应充足电能时，控制器2控制三通阀1打开，空压机运行，PEMFC电堆输出的电能经过调压、稳压、逆变后为负载提供交流电。 [0052] 当天气为晴朗无风时，发电系统处于半功率运行状态，只有光伏发电系统为锂电池组充电或为电解槽供电。此时可保证锂电池组电量充足，通过锂电池组和PEMFC电堆为负载提供交流电。 [0053] 当天气为阴雨有风时，风力发电机组和波浪能发电机组联合供电，可保证锂电池组处于满电状态，通过锂电池组和PEMFC电堆为负载提供交流电。 [0054] 当天气为阴雨无风时，发电系统处于停止运行状态，此时可在保证船舶基本电力供应正常的情况下使用锂电池组和PEMFC电堆为负载提供交流电。若锂电池组也处于馈电状态则将PEMFC电堆作为应急电源继续为船上必要通信设备供电。 [0055] 淡水作为大型船舶远洋航行的必要物资，重要性不言而喻。当天气为晴朗有风、阴雨有风时可以利用高压反渗透技术淡化海水；当天气为阴雨无风时则可以使用雨水收集器来收集淡水；当天气为晴朗无风时，则可考虑利用太阳能板聚热使海水蒸发制得淡水以备紧急之用。 [0056] 本发明中的供热系统只有在海上温度低于10℃时才会启动，此时当天气在以上四种情况下，只要有足够的氢气储量就能利用燃料电池的余热加热淡水。 [0057] 所述供热系统具体实施方法见图2。PEMFC电堆的正常工作温度范围是60‑95℃，需要对其进行热管理以保证输出稳定的电流。金属氧化物储氢罐放氢反应需要吸收热量，这个温度通常在30℃到80℃，因此可以利用PEMFC电堆的冷却水对金属氧化物储氢罐进行加热。为了达到为水源热泵单元提供低品位热源的要求，在储氢罐和蒸发换热装置之间设置冷却水散热装置。 [0058] 所述冷却水循环系统包含：燃料电池冷却板、铜制换热管、水泵、金属氧化物储氢罐换热管、散热装置。 [0059] 冷却水循环系统原理为：从燃料电池冷却板排出的冷却水温度在65‑90℃，首先由水泵将冷却水泵入缠绕在储氢罐外壁上的螺旋换热管，促进氢气释放，储氢罐换热管输出端连接散热装置输入端，利用风扇对冷却水降温，接着冷却水通入蒸发换热装置与R134a换热后流回燃料电池冷却板。 [0060] 所述蒸发换热装置为板式换热器，是冷却水循环系统与水源热泵单元的耦合换热场所，后者的工质R134a与前者的冷却水以热传导方式换热后各自流向下一级。上一步所述的水源热泵系统是采用R134a作为工质，冷却水作为含低品位热源的水源，其分别经过蒸发器、压缩机、冷凝器、再回到蒸发器。 [0061] 水源热泵系统原理为：低温低压液态工质流经蒸发器吸收冷却水热量，气化为低温低压工质，再经过压缩机成为高温高压气态工质。高温高压的气态工质通过插入水中的冷凝管与淡水进行换热，吸热后的R134a液化，接着通过膨胀阀减压再次流入蒸发器。如此循环工作，水源热泵系统不断从上级冷却水循环系统吸热，而在冷凝管一侧将水加热。 [0062] 在基于氢能的热电联供系统中最重要的设备之一是燃料电池堆。燃料电池按运行机理分为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。考虑到本发明的应用场景是船舶，故采用安全性能高、工作温度低、输出功率大的质子交换膜燃料电池作为储能设备是合适的。 [0063] 所述质子交换膜燃料电池的工作原理为：氢气和氧气(空气)分别通入阳极和阴极，氢气依次经过扩散层、微孔层、催化层失去电子变为氢离子，再穿过质子交换膜到达阴极催化层的三相交界处与氧气在催化剂的作用下发生氧化还原反应，质子通过交换膜在电池内部传递，电子则通过外部的负载从阳极到达阴极。整个电极反应的化学方程式如下，可以看到质子交换膜燃料电池产生的反应实际上就是电解水的逆反应。 [0064] 阳极：H2→2H++2e‑ [0065] 阴极：1/2O2+2H++2e‑→H2O [0066] 总反应：H2+1/2O2→H2O [0067] 为了提高热电联供系统的效率，本发明还将一种新型燃料电池冷却板运用在系统中，其结构如图3所示。冷却通道采用蛇形通道，在通道底部分别等间距加工出若干凹陷结构，目的是增强对冷却水的扰动作用，从而强化冷却板换热能力，同时尽量减少通道压损过大带来的系统额外损耗。实际运行中效果良好。 |
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