一种船舶多能源微电网系统技术方案

一种船舶多能源微电网系统，包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC‑DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、补偿机、变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线。本系统以可逆高温燃料电池作为船舶主要电力来源，协同多种能源，为船舶在不同负荷下提供多种电能的选择，实现多能源微电网系统发电与储能的协调作用，并且尽可能降低燃料消耗。此外本系统还加入储能系统，应对船舶负荷的波动，可逆高温燃料电池发电状态时为船舶提供电力，电解状态时以发电产生的废气为原料制造燃料，大幅度减少污染气体排放。

A Ship Multi-energy Microgrid System

【技术实现步骤摘要】
一种船舶多能源微电网系统
本专利技术涉及船舶节能减排领域，具体涉及一种多能源船用微电网系统，实现可逆高温燃料电池、柴油发电机、风力发电及光伏发电之间多能协同工作。
技术介绍
当前控制气候变化和空气质量恶化的需求日益增大，航运业和许多其他行业一样，面临着减少环境影响的巨大压力。如果不采取措施，到2050年，二氧化碳排放量预计将增加50％-250％，此外，航运业氮氧化物排放已经占全球氮氧化物排放的15％，如果不采取措施，预计还会增加。另外，能源紧缺同样困扰世界各国。为解决航运业关于能源与环境这两大问题，各国科研人员做了大量探索。从提高燃料效率上进行了两方面的探索：一是采用燃料电池，燃料电池可以把化学能直接转化为电能，燃料利用率大大提高，而且相比化石燃料燃烧尾气更加清洁，以H2为燃料的燃料电池尾气只有H2O，可逆燃料电池的出现更是让人们看到实现零排放的希望。燃料电池因其高燃料利用率以及更加清洁的特性，是船舶动力方面研究热点，目前燃料电池应用于船舶的研究方向主要分为全燃料电池动力船舶和燃料电池作为多种供能形式其中之一的多能源船舶。二是将传统的机械推进改为电力推进，船舶在运行时负载大小时时刻刻都在变化，这会引起燃料浪费，采用电力推进可以减少燃料消耗，并且采用先进控制策略的混合结构可以降低高达10％-35％燃料消耗与排放。电力推进船舶目前研究比较火热，尤其在军舰和大型游轮的研制上，而且全电船舶技术日趋成熟，正逐渐变为造船主流。从寻求新能源上也进行了两方面探索：一是寻找新的化石能源，比如可燃冰与页岩气，目前这两种新型化石能源正处于研究阶段，作为航运燃料还存在一些挑战。二是利用自然界的可再生清洁能源，如太阳能，风能等。另外，锂电池船舶也是研究人员探寻的一种解决方法。
技术实现思路
针对目前能源危机与环境污染问题对航运业提出的更高要求，本专利技术提出一种船舶多能源微电网系统，以可逆高温燃料电池为主要电能来源，风力发电，光伏发电及柴油发电机发电为辅助电能来源。当船舶靠岸时，船舶接入岸电，可逆高温燃料电池进入电解状态，通过电解发电状态下产生的废气生产可逆高温燃料电池发电状态的燃料，或者在光伏发电功率与风力发电功率大于负载功率时可逆高温燃料电池进入电解状态。其他情况下可逆高温燃料电池处于发电状态，并且根据不同负荷情况匹配不同的船舶微电网发电模式，储能装置用于应对负荷波动。并且通过利用尾气余热可以进一步提高燃料利用率。这样可以尽可能节省燃料并且减少排放。本多能源船用微电网系统主要包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC-DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、补偿机变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线。本专利技术采用如下技术方案：在可逆高温燃料电池发电情况下，燃料从燃料罐输出，经过发电气换热器加热后进入可逆高温燃料电池，同时氧气罐中的氧气进入发电气换热器加热，然后进入可逆高温燃料电池，可逆高温燃料电池进入发电状态，发电产生的高温尾气从可逆高温燃料电池输出进入发电气换热器，从发电气换热器输出后进入二级换热器，发电气换热器与二级换热器分级利用高温尾气余热，增加燃料利用率，尾气从二级换热器输出，经过废气压缩机然后进入废气罐，可逆高温燃料电池发出电力经过可逆高温燃料电池AC-DC变换器输送到交流母线，同时光伏发电系统和风力发电系统也为船舶微电网提供电力。在可逆高温燃料电池电解情况下，废气罐中的气体通入电解气换热器进行加热，然后进入可逆高温燃料电池进行电解反应，电解反应生成混合燃料气体和氧气从可逆高温燃料电池两个不同接口出来，然后经过电解气换热器和二级换热器，最后分别通入燃料罐和氧气罐，电解气换热器与二级换热器分级利用高温尾气余热，增加燃料利用率，可逆高温燃料电池电解需要的电力由交流母线提供，交流母线上的交流电经过可逆高温燃料电池AC-DC变换器转换为大电流直流电用于可逆高温燃料电池电解反应。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)采用多能源形式的船舶微电网，利用太阳能，风能两种清洁可再生能源，降低燃料消耗，大大减少废气排放。(2)分级利用高温废气作为换热器热源，可以进一步提高燃料利用率。(3)采用可逆高温燃料电池，发电产生的废气收集起来用作电解原料，该系统几乎达到零排放。(4)AC-DC转换器采用大电流整流形式，使电解反应更加快速。(5)储能装置可以缓冲负荷波动引起的船舶微电网不稳定。附图说明图1为本专利技术船舶多能源微电网系统的结构示意图。图中，1废气罐，2氧气罐，3燃料罐，4可逆高温燃料电池，41可逆高温燃料电池废气进口，42可逆高温燃料电池燃料进口，43可逆高温燃料电池氧气出口，44可逆高温燃料电池燃料进口，45可逆高温燃料电池氧气进口，46可逆高温燃料电池废气出口，5二级换热器，51二级换热器进油口，52二级换热器出油口，53二级换热器氧气进口，54二级换热器氧气出口，55二级换热器燃料与废气进口，56二级换热器燃料与废气出口，6电解气换热器，61电解气换热器氧气出口，62电解气换热器氧气进口，63电解气换热器燃料出口，64电解气换热器燃料进口，65电解气换热器废气进口，66电解气换热器废气出口，7发电气换热器，71发电气换热器氧气进口，72发电气换热器氧气出口，73发电气换热器燃料进口，74发电气换热器燃料出口，75发电气换热器废气出口，76发电气换热器废气进口，8柴油换热器，9废气压缩机，10氧气压缩机，11燃料压缩机，12油泵，13油箱，14烟囱，15柴油发电机，16岸电接口，17升压变压器，18紧急负载，19滤波器，20风力发电系统，21光伏发电系统，22高压负载，23低压负载，24降压变压器，25储能系统AC-DC转换器，26可逆高温燃料电池AC-DC转换器，27储能系统，28同步补偿机，29交流母线，气阀V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细地描述。如图1所示，本专利技术一种船舶多能源微电网系统，包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC-DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机、补偿机、变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线。船舶停靠港口时，船舶微电网通过岸电接口16与岸电系统连接，此时船上负载消耗电力与可逆高温燃料电池4电解反应消耗电力由岸电系统、光伏发电系统21和风力发电系统20提供，可逆高温燃料电池4进行电解反应生产燃料，为船舶离港航行时可逆高温燃料电池4发电做准备，在离港航行时，若船舶电力负荷小于风力发电系统20与光伏发电系统21发电功率之和，可逆高温燃料电池4同样进行电解反应，其他情况下，可逆高温燃料电池4进行发电反应。在可逆高温燃料电池4发电情况下，氧气从氧气罐2输出，经过气阀V7从发电气换热器氧气进口71进入发电气换热器7，加热后从发电气换热器7氧气出口72输出，然后从可逆高温燃料电池氧气进口44进入可逆高温燃料电池4，同时气阀V8打开，燃料罐3中的燃气从发电气换热器燃料进口73进入发电气换热器7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船舶多能源微电网系统，包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC‑DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机、补偿机、变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线，其特征在于：本船舶多能源微电网系统以可逆高温燃料电池4为主要能量来源，风力发电系统20、光伏发电系统21、柴油发电机15为辅助能量来源，系统各部分连接情况如下，燃料罐3出气口与气阀V8连接，燃料罐3进气口连接燃料压缩机11出气口，废气罐1出气口与气阀V6连接，废气罐1进气口连接废气压缩机9出气口，氧气罐2进气口连接氧气压缩机10出气口，氧气罐2出气口与气阀V7连接，废气压缩机9的进气口与气阀V3连接，氧气压缩机10进气口与气阀V4连接，燃料压缩机11进气口与气阀V5连接，二级换热器5燃料与废气进口55与电解气换热器6燃料出口63通过气阀V1连接，二级换热器5燃料与废气进口55与发电气换热器7废气出口75通过气阀V2连接，其中，气阀V1、V2分别控制燃料与废气进入二级换热器5燃料与废气接口55，气阀V3与气阀V5连接二级换热器5燃料与废气出口56，气阀V3、V5分别控制废气进入废气压缩机9与燃料进入燃料压缩机11，气阀V4与二级换热器5氧气出口54连接，气阀V6与电解气换热器6废气进口65连接，气阀V7与发电气换热器7氧气进口71连接，气阀V8与发电气换热器7燃料进口73连接，二级换热器5进油口51与油箱13通过油泵12连接，二级换热器5出油口52连接柴油换热器8进油口，二级换热器5氧气进口53连接电解气换热器6氧气出口61，电解气换热器6氧气进口62连接可逆高温燃料电池4氧气出口43，电解气换热器6燃料进口64连接可逆高温燃料电池4燃料出口42，电解气换热器6废气出口66连接可逆高温燃料电池4废气进口41，发电气换热器7氧气出口72连接可逆高温燃料电池4氧气进口44，发电气换热器7燃料出口74连接可逆高温燃料电池4氧气进口45，发电气换热器7废气进口76连接可逆高温燃料电池4废气出口46，柴油换热器8出油口连接柴油发电机15进油口，柴油换热器8进气口连接柴油发电机15排气口，柴油换热器8排气口连接烟囱14进气口，柴油发电机15与紧急负载18通过断路器连接，并且通过升压变压器17和断路器与高压母线29连接，可逆高温燃料电池4外接两组输电线，两组输电线都与可逆高温燃料电池AC‑DC转换器26连接然后与交流母线29连接，储能系统27与储能设备AC‑DC转换器25连接然后与交流母线29连接，交流母线29作为发电设备与用电器的连接线还与岸电接口16，滤波器19，风力发电系统20，光伏发电系统21，补偿机28连接，交流母线29通过断路器与高压负载22连接，也通过断路器再接降压变压器24与低压负载23连接。...

【技术特征摘要】
1.一种船舶多能源微电网系统，包括燃料罐、废气罐、氧气罐、气阀、换热器、压缩机、可逆高温燃料电池、油泵、AC-DC变换器、烟囱、储能设备、交流母线、滤波器、岸电接口、风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机、补偿机、变压器、高压负载、低压负载、紧急负载、以及配套输气管道、输油管道与电线，其特征在于：本船舶多能源微电网系统以可逆高温燃料电池4为主要能量来源，风力发电系统20、光伏发电系统21、柴油发电机15为辅助能量来源，系统各部分连接情况如下，燃料罐3出气口与气阀V8连接，燃料罐3进气口连接燃料压缩机11出气口，废气罐1出气口与气阀V6连接，废气罐1进气口连接废气压缩机9出气口，氧气罐2进气口连接氧气压缩机10出气口，氧气罐2出气口与气阀V7连接，废气压缩机9的进气口与气阀V3连接，氧气压缩机10进气口与气阀V4连接，燃料压缩机11进气口与气阀V5连接，二级换热器5燃料与废气进口55与电解气换热器6燃料出口63通过气阀V1连接，二级换热器5燃料与废气进口55与发电气换热器7废气出口75通过气阀V2连接，其中，气阀V1、V2分别控制燃料与废气进入二级换热器5燃料与废气接口55，气阀V3与气阀V5连接二级换热器5燃料与废气出口56，气阀V3、V5分别控制废气进入废气压缩机9与燃料进入燃料压缩机11，气阀V4与二级换热器5氧气出口54连接，气阀V6与电解气换热器6废气进口65连接，气阀V7与发电气换热器7氧气进口71连接，气阀V8与发电气换热器7燃料进口73连接，二级换热器5进油口51与油箱13通过油泵12连接，二级换热器5出油口52连接柴油换热器8进油口，二级换热器5氧气进口53连接电解气换热器6氧气出口61，电解气换热器6氧气进口62连接可逆高温燃料电池4氧气出口43，电解气换热器6燃料进口64连接可逆高温燃料电池4燃料出口42，电解气换热器6废气出口66连接可逆高温燃料电池4废气进口41，发电气换热器7氧气出口72连接可逆高温燃料电池4氧气进口44，发电气换热器7燃料出口74连接可逆高温燃料电池4氧气进口45，发电气换热器7废气进口...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珺，袁金良，王甫，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33