一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统及船舶的制作方法

1.本技术涉及船舶节能减排技术领域，具体而言，涉及一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统及船舶。


背景技术：

2.随着社会经济建设飞速发展，环境污染和能源消耗问题日益严峻，节能减排问题一直受到高度关注。节能减排技术已经渗透社会各个行业，因此，将节能减排技术直接应用到船舶设计中也十分有必要。通过节能减排技术可以实现降低船舶航行中的能源消耗。但是目前节能减排技术在船舶设计中还有很大应用空间。尤其是，船舶制动减速过程中，使用大量燃料制动，造成能源被消耗浪费。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统及船舶，其基于水流涡轮驱动原理，通过水流驱动涡轮，涡轮带动发电机转子进行发电，发电进行船舶蓄电池进行储能，交流负载可通过直流逆变交流完成。通过水流涡轮驱动发电，可实现节能减排同时有效缩短船舶减速距离。
4.第一方面，提供了一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统，包括：
5.涡轮，布置在船体的底部并可与水流接触，所述涡轮包括叶片和转动轴，所述叶片受水流驱动转动，所述叶片转动带动所述转动轴转动，所述转动轴在转动过程中将水动能转换为机械能；
6.齿轮箱，与所述转动轴的输出端连接，用于提高所述转动轴输出的转速，并将提高转速后的机械能输出；
7.发电机，与所述齿轮箱的输出轴连接，所述发电机将所述齿轮箱传递来的机械能转换为电能，并输出交流电；
8.整流装置，与所述发电机连接，用于将所述发电机输出的交流电转换为直流电；
9.蓄电池，与所述整流装置连接，用于接收直流电并进行储能。
10.在一种实施方案中，还包括控制系统、传感系统、刹车系统和冷却系统；所述传感系统用于监测所述涡轮、齿轮箱、发电机和蓄电池的运行参数；所述冷却系统设置在所述齿轮箱和发电机处，用于对所述齿轮箱及发电机降温冷却；所述刹车系统布置在所述齿轮箱的输入端和输出端，用于对所述齿轮箱刹车；所述控制系统与所述传感系统、刹车系统和冷却系统通讯连接，用于根据来自所述传感系统的信号调整所述涡轮、刹车系统和冷却系统的运行状态。
11.在一种实施方案中，所述传感系统包括流速传感器、温度传感器、电压表、转速传感器和电流电压检测器，所述流速传感器配置在所述涡轮上，用于获取所述涡轮处的水流的方向和速度；所述温度传感器配置在所述齿轮箱和发电机上，用于获取所述齿轮箱和发电机的温升信号；所述电压表设置在所述发电机的输出端，用于获取输出端的输出电压信
号；所述转速传感器设置在所述涡轮的转动轴和所述齿轮箱的输出轴上，用于获取所述涡轮和齿轮箱的转速；所述电流电压检测器布置在所述蓄电池的两端，用于监测所述蓄电池的电流电压。
12.在一种实施方案中，所述涡轮采用伸缩式涡轮，所述伸缩式涡轮布置在船底部的正下方，所述伸缩式涡轮可在船底板内外作往复伸缩运动，在船舶正常运行时，所述伸缩式涡轮缩回至船底板内，在船舶减速制动时，所述伸缩式涡轮伸出至船底板外与水流接触。
13.在一种实施方案中，所述涡轮采用轴流式涡轮，所述轴流式涡轮以船体中纵剖面为中心对称分布在船底板的两侧，所述轴流式涡轮固定在船底板内的管隧内，所述管隧沿船体首尾方向延伸，在所述管隧的入口和/或出口处布设封盖，所述封盖可根据船舶航速打开或关闭；在所述封盖打开时，水流进入所述管隧内，所述涡轮的叶片受水流驱动转动。
14.在一种实施方案中，所述伸缩式涡轮通过电动或液压驱动在船底板内外作往复伸缩运动。
15.在一种实施方案中，所述发电机为异步发电机。
16.根据本技术的第二方面，还提供了一种船舶，包括如第一方面中任一种实施方案所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统。
17.本技术具有的有益效果：
18.1、在船舶设计当中提出一个新的理念，将风力发电原理、水流涡轮机械原理和船舶总体设计进行整合。该设计通过船舶行进的流场计算分析，可以缩短减速距离和减速时间，同时船舶蓄电池通过发电机耗油断续充电。借助该系统设计，可以减少油耗，降低油烟排放。
19.2、通过水流涡轮驱动发电，即便涡轮转速不稳定，通过整流成直流进行蓄电池储能。在后续船舶交流用电时，可通过蓄电池直流逆变，减少发电机耗能及排放。
20.3、将水流涡轮同adcp感知水流方向系统连接，通过水流方向传感器对水流涡轮进行角度调整，能量回收有效性会更加提高。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1为根据本技术实施例示出的一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统的流程图；
23.图2为根据本技术实施例示出的一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统的船舶交流用电的示意图；
24.图3为根据本技术实施例示出的一种伸缩式涡轮的结构示意图；
25.图4为根据本技术实施例示出的一种轴流式涡轮的结构示意图；
26.图5为根据本技术实施例示出的一种轴流式涡轮的安装位置示意图。
27.100、船体；110、管隧；111、管隧入口；112、管隧出口；200、涡轮；210、伸缩式涡轮；220、轴流式涡轮；300、齿轮箱；400、发电机；500、整流装置；600、蓄电池；700、逆变装置。
具体实施方式
28.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.图1为根据本技术实施例示出的一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统的流程图。参见图1，包括依次连接的涡轮200、齿轮箱300、发电机400、整流装置500和蓄电池600。
31.其中，涡轮200布置在船体100的底部并可与水流接触，涡轮200包括叶片和转动轴。具体的，叶片与水流接触时，受水流驱动转动，叶片带动转动轴转动，转动轴在转动过程中将水动能转换为机械能；
32.齿轮箱300与涡轮200的转动轴的输出端连接，用于提高转动轴输出的转速并输出提高转速后的机械能。齿轮箱300通过齿轮变比啮合，将低速转动轴提高数倍，保证发电机400的转子能够有效转动。
33.发电机400与齿轮箱300的输出轴连接，发电机400将齿轮箱300传递来的机械能转换为电能，并输出交流电。发电机400采用异步发电机，其中，发电机的转子与齿轮箱的输出端连接，转子旋转通过励磁磁场转换成电能由定子输出。
34.整流装置500与发电机400连接，用于将发电机400输出的交流电转换为直流电；
35.蓄电池600与整流装置500连接，用于接收直流电并进行储能。
36.在上述实施过程中，发明人通过分析船舶特性、流场以及应用的可行性，基于涡轮发电，设计一款水流涡轮发电的储能系统。通过水流驱动涡轮的叶片，涡轮的转动轴转动，经过齿轮箱增速到发电机进行发电，发电后进行船舶蓄电池储能，以实现对船舶减速制动过程中，能量的损耗和浪费，有效进行节能减排，弥补了在船舶设计中的技术缺失。本技术设计的储能系统，一方面可以影响船舶的减速性能，通过配置涡轮能有效增大船舶的前进阻力，缩短减速航行距离和时间。另一方面通过设计该系统，利用船舶自身能量回收利用，通过蓄电池储能，减少了发电机的耗能及排放，即实现节能减排的同时有效缩短船舶减速距离。即使涡轮转速不稳定，可通过设置的整流装置整流为直流电进行蓄电池储能。另外，参见图2，船舶交流用电时，可以逆变装置700对蓄电池进行直流逆变。
37.需要说明的是，本技术提供的船舶储能系统的具体参数可以根据船舶的特性参数进行相关适配。
38.在一种实施方案中，本储能系统还包括控制系统、传感系统、刹车系统和冷却系统。传感系统用于监测所述涡轮200、齿轮箱300、发电机400和蓄电池600的运行参数。冷却系统设置在所述齿轮箱300和发电机400处，用于对齿轮箱300及发电机400降温冷却，可对齿轮箱300和发电机400长时间工作进行冷却，防止温升过快。刹车系统布置在齿轮箱300的输入端和输出端，用于对齿轮箱300刹车，刹车系统可采用抱轴刹车形式，以防止轴工作过程中发生异常情况。控制系统与传感系统、刹车系统和冷却系统通讯连接，用于根据来自传
感系统的信号调整涡轮200、刹车系统和冷却系统的运行状态。在一种实施例中，控制系统还可以接受实时监控涡轮200的转速、发电机400的频率及输出电压、蓄电池600的电压、各部件的温升等信号，适当自动调节输入输出量，保证系统安全有效运行。
39.在一种实施方案中，传感系统包括流速传感器、温度传感器、电压表、转速传感器和电流电压检测器。其中，流速传感器配置在涡轮200上，用于获取涡轮200处的水流的方向和速度，其中流速传感器可以为adcp。当流速传感器感受到流速偏小时，控制系统控制涡轮200的叶片调整角度，使水流与叶片接触面积更大，冲击力更强。温度传感器配置在齿轮箱300和发电机400上，用于获取齿轮箱300和发电机400的温升信号。电压表设置在发电机400的输出端，用于获取输出端的输出电压大小。转速传感器设置在涡轮200的转动轴和齿轮箱300的输出轴上，用于获取涡轮200和齿轮箱300的转速。电流电压检测器布置在蓄电池600的两端，用于监测蓄电池600的电流电压。
40.在一种实施方案中，参见图3，涡轮200采用伸缩式涡轮210，伸缩式涡轮210布置在船体100的船底部的正下方，伸缩式涡轮210可在船底板内外作往复伸缩运动，在船舶正常运行时，伸缩式涡轮210缩回至船底板内，在船舶减速制动时，伸缩式涡轮210伸出至船底板外与水流接触。即在船舶正常航行时，涡轮200影响船体的正常航速。在船舶减速制动时，伸出船底板可以启动储能系统。
41.在另一种实施方案中，参见图4和图5，涡轮200采用轴流式涡轮220，轴流式涡轮220以船体中纵剖面为中心对称分布在船底板的两侧，轴流式涡轮220固定在船底板内的管隧110内，管隧110沿船体首尾方向延伸，在管隧入口111和/或管隧出口112处布设封盖，封盖可根据船舶航速打开或关闭。在封盖打开时，水流进入管隧110内，轴流式涡轮220的叶片受水流驱动转动。即在减速状态下，可以打开轴流式涡轮220的封盖，水流通过管隧110进行涡轮驱动。
42.上述两个涡轮的实施方案，都可以保证船舶在加速或正常航行时，采用相应形式进行规避阻力。伸缩式涡轮可以通过缩回船底板内进行规避，轴流式涡轮可以通过关闭封盖进行规避。这样船舶加速或正常航行时，可以保证船体线型及水流场效应。
43.在一种实施方案中，所述伸缩式涡轮通过电动或液压驱动在船底板内外作往复伸缩运动。
44.本技术的基于水流涡轮发电的船舶储能系统的具体工作过程如下：
45.在船舶减速状态下，控制系统发出发电储能信号，涡轮200的叶片伸出或者管隧110的封盖打开，水流带动涡轮叶片，通过主轴传动链，经过齿轮箱300增速到异步发电机后，通过励磁磁场转换发电，电能传输到整流装置500，通过蓄电池600进行储电。蓄电池600处的电流电压检测器检测到蓄电池电流电压过高，将信号传输至控制系统，控制系统关闭发电系统。
46.在涡轮200上设置的流速传感器感受到流速偏小时，将信号传输给控制系统，控制系统控制涡轮200的叶片调整角度，使水流与叶片接触面积更大，冲击力更强。
47.当设置在齿轮箱300和发电机400上的温度传感器感受到温度过高发出预警后，将信号传给控制系统，控制系统开启冷却系统，进行冷却。
48.当设置在涡轮200的转动轴及齿轮箱300的输出轴的转速传感器接收到转速过大时，将信号传给控制系统，控制系统启动刹车系统，保证船舶航行的安全。
49.第二方面，本技术还提供一种船舶，包括如第一方面中任一种实施方案所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统。
50.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，包括：涡轮，布置在船体的底部并可与水流接触，所述涡轮包括叶片和转动轴，所述叶片受水流驱动转动，所述叶片转动带动所述转动轴转动，所述转动轴在转动过程中将水动能转换为机械能；齿轮箱，与所述转动轴的输出端连接，用于提高所述转动轴输出的转速，并将提高转速后的机械能输出；发电机，与所述齿轮箱的输出轴连接，所述发电机将所述齿轮箱传递来的机械能转换为电能，并输出交流电；整流装置，与所述发电机连接，用于将所述发电机输出的交流电转换为直流电；蓄电池，与所述整流装置连接，用于接收直流电并进行储能。2.根据权利要求1所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，还包括控制系统、传感系统、刹车系统和冷却系统；所述传感系统用于监测所述涡轮、齿轮箱、发电机和蓄电池的运行参数；所述冷却系统设置在所述齿轮箱和发电机处，用于对所述齿轮箱及发电机降温冷却；所述刹车系统布置在所述齿轮箱的输入端和输出端，用于对所述齿轮箱刹车；所述控制系统与所述传感系统、刹车系统和冷却系统通讯连接，用于根据来自所述传感系统的信号调整所述涡轮、刹车系统和冷却系统的运行状态。3.根据权利要求2所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述传感系统包括流速传感器、温度传感器、电压表、转速传感器和电流电压检测器，所述流速传感器配置在所述涡轮上，用于获取所述涡轮处的水流的方向和速度；所述温度传感器配置在所述齿轮箱和发电机上，用于获取所述齿轮箱和发电机的温升信号；所述电压表设置在所述发电机的输出端，用于获取输出端的输出电压信号；所述转速传感器设置在所述涡轮的转动轴和所述齿轮箱的输出轴上，用于获取所述涡轮和齿轮箱的转速；所述电流电压检测器布置在所述蓄电池的两端，用于监测所述蓄电池的电流电压。4.根据权利要求1所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述涡轮采用伸缩式涡轮，所述伸缩式涡轮布置在船底部的正下方，所述伸缩式涡轮可在船底板内外作往复伸缩运动，在船舶正常运行时，所述伸缩式涡轮缩回至船底板内，在船舶减速制动时，所述伸缩式涡轮伸出至船底板外与水流接触。5.根据权利要求1所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述涡轮采用轴流式涡轮，所述轴流式涡轮以船体中纵剖面为中心对称分布在船底板的两侧，所述轴流式涡轮固定在船底板内的管隧内，所述管隧沿船体首尾方向延伸，在所述管隧的入口和/或出口处布设封盖，所述封盖可根据船舶航速打开或关闭；在所述封盖打开时，水流进入所述管隧内，所述涡轮的叶片受水流驱动转动。6.根据权利要求4所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述伸缩式涡轮通过电动或液压驱动在船底板内外作往复伸缩运动。7.根据权利要求1所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述发电机为异步发电机。8.一种船舶，其特征在于，包括如权利要求书1至7中任一项所述的基于水流涡轮发电的船舶储能系统。

技术总结
本申请提供一种基于水流涡轮发电的船舶储能系统及船舶，包括布置在船体的底部并可与水流接触的涡轮，所述涡轮包括叶片和转动轴，所述叶片受水流驱动转动，所述叶片转动带动所述转动轴转动，所述转动轴在转动过程中将水动能转换为机械能。与所述转动轴的输出端连接的齿轮箱，用于提高所述转动轴输出的转速，并输出提高转速后的的机械能。与所述齿轮箱的输出轴连接的发电机，所述发电机将齿轮箱传递来的机械能转换为电能，并输出交流电。与所述发电机连接的整流装置，用于将所述发电机输出的交流电转换为直流电。与所述整流装置连接蓄电池，用于接收直流电并进行储能。本系统通过水流涡轮驱动发电，可实现节能减排同时缩短船舶减速距离。减速距离。减速距离。


技术研发人员：郑剑 刘正浩 胡民强 李小灵 张雅丽
受保护的技术使用者：江南造船（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/6/27