一種清潔能源混合動(dòng)力船舶熱電聯(lián)供系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種清潔能源混合動(dòng)力船舶熱電聯(lián)供系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于燃油成本的迅速增長(zhǎng)以及國(guó)際海事組織對(duì)船舶污染物排放要求的日益嚴(yán)格給航運(yùn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，近年來(lái)，以液化天然氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池、超級(jí)電容、核能、潮汐能、氫能和生物質(zhì)能為代表的清潔能源技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)并已在各型船舶上得以試驗(yàn)應(yīng)用，而太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能等清潔能源其能源低密度能源，尚且不能作為完全獨(dú)立的動(dòng)力源使用。因此，各種能源綜合利用的混合動(dòng)力船舶獲得了快速的發(fā)展，如日本郵船NYK設(shè)計(jì)的“超級(jí)生態(tài)環(huán)保船2030 ”，主要以LNG燃料電池為動(dòng)力，輔以太陽(yáng)能電池和風(fēng)帆推動(dòng)，可減少69 %的C02排放，其中太陽(yáng)能和風(fēng)能分別占2 %、4 %，燃料電池占32 %。
[0003]燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其具有以下特點(diǎn):1)能量轉(zhuǎn)化效率高，燃料電池系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率在45%?60%，如使用電池釋放的熱量，可提高產(chǎn)電效能至85% ；2)安裝地點(diǎn)靈活；3)負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高。此外，燃料電池的輸出功率大，最大可以達(dá)到11MW，因此燃料電池完全可以為船舶提供主推進(jìn)動(dòng)力，并可以與其他清潔能源發(fā)電裝置一起組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)合理的優(yōu)化控制可大幅提高各種能源的利用率，節(jié)能環(huán)保。
[0004]目前，燃料電池常用的燃料有氫和一些碳?xì)浠衔?，例如天然氣、醇、甲烷等有時(shí)也作為燃料使用。氫能作為一種清潔、高效、安全的能源，被視為本世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，也被視為解決溫室效應(yīng)問(wèn)題，提高能源利用率的有效替代二次能源，因此成為諸多燃料的首選。世界上最經(jīng)濟(jì)的制氫方式是通過(guò)天然氣和水蒸氣重整反應(yīng)生產(chǎn)的，而燃料電池是公認(rèn)的將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的高效率能量轉(zhuǎn)換裝置。因此，將天然氣制氫裝置和燃料電池集成實(shí)現(xiàn)發(fā)電和供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，不僅可以提高混合動(dòng)力船舶天然氣的利用率，而且可以解決由于直接燃燒天然氣產(chǎn)生氮氧化物的問(wèn)題，減少NOX、SOX、CO和可吸入顆粒物的排放。此外燃料電池可與供熱裝置組成熱電聯(lián)供系統(tǒng)，利用其產(chǎn)生的廢熱加熱鍋爐，從而提高能源的綜合利用效率，減少能源的浪費(fèi)。天然氣燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)在日本市場(chǎng)比較成功，多為家庭使用，而極少應(yīng)用在船舶系統(tǒng)中。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的問(wèn)題在于，提供一種用于船舶的能源利用率高、清潔環(huán)保的多種發(fā)電技術(shù)綜合利用的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及方法。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種清潔能源混合動(dòng)力船舶熱電聯(lián)供系統(tǒng)，包括交流電網(wǎng)以及與交流電網(wǎng)連接的雙燃料發(fā)電裝置和電力推進(jìn)裝置，聯(lián)供系統(tǒng)還包括供熱系統(tǒng)、天然氣重整裝置、直流電網(wǎng)以及均分別與直流電網(wǎng)相連的新能源發(fā)電裝置、質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置；直流電網(wǎng)通過(guò)DC/AC變換器與交流電網(wǎng)相連；所述供熱系統(tǒng)包括儲(chǔ)熱罐，儲(chǔ)熱罐內(nèi)設(shè)置有電加熱器，電加熱器與直流電網(wǎng)相連；所述雙燃料發(fā)電裝置、質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置以及儲(chǔ)熱罐分別與天然氣重整裝置連通。
[0007]按上述方案，所述天然氣重整裝置包括水蒸氣發(fā)生器以及依次連通的天然氣儲(chǔ)罐、脫硫器、重整器和變壓吸附器，水蒸氣發(fā)生器與重整器連通；所述雙燃料發(fā)電裝置與天然氣儲(chǔ)罐連通，所述儲(chǔ)熱罐與水蒸氣發(fā)生器連通，所述質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置分別與變壓吸附器和水蒸氣發(fā)生器連通。
[0008]按上述方案，所述變壓吸附器連通有尾氣燃燒器，尾氣燃燒器與重整器連通。
[0009]按上述方案，水蒸氣發(fā)生器與儲(chǔ)熱罐的連通管道上安設(shè)有換熱器，換熱器與尾氣燃燒器連通。
[0010]按上述方案，所述儲(chǔ)熱罐與散熱器、備用鍋爐連通。
[0011]按上述方案，所述質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置包括質(zhì)子膜燃料電池和單向DC/DC變換器，質(zhì)子膜燃料電池經(jīng)單向DC/DC變換器與直流電網(wǎng)連接，質(zhì)子膜燃料電池輸出的電能經(jīng)單向DC/DC變換器穩(wěn)壓后匯入直流電網(wǎng)。
[0012]按上述方案，所述新能源發(fā)電裝置連接有儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能裝置經(jīng)雙向DC/DC變換器與直流電網(wǎng)連接。
[0013]按上述方案，所述新能源發(fā)電裝置包括太陽(yáng)能發(fā)電裝置和風(fēng)能發(fā)電裝置。
[0014]按上述方案，所述雙燃料發(fā)電裝置包括相互連接的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，所述雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與天然氣重整裝置連通，所述發(fā)電機(jī)與交流電網(wǎng)連接，發(fā)電機(jī)輸出電能匯入交流電網(wǎng)。
[0015]本發(fā)明還提供了一種清潔能源混合動(dòng)力船舶熱電聯(lián)供方法:當(dāng)船舶熱電負(fù)荷較低時(shí)，即采用新能源發(fā)電裝置能滿足船舶的熱電需求時(shí)，僅啟動(dòng)新能源發(fā)電裝置供電，并供電給電加熱器加熱，提供熱量；當(dāng)船舶熱電負(fù)荷增加到僅啟動(dòng)新能源發(fā)電裝置滿足不了船舶的熱電需求時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置共同發(fā)電，根據(jù)儲(chǔ)能裝置的電量狀態(tài)決定是否給儲(chǔ)能裝置充電，同時(shí)儲(chǔ)熱罐提供熱量，當(dāng)儲(chǔ)熱罐中的熱量不足時(shí)，通過(guò)質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置或儲(chǔ)能裝置供電給電加熱器加熱，提高熱量；當(dāng)船舶熱電負(fù)荷繼續(xù)增加到同時(shí)啟動(dòng)新能源發(fā)電裝置和質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置均不能滿足船舶的熱電需求時(shí)，則啟動(dòng)雙燃料發(fā)電裝置作為船舶的主要?jiǎng)恿υ矗瑸榇巴七M(jìn)提供動(dòng)力，新能源發(fā)電裝置和質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置為輔助動(dòng)力源，為船舶提供熱量和少量的電能。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]1、本聯(lián)供系統(tǒng)將太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、風(fēng)能發(fā)電技術(shù)、雙燃料發(fā)電技術(shù)以及質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，相輔相成，克服了船舶電力推進(jìn)裝置對(duì)常規(guī)能源的依賴(lài)，并利用天然氣重整裝置構(gòu)建了一個(gè)基于發(fā)電系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱電連聯(lián)供；
[0018]2、本聯(lián)供系統(tǒng)將發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱循環(huán)再利用，一方面避免了廢熱排入外界造成熱污染，另一方面也提高了能源的利用率；
[0019]3、本聯(lián)供方法合理利用多種能源，將船舶負(fù)荷狀態(tài)分為幾種不同的情況，在不同的情況下啟用不同的能源，根據(jù)船舶的熱電需求，選取合適的容量，保證了船舶熱電需求；
[0020]4、本聯(lián)供方法最大限度地使用理清潔能源，減少了 NOX、SOX、CO及其他可吸入顆粒物的排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0022]圖2為本實(shí)施例中天然氣重整裝置與供熱系統(tǒng)的流程圖。
[0023]圖3為本實(shí)施例中熱電聯(lián)供方法的流程圖。
[0024]其中，1-1、交流電網(wǎng)；1_2、直流電網(wǎng)；2、電力推進(jìn)裝置；2_1、第一變頻器；2_2、第二變頻器；3-1、第一推進(jìn)電機(jī)；3-2、第二推進(jìn)電機(jī)；4-1、第一螺旋槳；4-2、第二螺旋槳；5、雙燃料發(fā)電裝置；5_1、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；5-2、發(fā)電機(jī)；6、天然氣重整裝置；6-1、天然氣儲(chǔ)罐；6-2、脫硫器；6-3、水蒸氣發(fā)生器；6-4、重整器；6-5、變壓吸附器；6_6、尾氣燃燒器；7、質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置；7-1、質(zhì)子膜燃料電池；7-2、單向DC/DC變換器；8、供熱系統(tǒng)；8_1、儲(chǔ)熱罐；8-2、電加熱器；8-3、散熱器；8-4、備用鍋爐；8-5、換熱器；9、新能源發(fā)電裝置；9_1、太陽(yáng)能發(fā)電裝置；9-2、風(fēng)能發(fā)電裝置；10、儲(chǔ)能裝置；10-1、超級(jí)電容；10-2、蓄電池；11-1、雙向DC/DC變換器；11-2、DC/AC變換器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0026]如圖1所示的一種清潔能源混合動(dòng)力船舶熱電聯(lián)供系統(tǒng)，包括交流電網(wǎng)1-1以及與交流電網(wǎng)1-1連接的雙燃料發(fā)電裝置5和電力推進(jìn)裝置2，聯(lián)供系統(tǒng)還包括供熱系統(tǒng)8、天然氣重整裝置6、直流電網(wǎng)1-2以及均分別與直流電網(wǎng)1-2相連的新能源發(fā)電裝置9、質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置7 ;直流電網(wǎng)1-2通過(guò)DC/AC變換器11-2與交流電網(wǎng)1_1相連；供熱系統(tǒng)8包括儲(chǔ)熱罐8-1，儲(chǔ)熱罐8-1與散熱器8-5、備用鍋爐8-4連通；儲(chǔ)熱罐8_1內(nèi)設(shè)置有電加熱器8-2，電加熱器8-2與直流電網(wǎng)1-2相連；雙燃料發(fā)電裝置5、質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置7以及儲(chǔ)熱罐8-1分別與天然氣重整裝置6連通，雙燃料發(fā)電裝置5所需的天然氣和質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置7所需的氫氣均由天然氣重整裝置6提供。
[0027]其中，天然氣重整裝置6包括水蒸氣發(fā)生器6-3以及依次連通的天然氣儲(chǔ)罐6-1、脫硫器6-2、重整器6-4和變壓吸附器6-5，水蒸氣發(fā)生器6-3與重整器6_4連通；天然氣儲(chǔ)罐6-1與雙燃料發(fā)電裝置5連通，為其提供反應(yīng)的天然氣；質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置7分別與變壓吸附器6-5和水蒸氣發(fā)生器6-3連通；變壓吸附器6-5連通有尾氣燃燒器6-6，尾氣燃燒器6-6與重整器6-4連通；水蒸氣發(fā)生器6-3經(jīng)換熱器8-5與儲(chǔ)熱罐8_1連通，換熱器8_5與尾氣燃燒器6-6連通。
[0028]本實(shí)施例中，質(zhì)子膜燃料發(fā)電裝置7包括質(zhì)子膜燃料電池7-1和與直流電網(wǎng)1-2連接的單向DC/DC變換器7-2，質(zhì)子膜燃料電池7-1輸出的電能經(jīng)單向DC/DC變換器7_2穩(wěn)壓后匯入直流電網(wǎng)1-2。
[0029]本實(shí)施例中，新能源發(fā)電裝置9包括太陽(yáng)能發(fā)電裝置9-1和風(fēng)能發(fā)電裝置9-2，新能源發(fā)電裝置9連接有儲(chǔ)