一种基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统及船舶的制作方法

1.本技术涉及船舶设计技术领域，具体而言，涉及一种基于浪拍式气动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，能源的日益消耗，目前对于环保要求的节能减排的设计相当重视。因此，在船舶设计中应用节能减排技术也十分有必要。随着煤炭、石油等化石能源的日渐枯竭，可再生能源的开发成为当前许多国家的研究热点。海洋是一个巨大的能量库，运动波浪携带的波浪能是一种重要的可再生能源。但是节能减排的技术目前在船舶设计中很多设计地方的应用不够广泛，如利用波浪能发电的船舶系统设计尚无先例。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统及船舶，其通过海浪波动引起的气流驱动涡轮，涡轮带动发电机转子进行发电，发电通过船舶蓄电池进行储能，实现在船舶停靠码头期间利用海浪波动自行进行发电进行蓄电池储能，具备减少常规船用发电机耗能及排放实现环保的特点。
4.第一方面，提供了一种基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，包括：
5.气动管道，所述气动管道的第一端部的出口低于船体水线布置并外接海浪，所述气动管道的第二端部与外部环境空气连通；海浪沿所述第一端部的出口进入气动管道，海浪往复冲击所述气动管道内空气，所述气动管道内形成空气流；
6.涡轮，布置在所述气动管道内，所述涡轮的布置高度始终高于所述气动管道内的水位高度，所述涡轮受空气流驱动转动以将空气动能转换成机械能；
7.齿轮箱，所述齿轮箱与所述涡轮通过齿轮变比啮合，所述齿轮箱将所述涡轮的转速提高预设倍数，并输出提高后的机械能；
8.发电机，与所述齿轮箱的输出端连接，用于将所述齿轮箱输出的机械能转换为电能，并输出交流电；
9.整流装置，与所述发电机的输出端连接，用于将所述发电机输出的交流电转换为直流电；
10.蓄电池，连接所述整流装置，用于储存所述整流装置输出的直流电的电能。
11.在一种实施方案中，所述气动管道包括舷侧接管、v形管和甲板接管，所述舷侧接管的一端与船体外壳连接并伸出船体外壳预设长度，另一端通过v形管与甲板接管连接，所述舷侧接管以倾斜向上的形式布置，所述舷侧接管与所述v形管之间通过平直管连接，所述平直管内布设有球阀。
12.在一种实施方案中，还包括控制单元，所述v形管内设有浮球，所述浮球上设置液位传感器，所述控制单元与所述液位传感器通讯连接，所述液位传感器获取所述v形管内液位高度并将液位信号发送至所述控制单元，所述控制单元根据液位信号控制所述球阀的打
开和关闭。
13.在一种实施方案中，还包括四个加强支架，所述四个加强支架固定在所述气动管道的第一端部，每个所述加强支架的一端连接所述气动管道，另一端固定支撑在船体的纵向骨材，所述四个加强支架呈x型布置分布于所述气动管道的周向。
14.在一种实施方案中，还包括传感单元、刹车单元和冷却单元，所述传感单元用于感知所述齿轮箱和发电机的工作温升、所述发电机的输出电压大小、所述涡轮及齿轮箱的输出转速和所述蓄电池的电流电压；所述冷却单元布置在所述齿轮箱和发电机上，用于对所述齿轮箱及发电机降温冷却；所述刹车单元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；所述控制单元还与所述传感单元、刹车单元和冷却单元通讯连接，用于根据来自所述传感单元的信号调整所述涡轮、刹车单元和冷却单元的运行状态。
15.在一种实施方案中，还包括可调节开度的密封板，所述密封板布设于所述第一端部的出口上，通过调节开度调节所述第一端部的出口处的流量。
16.在一种实施方案中，所述密封板设为两个不规则三角板，所述两个不规则三角板对称布置，所述两个不规则三角板的两个直角边对接，另两个直角边呈一字型布置，两个不规则三角板的斜边为弧形边，弧形边布置在一字型直角边的下方，所述弧形边的弧半径自上至下呈减小趋势，所述不规则三角板可围绕直角顶点往上旋转预设角度。
17.在一种实施方案中，所述涡轮包括叶片和转轴，所述叶片受空气流驱动带着所述转轴转动，每个所述叶片设为对称形状。
18.在一种实施方案中，所述发电机采用异步发电机。
19.根据本技术的第二方面，还提供了一种船舶，包括第一方面中任一种实施方案所述基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统。
20.本技术具有的有益效果：
21.1、本技术基于浪拍气流涡轮驱动发电储能，实现一种新型节能环保的船舶设计方案，基于气动涡轮驱动原理，通过气动驱动涡轮，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，可在船舶停靠码头期间利用海浪波动自行进行发电进行蓄电池储能；
22.2、本系统将风力发电原理、气动涡轮机械原理和船舶总体设计进行整合，通过浪拍状态避免船舶蓄电池通过发电机耗油充电，可以减少油耗，降低油烟排放，实现节能环保式发电储能，减少常规船用发电机耗能及排放实现环保。
附图说明
23.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。
24.图1为根据本技术实施例示出的一种气动管道和涡轮的布置示意图；
25.图2为根据本技术实施例示出的一种气动管道的结构示意图；
26.图3为根据本技术实施例示出的一种加强支架的布局示意图；
27.图4为根据本技术实施例示出的一种密封板关闭时的结构示意图；
28.图5为根据本技术实施例示出的一种密封板打开时的结构示意图。
29.100、船体；110、甲板；120、船舷；121、船体外壳；122、纵向骨材；130、空气；200、气动管道；210、第一端部；211、密封板；2111、不规则三角板；220、第二端部；230、舷侧接管；240、v形管；241、浮球；250、平直管；251、球阀；260、加强支架；300、涡轮；400、齿轮箱；500、发电机；600、整流装置；700、蓄电池。
具体实施方式
30.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。
31.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。
32.第一方面，本技术提供一种基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，包括气动管道200、涡轮300、齿轮箱400、发电机500、整流装置600和蓄电池700。
33.图1为根据本技术实施例示出的一种气动管道和涡轮的布置示意图。参见图1，气动管道200贯穿船体100上下布设。气动管道200的第一端部210布置在船舷120侧外接海浪，且气动管道200的第一端部210的出口位于船舶的水线以下，以保证海浪始终浸没气动管道200的第一端部210的出口。气动管道200的第二端部220布置在甲板110上方，与外部环境空气连通。第一端部210设置有可调节开度的密封板211，海浪通过密封板211进入气动管道200，海浪往复冲击气动管道200内空气130，气动管道200内形成空气流。通过调节密封板211的开度调节空气流的大小。船舶行驶过程当中，该密封板211关闭，海浪不再冲入气动管道200，该系统停止发电，密封板211的关闭可以保证船体外板线形流畅较少阻力，船舶在停泊状态可开启密封板211开启发电储能。
34.涡轮300安装在气动管道200内，涡轮300的安装高度始终高于气动管道200内的水位高度，涡轮300受空气流驱动转动以将空气动能转换成机械能；
35.齿轮箱400与涡轮300通过齿轮变比啮合，齿轮箱400将涡轮300的转速提高预设倍数，以保证发电机500中转子有效转动。并输出提高后的机械能；
36.发电机500与齿轮箱400的输出端连接，用于将齿轮箱400输出的机械能转换为电能，并输出交流电；从而形成一个气动涡轮发电机状态。
37.整流装置600与发电机500的输出端连接，用于将发电机500输出的交流电转换为直流电；通过气动涡轮驱动发电，即便涡轮转速不稳定，可通过整流成直流进行蓄电池储能，后续船舶交流用电可通过蓄电池直流逆变。
38.蓄电池700连接整流装置600，用于储存整流装置600输出的直流电的电能。
39.在上述实施过程中，当船舶停靠码头时，打开船体外板的密封板，海浪的拍击将压缩气动管道内的空气，使气动管道内部空气往第二端部的出口排气，海浪退回去的时候，又将空气流从气动管道的第一端部的出口侧反方向拉动，从而造成空气流不停来回进行流
动。空气流对涡轮作用，涡轮进行旋转，驱动发电机进行发电。即在船舶停泊状态下，利用浪涌来回推动空气在气动管道内流通，带动涡轮转动，经过齿轮箱增速到发电机后，通过励磁磁场转换发电，发电通过船舶蓄电池进行储能。本设计在船舶设计中属于一种新的设计理念，将气动涡轮机械原理和船舶总体设计进行整合，在停泊的浪拍状态下，避免船舶蓄电池通过发电机耗油充电，可以减少油耗，降低油烟排放，实现节能环保式发电储能。
40.图2为根据本技术实施例示出的一种气动管道的结构示意图，参见图2，气动管道200包括舷侧接管230、v形管240和甲板接管(图2中未示出)，舷侧接管230的一端与船体外壳121连接并伸出船体外壳121预设长度，舷侧接管230与船体外壳121焊接，舷侧接管230的自由端(即延伸出船体外壳端)一般伸出船体外壳121不超过15mm。另一端通过v形管240与甲板接管连接，舷侧接管230以倾斜向上的形式布置，可以有效传递波浪波动载荷。舷侧接管230与v形管240之间通过平直管250连接，平直管250内布设有球阀251。即平直管250中间安装有球阀251、左端连接舷侧接管230，右端连接v形管240。正常情况下，球阀251是打开的，方便舷外海水进入，压缩空气，提供动能。设置舷侧接管230、v形管240和平直管250的连接方式，能实现既便于波浪在气动管道内冲击和后退，又能够保护气动管道内的空气流，确保整个系统稳定运行。
41.在一种实施方案中，还包括控制单元，v形管240内设有浮球241，浮球241上设置液位传感器，控制单元与液位传感器通讯连接，液位传感器获取v形管240内液位高度并将液位信号发送至控制单元，控制单元根据液位信号控制球阀251的打开和关闭。即当v形管240内液位降低至最低位时，浮球241上的传感器可发出信号，控制单元控制球阀251，使球阀251关闭，避免v形管240右端内部气体跑出。
42.在一种实施方案中，还包括四个加强支架260，参见图2和图3，四个加强支架260固定在气动管道200的第一端部，每个加强支架260的一端连接气动管道200，另一端固定支撑在船体100的纵向骨材122，四个加强支架260呈x型分布于舷侧接管230的周向。气动管道200中的舷侧接管230通过四个加强支架260支撑固定于船体的纵向骨材122上。四个加强支架260采用“x”型形式，起到了各个方向均受力支撑作用。
43.在一种实施方案中，还包括传感单元、刹车单元和冷却单元，传感单元用于感知齿轮箱400和发电机500的工作温升、发电机500的输出电压大小、涡轮300及齿轮箱400的输出转速和蓄电池700的电流电压。冷却单元布置在齿轮箱400和发电机500上，用于对齿轮箱400及发电机500降温冷却，即在齿轮箱及发电机长时间工作后，进行冷却防止温升过快。刹车单元布置在齿轮箱400的输入端和输出端，用于对齿轮箱刹车，采用抱轴刹车等形式，以防止轴工作过程发生异常情况。控制单元还与传感单元、刹车单元和冷却单元通讯连接，用于根据来自传感单元的信号调整涡轮300、刹车单元和冷却单元的运行状态。包括适当自动调节密封板211开启度调节输入输出量，保证系统安全有效运行。
44.在一种实施方案中，参见图4和图5，密封板211包括两个不规则三角板2111，两个不规则三角板2111对称布置，两个不规则三角板2111的直角边对接，另两个直角边呈一字型布置，两个不规则三角板2111的斜边为弧形边，弧形边位于一字型直边的下方，弧形边的半径自上至下呈减小趋势，不规则三角板2111可围绕直角顶点往上旋转预设角度，不规则三角板的旋转方向如图5中箭头方向所示。在不规则三角板2111的形状符合船体线形，两个不规则三角板的直角边对接在一起时，为关闭状态，与船体设计的线形一致，可以保证船体
外板线形流畅较少阻力。两个不规则三角板往上旋转预设角度后，为打开状态，一方面波浪可以冲入气动管道内，开启发电储能。另一方面不规则三角板打开后，仍保持上部分结构跨度大于下部分结构，可以减少阻力，增加密封板的使用寿命。
45.在一种实施方案中，涡轮300包括叶片和转轴，叶片受空气流驱动带着转轴转动，通过转轴将空气动能转换成机械能，形成轴转动状态。每个叶片设为对称形状。涡轮的叶片可采用对称形状以保证涡轮始终向一个方向旋转，旋转更稳定。本方案申请中整流蓄电池储能的设计，也可采用非对称叶片。
46.在一种实施方案中，发电机500采用异步发电机。采用异步发电机，将机械能转换为电能。其中发电机500转子与齿轮箱400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。
47.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浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统。
48.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：
1.一种基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，包括：气动管道，所述气动管道的第一端部的出口低于船体水线布置并外接海浪，所述气动管道的第二端部与外部环境空气连通；海浪沿所述第一端部的出口进入气动管道，海浪往复冲击所述气动管道内空气，所述气动管道内形成空气流；涡轮，布置在所述气动管道内，所述涡轮的布置高度始终高于所述气动管道内的水位高度，所述涡轮受空气流驱动转动以将空气动能转换成机械能；齿轮箱，所述齿轮箱与所述涡轮通过齿轮变比啮合，所述齿轮箱将所述涡轮的转速提高预设倍数，并输出提高后的机械能；发电机，与所述齿轮箱的输出端连接，用于将所述齿轮箱输出的机械能转换为电能，并输出交流电；整流装置，与所述发电机的输出端连接，用于将所述发电机输出的交流电转换为直流电；蓄电池，连接所述整流装置，用于储存所述整流装置输出的直流电的电能。2.根据权利要求1所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述气动管道包括舷侧接管、v形管和甲板接管，所述舷侧接管的一端与船体外壳连接并伸出船体外壳预设长度，另一端通过v形管与甲板接管连接，所述舷侧接管以倾斜向上的形式布置，所述舷侧接管与所述v形管之间通过平直管连接，所述平直管内布设有球阀。3.根据权利要求2所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，还包括控制单元，所述v形管内设有浮球，所述浮球上设置液位传感器，所述控制单元与所述液位传感器通讯连接，所述液位传感器获取所述v形管内液位高度并将液位信号发送至所述控制单元，所述控制单元根据液位信号控制所述球阀的打开和关闭。4.根据权利要求1所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，还包括四个加强支架，所述四个加强支架固定在所述气动管道的第一端部，每个所述加强支架的一端连接所述气动管道，另一端固定支撑在船体的纵向骨材，所述四个加强支架呈x型布置分布于所述气动管道的周向。5.根据权利要求3所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，还包括传感单元、刹车单元和冷却单元，所述传感单元用于感知所述齿轮箱和发电机的工作温升、所述发电机的输出电压大小、所述涡轮及齿轮箱的输出转速和所述蓄电池的电流电压；所述冷却单元布置在所述齿轮箱和发电机上，用于对所述齿轮箱及发电机降温冷却；所述刹车单元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；所述控制单元还与所述传感单元、刹车单元和冷却单元通讯连接，用于根据来自所述传感单元的信号调整所述涡轮、刹车单元和冷却单元的运行状态。6.根据权利要求1所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，还包括可调节开度的密封板，所述密封板布设于所述第一端部的出口上，通过调节开度调节所述第一端部的出口处的流量。7.根据权利要求6所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述密封板设为两个不规则三角板，所述两个不规则三角板对称布置，所述两个不规则三角板的两个直角边对接，另两个直角边呈一字型布置，两个不规则三角板的斜边为弧形边，弧形边布置在一字型直角边的下方，所述弧形边的弧半径自上至下呈减小趋势，所述不规则三
角板可围绕直角顶点往上旋转预设角度。8.根据权利要求1所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述涡轮包括叶片和转轴，所述叶片受空气流驱动带着所述转轴转动，每个所述叶片设为对称形状。9.根据权利要求1所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，其特征在于，所述发电机采用异步发电机。10.一种船舶，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统。

技术总结
本申请提供一种基于浪拍式气动涡轮发电的船舶储能系统，包括贯穿船体布设的气动管道；气动管道的第一端部外接海浪，气动管道的第二端部与外部环境空气连通；海浪往复冲击气动管道内空气，气动管道内形成空气流；布置在气动管道内的涡轮，涡轮受空气流驱动转动以将空气动能转换成机械能；与涡轮通过齿轮变比啮合的齿轮箱并输出提高后的机械能；与齿轮箱的输出端连接的发电机，用于将齿轮箱输出的机械能转换为电能并输出交流电；与发电机的输出端连接的整流装置，用于将发电机输出的交流电转换为直流电；连接整流装置的蓄电池，用于储存整流装置输出电能。本系统具备减少船用发电机耗能及排放的特点。耗能及排放的特点。耗能及排放的特点。


技术研发人员：郑剑 周清华 张雅丽 邹燕龙 丁筠
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：2023/6/3