一种集成船舶充电装置的海上电气平台及充电方法与流程

1.本发明涉及一种在站内集成有船舶充电装置的海上电气平台，以及船舶利用该设施进行充电的方法，适用于海上新能源工程领域。


背景技术：

2.目前，新能源船舶的应用日益广泛，船舶推进系统的绿色化与电动化市场前景十分广阔。但是，当海上出现意外情况时，如何在远岸缺电情况下及时、便捷地获取电能补充，是电动海洋船舶在实际应用过程中面临的重要挑战。近年来，深远海大容量海上风电场的规模化建设，为上述难题提供了一个有效的解决思路。cn112248864a公开了“一种基于海上风电的海上充电桩系统”，通过在风机塔筒上安装充电桩，将风机发出的电力进行变压、稳压，从而实现对插入充电桩的船舶等设施进行充电。由于单个海上风电机组的发电与靠泊能力有限，该技术方案仅适用于小型电动船舶。
3.事实上，海上风电能够以多种形式为海洋船舶进行充电，例如丹麦能源巨头沃旭提出了如图7的四种电气连接形式，特别是其中2、4方案所示利用海上变电站平台的模式，能够充分利用全场汇集、升压乃至转换的大量优质电能，使得大型、超大型海船利用海上风电场进行充电成为了可能。但都存在需要在平台之外新增固定桩或浮标，充电船舶与充电电源设施距离过远，需要的连接海缆过长，从而导致工程建设投入大。事实上，在目前国内外业界提出的诸多海上充电概念方案中，绝大部分需要设置单独的固定式充电桩或浮标及其与电源侧的连接海缆，增加的工程建设投入较为显著；同时，充电时固定桩或浮标上的电力接头需要先投射到海中，再由船舶自行捞起并与船上电池进行连接，对海上连接施工工艺的精确性以及相关设备的可靠性、耐久性均有着不低的要求。因此，现有技术方案尚无法在实际工程中得到商业化应用。
4.此外，现有方案中还存在着以下缺点或难以解决的问题：
5.(1)风电机组、充电桩或浮标等抗侧向荷载能力弱，海上变电站上部尺度大于下部尺度，导致大型船舶无法直接近距离靠泊充电电源设施，可充电的船舶吨位小，效益较低。
6.(2)待充电的大型船舶向海上变电站靠泊时会产生较大的碰撞荷载，特别是海况恶劣后船舶操作不当时，巨大的靠船能量可能将导致结构发生剧烈振动或桩基承载力失效，给海上电气平台造成灾难性损失。
7.(3)靠泊船舶在充电时，受波浪往复运动船舶存在六自由度的运动，特别是在恶劣海况下充电时，固定式充电装置与船舶的连接易受到疲劳或冲击作用，不利于充电装置的长期服役。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是提供一种集成船舶充电装置的海上电气平台及充电方法，既能够在海上电气平台直接设置充电装置直接进行充电，从而降低充电设施的安装成本，同时，又保证海上电气平台的安全及能够适于大小不同的船舶停靠充电。
9.根据本发明的第一个方面，本发明采用以下技术方案：
10.一种集成船舶充电装置的海上电气平台，所述海上电气平台包括上部组块和下部基础，其特征在于所述船舶充电装置设置在平海上电气台相对风电场的外侧或靠近航道侧；下部结构在该侧设置靠船装置，上部组块各层在该侧的外挑结构不超过靠船装置最边缘；
11.所述充电装置包括固定旋转柱、伸缩支撑架、移动端下船设备，所述移动端下船设备包括支撑模块、充电枪，所述固定旋转柱包括固定部分和绕z轴旋转的可旋转部分，所述伸缩支撑紧架的两端分别和支撑模块及固定旋转柱的旋转部分铰接，能x轴、y轴和z轴方向上调节移动端下船设备的位置，以适应不同的船舶、不同的停靠方式导致的充电口位置不同；所述充电枪的充电连接电缆可活动地连接在伸缩支撑架上或穿过安装在伸缩支撑架上的可伸缩电缆管；所述支撑模块的底部设置缓冲装置。
12.在采用上述技术方案的基础上，本发明还可以同时采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：
13.固定旋转柱固定于一层甲板充电侧；包括旋转段和固定端组成，旋转段可绕着固定端旋转。
14.所述伸缩电缆管位于伸缩支撑架的上部，两端分别和支撑模块及固定旋转柱的旋转部分铰接。
15.所述伸缩支撑架包括x型伸缩连杆及可伸缩电缆管支撑装置，相邻x型伸缩连杆在上下连接旋转点处铰接，x型伸缩连杆的x形交叉连杆之间在中间连接旋转点处铰接。
16.支撑模块包括支撑柱、支撑板、定位插尖、缓冲装置和底板；所述缓冲装置设置在定位插尖的底端，所述底板连接在缓冲装置的下端；所述支撑板的平面尺寸大于定位插尖而能够和筒状的接收器配合，支撑板下表面均设置柔性或缓冲护垫。
17.靠船装置的结构包括靠船柱、橡胶护舷和缓冲装置；缓冲装置两端分别与下部基础和靠船柱连接。
18.所述的上部组块一层布置临时休息室、事故油罐、工具间、水泵房和充电装置，充电装置、事故油罐及水泵房布置于充电侧；二层布置主变室、gis室、应急配电间、低压配电间、开关柜室，其中开关柜室布置于充电侧，主变重心靠近充电侧；三层布置继保室、柴油发电机室、暖通机房、备品备件间，柴油发电机室布置于充电侧；顶层布置吊机、空调外机、设备检修孔，吊机布置于充电侧。
19.根据本发明的第二个方面，本发明采用以下技术方案：
20.一种利用集成式海上电气平台向船舶进行充电的方法，其特征过程为：
21.1)首先，需充电的大型电动船舶按照进场路线要求驶入海上风电场，并行进至所述海上电气平台的充电侧；海上电气平台充电侧上部显著位置设置充电桩标识，以便船舶正确停靠，快速充电；
22.2)其次，根据船舶的受电装置所处位置(一般为船艏)进行顶靠或者侧靠，靠船件的缓冲装置在船舶作用下压缩，吸收冲击力，减少传递于下部基础的靠泊力；靠泊完成后，如有必要，船舶上的部分人员可登上海上电气平台进行协同操作；
23.3)再次，通过控制模块启动充电装置，旋转充电装置至船舶侧，伸长伸缩支撑架并调整伸缩支撑架的上下角度和左右角度，将支撑模块放置于船舶接收器或者船舶甲板面；
24.4)然后，根据船舶上的受电装置位置，调整电缆长度，连接充电枪及所需充电设备，开始充电，直至满足需求；被充电船舶配备波浪补偿器，以便在恶劣海况时协同船体与波浪升沉作用，减少对充电电缆的拖曳力；
25.5)最后，断开充电枪，回收充电装置，船舶充电后驶离海上电气平台与海上风电场。
26.本发明的有益效果是：
27.1、本发明将海上充电装置设置于海上风电场的海上电气平台枢纽中(海上升压站或海上换流站)，可以利用全场汇集后的大量、优质电能，一次充电的容量大幅提高。
28.2、本发明将海上电气平台的上部组块与充电装置融合布置，形状有偏置但重量不偏心，不影响海上电气平台的在位承载性能，同时避免了充电船舶上部与电气平台上部可能发生的干涉，使得可进行充电的船舶体量大幅提高。
29.3、本发明充电装置中设有与充电线路同时收、放的支撑框架，支撑模块与船舶之间设置软连接，可避免船舶运动对充电装置的损坏以及对平台结构的冲击，保证海上电气平台安全，同时也可利用充电装置的刚度，辅助小型船舶的定位与靠泊。
30.4、本发明的靠船件设有可拆卸的缓冲元件，一方面可以减少船舶靠泊的平台的作用力，另一方面可对靠船件进行替换更新，确保靠船件始终处具有良好的缓冲性能，保证海上电气平台安全。
31.5、本发明充电方法可使得相关人员登临电源设施，无需特殊船用机械进行辅助，操作相对简便，工艺难度较低，具有更好的可实施性优势。
附图说明
32.图1是本发明在海上风电场中的布置示意图。
33.图2-1、图2-2分别是本发明不同类型船舶停靠充电的示意图。
34.图3-1、3-2、3-3、3-4分别是本发明集成充电装置上部组块一层、二层、三层和四层的布置图。
35.图4-1、4-2分别是本发明充电装置的总体示意图、工作状态示意图。
36.图4-3、4-4分别是本发明充电装置的支撑模块直接定位在充电船舶的甲板上和放置在接收器上的状态示意图。
37.图4-5是本发明充电装置的支撑模块放置在接收器上时的俯视图。
38.图5-1、5-2分别是本发明缓冲靠船件的示意图和靠船件缓冲装置的示意图。
39.图6是本发明船舶充电过程示意图，其中s1、s2、s3、s4为依次的过程。
40.图7为背景技术中所指的四种电气连接形式示意图。
具体实施方式
41.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
42.如图1所示，集成船舶充电装置的海上电气平台1位于由海上风电机组2组成的海上风电场某一列边缘，充电侧3设置在平台四面中相对风电场的外侧或靠近航道4侧，并做充电标识。所述充电侧3是指海上电气平台1上部组块5设置充电装置的这一侧。所述海上电气平台可以是海上变电站或海上换流站。
43.如图2-1、2-2所示，本实施例的集成充电装置的海上电气平台1由上部组块5和下部基础6组成，上部组块5为四层甲板结构，充电侧3外边缘与下部结构最外侧靠船装置9齐平，各层平台外挑均不超过靠船装置9最边缘，充电装置7位于一层平台充电侧边缘。下部基础6采用典型型式的导管架8，并在对应充电侧3的这一侧设置缓冲靠船件9，可满足侧靠(如图2-1所示)或顶靠(如图2-2所示)要求，侧靠时通常为大型船舶81侧面与缓冲靠船装置9接触，顶靠时为小型船舶82船首与缓冲靠船装置9接触。
44.如图3-1所示，上部组块5的一层布置水泵房11、临时休息室12、工具间13、事故油罐14、柴油罐室15和充电装置7，临时休息室12、工具间13、事故油罐14和充电装置7布置靠近充电侧3的甲板；如图3-2所示，二层布置应急配电室21、低压配电室22、gis室23、暖通机房24、柴油发电机房25、主变室26、开关柜室27、中控继保室28和蓄电池室29，其中开关柜室27布置于充电侧3的甲板，主变室26中的主要设备重心布置在靠近充电侧3；如图3-3所示，三层布置主变上空30、散热区域31和柴油发电机检修孔32；如图3-4所示，顶层布置两个主变检修盖，吊机51布置于充电侧3的顶层甲板边缘，便于船舶充电时物资吊放。采用如上布置，将重量较大的设备房间偏向充电侧3布置，使重心仍保持在主核心框架的形心附近，且能够使各层平台外挑均不超过靠船装置9最边缘，形成形状偏置但重量不偏心的整体结构，保证整体平台的受力合理性。
45.所述的下部基础包括导管架、海缆保护管、上人平台，并设置所述靠船装置。导管架、海缆保护管及上人平台等附属件采用现有做法，所述靠船装置设置在充电侧的同侧，设置缓冲装置，可满足顶靠和侧靠要求。
46.如图4-1所示，充电装置7包括控制模块71、电缆盘72、固定旋转柱73、伸缩电缆管74、伸缩支撑架75、支撑模块76、充电枪77和充电枪挂钩78。充电装置7由控制模块71进行操作，终端侧充电电缆721通过电缆盘72收纳于平台甲板。固定旋转柱73固定于一层甲板充电侧边缘，由旋转段731和固定端732组成，两者之间可通过管的插接实现转动连接或设置轴承，通过轴承转动连接，旋转段731可绕着固定端732完成360
°
旋转，适应船舶实际靠泊时的位置及平台上的装置的放置。伸缩支撑架75是充电装置7连接船舶的主体结构，其包括x型伸缩连杆752及可伸缩电缆管支撑装置754，相邻x型伸缩连杆752在上下连接旋转点751处铰接，x型伸缩连杆752的x形交叉连杆之间在中间连接旋转点751处铰接，x形交叉连杆采用铝合金材质，保证结构强度的同时降低结构重量，保证电力传输时的可靠性。x型伸缩连杆752通过改变x之间的角度来实现伸缩支撑架75的伸长和收缩，各连接旋转点751采用销轴进行铰接，仅允许平面内的转动，保证整体的刚度需求；x型伸缩连杆752在前部和后部的连接旋转点753与固定旋转柱73的旋转段731以及支撑模块76连接并实现角度调整，可以调节支撑模块的前后和上下位置，而旋转段731可以调节支撑模块的左右位置，其中，连接旋转点753可采用两个连接耳通过销轴转动连接的结构。伸缩电缆管74位于伸缩支撑架75上方，其由不同管径的套管依次插接组成，充电电缆721位于最小的套管内，连接固定于充电枪挂钩78上的充电枪77。伸缩电缆管74内设有液压装置提供动力，可通过控制模块71控制其各级套管的伸缩，液压泵站位于上部组块5的一层甲板。通过船舶与海上升压站的通信系统，可完成支撑模块76向受电接收部位的定位。充电电缆721位于伸缩电缆管74内，与伸缩电缆管74的配合长度可通过收放电缆而调节，在支撑模块76完成定位后进一步增大充电电缆721长度，使充电枪77与船舶上的受电接口相连，此时充电电缆721处于非张紧状态。
47.如图4-2所示，在工作状态下，根据船舶上实际接口位置，通过控制模块71，操作电缆盘72转动，增加或者减少充电电缆721长度，同时伸缩支撑架75与伸缩电缆管74伸长并绕着连接旋转点751转动至船舶处进行电力传输。
48.如图4-3和4-4所示，支撑模块76主要由支撑柱761、支撑板762、定位插尖763、缓冲装置764和底板766组成。定位插尖763为倒置的圆台型，放坡部分用于充电装置7移动端的定位，缓冲装置764包括下连接套和与定位插接固定连接的上连接套，下连接套和上固定套插入配合并滑动连接且相互之间设置限位结构，防止两者脱开，在下连接套和上固定套之间设置所述缓冲弹簧764，底板766连接在下连接套的底部。所述缓冲装置也可采用阻尼器，当受压或受压时，内部阻尼材料阻尼发生变化，耗散所传递的能量。所述支撑板762的平面尺寸大于定位插尖763而能够和筒状的接收器768配合，定位插尖763的直径小于接收器768的内径而能够插入接收器768，所述支撑模块76在支撑板762以下的长度小于接收器的高度，接收器768安装在充电船舶上，支撑模块76可以利用定位插尖插入接收器768并利用支撑板762架在接收器768上，定位插尖与接收器的环向间隙优选不小于5cm，插尖763伸入接收器768内部的长度不小于10cm。
49.接收器768环形内层与支撑板762下表面均设置橡胶护垫767，通过支撑板762与接收器768进行软支撑连接，一定程度上缓冲充电装置7的竖向位移，通过环形橡胶护垫767与定位插尖76碰撞缓冲作用缓冲平面内的位移。
50.由此，本发明的充电装置可以有两种下船定位方式，当风浪较小或为大型平稳船舶充电时，可利用缓冲装置直接支撑定位，如果是为小型船只或其它设置接收器的船舶充电，可以利用接收器768和支撑板762的配合定位移动端设备。而无论哪种定位方式，不仅能够可靠地定位充电装置移动端设备，还能够将船舶受到的波浪荷载阻断或极大地削弱，以避免或缓解通过充电装置传递到海上电气平台而对平台产生冲击，能够海上电气平台安全地应用充电装置。而对于小型的船舶，则还可实现利用充电装置的刚度辅助船舶定位和靠泊，保证各个接触面不产生钢-钢碰撞力。
51.如图5-1和图5-2所示，靠船装置9的结构包括靠船柱91、橡胶护舷92和缓冲装置93。缓冲装置93通过导管架固定管931与下部基础6连接，通过靠船装置固定管932与靠船柱91连接。本实施例中，缓冲装置93核心部件由法兰盘933、螺栓934、伸缩套管935和压缩弹簧936组成，压缩弹簧936处于伸缩套管935内。当船舶靠船时，首先由橡胶护舷92吸收部分能量，同时靠船柱91产生水平位移，压缩压缩弹簧936，通过压缩弹簧936的作用，进一步耗散靠船能量，降低船舶传输至电气平台的作用力。法兰盘933和螺栓934的运用便于缓冲装置93的拆装、维修和更换，缓冲装置可大幅减少靠泊船舶传递给海上电气平台的推覆力，保证海上电气平台安全，提高长期的靠泊质量。
52.图6是本发明充电过程示意图。如s1所示，小型船舶82按照要求行近至海上电气平台的充电侧3，通过控制模块71启动充电装置7，旋转充电装置7至船舶侧，充电装置7中的伸缩电缆管74和伸缩支撑架75调整角度和位置，缓慢伸长至船舶靠船侧。如s2所示，船舶靠船时挤压缓冲靠船件9，缓冲靠船件9的缓冲器93在船舶作用下压缩，阻尼增大，减少传递于下部基础的靠泊力；靠泊完成后，如有必要，船舶上的部分人员可登上海上电气平台进行协同操作。如s3所示，伸长伸缩支撑架75，将支撑模块76放置船舶甲板面。根据船舶上的受电装置位置，调整电缆721长度，连接充电77及所需充电设备，开始充电，直至满足需求。如s4所
示，断开充电枪77，回收充电装置7，小型船舶82充电后驶离海上电气平台与海上风电场。
53.以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种集成船舶充电装置的海上电气平台，所述海上电气平台包括上部组块和下部基础，其特征在于所述船舶充电装置设置在平海上电气台相对风电场的外侧或靠近航道侧；下部结构在该侧设置靠船装置，上部组块各层在该侧的外挑结构不超过靠船装置最边缘；所述充电装置包括固定旋转柱、伸缩支撑架、移动端下船设备，所述移动端下船设备包括支撑模块、充电枪，所述固定旋转柱包括固定部分和绕z轴旋转的可旋转部分，所述伸缩支撑紧架的两端分别和支撑模块及固定旋转柱的旋转部分铰接，能x轴、y轴和z轴方向上调节移动端下船设备的位置，以适应不同的船舶、不同的停靠方式导致的充电口位置不同；所述充电枪的充电连接电缆可活动地连接在伸缩支撑架上或穿过安装在伸缩支撑架上的可伸缩电缆管；所述支撑模块的底部设置缓冲装置。2.如权利要求1所述的一种集成船舶充电装置的海上电气平台，其特征在于固定旋转柱固定于一层甲板充电侧；包括旋转段和固定端组成，旋转段可绕着固定端旋转。3.如权利要求1所述的一种集成船舶充电装置的海上电气平台，其特征在于所述伸缩电缆管位于伸缩支撑架的上部，两端分别和支撑模块及固定旋转柱的旋转部分铰接。4.如权利要求1所述的一种集成船舶充电装置的海上电气平台，其特征在于所述伸缩支撑架包括x型伸缩连杆及可伸缩电缆管支撑装置，相邻x型伸缩连杆在上下连接旋转点处铰接，x型伸缩连杆的x形交叉连杆之间在中间连接旋转点处铰接。5.如权利要求1所述的一种集成船舶充电装置的海上电气平台，其特征在于支撑模块包括支撑柱、支撑板、定位插尖、缓冲装置和底板；所述缓冲装置设置在定位插尖的底端，所述底板连接在缓冲装置的下端；所述支撑板的平面尺寸大于定位插尖而能够和筒状的接收器配合，支撑板下表面均设置柔性或缓冲护垫。6.如权利要求1所述的一种集成船舶充电装置的海上电气平台，其特征在于靠船装置的结构包括靠船柱、橡胶护舷和缓冲装置；缓冲装置两端分别与下部基础和靠船柱连接。7.如权利要求1所述的一种集成船舶充电装置的海上电气平台，其特征在于所述的上部组块一层布置临时休息室、事故油罐、工具间、水泵房和充电装置，充电装置、事故油罐及水泵房布置于充电侧；二层布置主变室、gis室、应急配电间、低压配电间、开关柜室，其中开关柜室布置于充电侧，主变重心靠近充电侧；三层布置继保室、柴油发电机室、暖通机房、备品备件间，柴油发电机室布置于充电侧；顶层布置吊机、空调外机、设备检修孔，吊机布置于充电侧。8.一种利用集成式海上电气平台向船舶进行充电的方法，其特征过程为：1)首先，需充电的大型电动船舶按照进场路线要求驶入海上风电场，并行进至所述海上电气平台的充电侧；2)其次，根据船舶的受电装置所处位置进行顶靠或者侧靠，靠船件的缓冲装置在船舶作用下压缩，吸收冲击力，减少传递于下部基础的靠泊力；3)再次，通过控制模块启动充电装置，旋转充电装置至船舶侧，伸长伸缩支撑架并调整伸缩支撑架的上下角度和左右角度，将支撑模块放置于船舶接收器或者船舶甲板面；4)然后，根据船舶上的受电装置位置，调整电缆长度，连接充电枪及所需充电设备，开始充电，直至满足需求；5)最后，断开充电枪，回收充电装置，船舶充电后驶离海上电气平台与海上风电场。

技术总结
本发明提供了一种集成船舶充电装置的海上电气平台及充电方法，船舶充电装置设置在平海上电气台相对风电场的外侧或靠近航道侧；下部结构在该侧设置靠船装置，上部组块各层在该侧的外挑结构不超过靠船装置最边缘；充电装置包括固定旋转柱、伸缩支撑架、移动端下船设备，能三轴方向上调节移动端下船设备的位置，以适应不同的船舶、不同的停靠方式导致的充电口位置不同；所述支撑模块的底部设置缓冲装置。本发明既能够在海上电气平台直接设置充电装置直接进行充电，从而降低充电设施的安装成本，同时，又保证海上电气平台的安全及能够适于大小不同的船舶停靠充电。小不同的船舶停靠充电。小不同的船舶停靠充电。


技术研发人员：李炜 孙震洲 陈杰峰 王淡善 屈思怡 贾献林 俞华锋 王新峰 吕国儿 马煜祥 刘晓良 朱弈嶂
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/5/24