阅读说明：本技术 一种余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统 (Ship power system with waste heat recovery coupled with solar water-hydrogen circulation ) 是由 王哲 韩凤翚 纪玉龙 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统,包括：用于制氢的太阳能海水制氢系统,通过太阳能光伏发电装置为电解水反应器供电产生氢气和氧气；通过太阳能集热器为热分解水反应器供给热量产生氢气和氧气；废热回收蒸汽发电与富氧燃烧支路系统用于形成富氧空气通入船舶主机以及辅机锅炉,产生的废气热量用于加热蒸汽发生器接收的蒸汽形成高温高压蒸汽通入蒸汽轮机推动发电机进行发电；以及,船舶电力储备及动力系统用于储存电力并为电动机供电,与船舶主机一起供应船舶航行动力。本发明拥有多能互补优势具有能量综合利用,产氢、发电,多模式灵活转换以及高效稳定可持续等优点。(The invention provides a ship power system with waste heat recovery coupled with solar water hydrogen circulation, which comprises: a solar seawater hydrogen production system for producing hydrogen supplies power to an electrolytic water reactor through a solar photovoltaic power generation device to produce hydrogen and oxygen; supplying heat to the thermal decomposition water reactor through a solar heat collector to generate hydrogen and oxygen; the waste heat recovery steam power generation and oxygen-enriched combustion branch system is used for forming oxygen-enriched air to be introduced into the marine main engine and the auxiliary engine boiler, and the generated waste gas heat is used for heating steam received by the steam generator to form high-temperature high-pressure steam to be introduced into the steam turbine to push the generator to generate power; and the ship power storage and power system is used for storing power, supplying power to the motor and supplying ship sailing power together with the ship main engine. The invention has the advantages of multi-energy complementation, comprehensive utilization of energy, hydrogen production, power generation, multi-mode flexible conversion, high efficiency, stability and sustainability and the like.)

一种余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统

技术领域

本发明涉及船舶主机余热回收、太阳能热发电，太阳能水氢动力循环制氢领域，具体而言，尤其涉及一种太阳能热、电催化海水制氢，利用主机余热回收辅助太阳能蒸汽发电的船舶复合动力系统。

背景技术

可持续能源的开发和利用是应对全球变暖和气候变化挑战的主要措施。到2050年，全球预计将需要消耗超过4×10¹⁰kW的能源来解决人口膨胀所带来的经济增长和环境压力。然而由于传统化石燃料储备有限、不能可持续再生以及对环境破坏大等特点，它们将在2050年左右逐步被人类社会淘汰。从2020年起，国际海事组织要求世界航运业施行低于0.5％的全球硫排放限制，而在2050年之前需要将船舶海事的碳排放量减少一半以上。这对于目前大部分使用传统重油的多硫、多颗粒物排放的船舶行业是一大挑战。环境污染和气候变暖给海洋环境带来了巨大的压力，因此目前在船舶动力系统以及航行电力需求中优化能源使用效率合理开发高效清洁能源动力以及相关转化技术，是目前亟需解决的关键性问题。

目前氢被认为是替代化石燃料的最有利解决方案之一，它是一种清洁、丰富、可循环利用且对环境无害的能源产物。其燃烧热值约为汽油的3倍，远高于天然气且用于燃料电池仅产生水，可完全避免硫氧化物和颗粒物排放。此外，氢具有许多优点，包括其质量密度大储存能力强，在各种应用中利用的灵活性，特别是作为高能载体，并且可以通过各种能源来产生，包括太阳能，风能，地热能，生物质能，海洋能和水能等。可以预见未来30到50年内大部分船舶、汽车等都会选用氢作为主要燃料。然而，自然状态下游离态氢存量极少，如何经济低碳环保的富集纯化进而制造氢气从而使用是氢能源推广普及的一大难题。目前人类唯一已经工业成熟可以大规模制氢的方法为化石燃料化工重整，该过程实际产氢所消耗的成本虽然在逐步下降，但是单位产氢带来的碳排放依然巨大。国际上94％的氢产量来自化石燃料，其中54％是天然气制氢，31％是石油制氢，9％是煤制氢。我国由于煤炭储量丰富，煤制氢占比超过50％。虽然，氢是一种零碳能源，但制氢的过程中会排放大量二氧化碳，因此这些氢仍是高碳氢，一般被称为“灰氢”。要实现制氢过程全生命周期的低碳甚至零碳化，获得真正意义上的“绿氢”，需要利用非化石燃料直接制氢。电解水、生物制氢等要么存在污染排放量偏大，耗电量高，安全性经济性较差等诸多问题，因此急需寻找可替代的具有经济性制氢用氢的方法。

通过太阳能生产氢的方法以及船舶余热利用流程系统已有一些专利提及。如太阳光化学水分解制氢，在实用新型CN2012204748677U中公开了“一种利用太阳能驱动的光电催化降解有机污染物耦合制氢的装置”阐述了其利用太阳光的能量，利用废水中的有机污染物作为电子给体进行光催化分解水制氢，有机废物被氧化降解的同时水被还原产生氢气，既提高制氢效率，又去除了环境污染物。但是由于有机污染物的量和种类不固定，催化剂单一，该流程缺乏稳定性不能满足大规模运用以及在船舶上发展。如太阳能热化学水分解制氢，在发明专利CN102126704B中公开了“多碟太阳能聚热耦合生物质超临界水气化制氢系统及方法”提供利用太阳能高温聚焦对生物质进行超临界水气化产生富氢气体进行提纯和汇聚。但是由于超临界气化需要交为严苛的外界环境和连续高效的太阳能供给，因此难以规模化。如太阳能光伏电解水制氢技术，在实用新型CN203976930U中公开了“太阳能电解海水制氢装置”，采用海水作为原材料，通过电解槽、离子交换膜、阴极气体收集装置、阳极气体收集装置和电解电极产生氢气。虽然相比采用传统电力电能供电具有较低的成本，纯天然无污染的优势，但是由于光伏发电效率低仅为10％左右，发电不稳定，而且占用空间大，不和其它能源联合很难提高效率。如船舶余热利用技术，在发明专利CN106523103A中公开了“船用柴油机排气余热间接式温差热电装置介质循环系统”提出利用主机排气的余热进行温差发电，采用阵列式热点半导体元件和水冷散热。但是由于单个温差发电半导体功率较小，阵列热损失较大，产生的直流电能需要变压器输送，稳定性不高。再如余热回收的有机朗肯循环技术，在实用新型CN204960995U中公开了“一种低温余热有机朗肯循环发电系统”，采用直接接触式冷凝，较传统有机朗肯循环发电系统降低了投资成本，加快了投资回收期。但是直接接触式冷凝会受到换热介质外界环境的干扰，对系统循环、发电效率有较大影响。

总结目前现有的技术发明大多是集中在高能耗、单一能源体系内的制氢或余热回收发电，系统设备简单，不能进行多能源互补的节能减排优化，纯粹的将可再生能源利用和新能源制造割裂开来，没有进行后续的能源互补和技术衔接，往往导致产氢耗能大，发电不稳定以及过程高能耗，不能很好地体现可再生能源和新能源互补的巨大优势。传统的技术模式，不能很好的适应特定应用，不能同时考虑较多参数，对能源的可用性，对环境的影响以及成本的评估都相对较弱。

发明内容

根据上述提出现有的余热回收、制氢、发电技术不能进行能源联合运用造成大量能源消耗的技术问题，而提供一种余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统。本发明以太阳能热、光伏海水制氢为出发点，船舶余热回收利用耦合太阳能光热水蒸汽发电为突破口，打破了传统方法仅光热制氢、光伏发电后电解水制氢或船舶主机余热单纯发电的单一功能、复杂过程和极高成本，本发明以船舶主机余热回收耦合太阳能，通过太阳能吸收器汇聚热量催化海水高温分解产氢，太阳能光伏半导体界面发电后电解水产氢，储氢罐储存，太阳能吸收器产生高温水蒸汽联合主机废热进行蒸汽轮机发电，氢燃料电池产电，蓄电池储存，产生的氧气储存并和空气混合以一定比例通入船舶主机和锅炉中进行富氧燃烧增加燃料效率等一系列的能量转换系统及方法，形成一套船舶余热回收耦合太阳能水氢动力循环发电与制氢能量高效利用系统。

本发明采用的技术手段如下：

一种余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统，包括太阳能海水制氢系统、废热回收蒸汽发电与富氧燃烧支路系统以及船舶电力储备及动力系统；

用于制氢的所述太阳能海水制氢系统，包括太阳能光伏发电装置、电解水反应器、太阳能集热器、热分解水反应器、储氢侧冷凝器、储氧侧冷凝器、储氢罐和储氧罐；所述太阳能光伏发电装置用于接收太阳光照射产生电力为所述电解水反应器供电，所述电解水反应器产生的氢气通入所述储氢罐进行储存，氧气通入所述储氧罐进行储存；所述太阳能集热器用于将收集太阳光的热量供给至所述热分解水反应器，所述热分解水反应器分解出的高温氢气经过所述储氢侧冷凝器降温后通入所述储氢罐进行储存，高温氧气经过所述储氧侧冷凝器降温后通入所述储氧罐进行储存；

所述废热回收蒸汽发电与富氧燃烧支路系统包括风机、辅机锅炉、船舶主机、废热回收网络、蒸汽发生器、蒸汽轮机和发电机；所述储氧罐内的氧气与所述风机引入的空气混合后形成富氧空气，富氧空气通过管路分别通入所述船舶主机以及所述辅机锅炉同燃料进行燃烧，燃烧产生的废气的热量通过所述废热回收网络供给至所述蒸汽发生器；所述蒸汽发生器用于接收所述热分解水反应器产生的废气，并通过所述废热回收网络提供的热量进一步加热蒸汽后，形成高温高压蒸汽通入所述蒸汽轮机，通过所述蒸汽轮机做功推动所述发电机进行发电；

所述船舶电力储备及动力系统包括依次连通的蓄电池、氢燃料电池和电动机；所述蓄电池用于接收所述发电机和所述氢燃料电池所发出的电力以及所述太阳能光伏发电装置产生的多余电力；所述氢燃料电池用于利用所述储氢罐提供的氢气和空气或者所述储氧罐提供的氧气产生电力；所述电动机用于接收所述蓄电池和所述氢燃料电池供给的电力，并与所述船舶主机一起供应船舶航行动力。

进一步地，所述废热回收换热网络包括至少个换热器，通过利用海水分别回收所述热分解反应器、所述船舶主机以及所述辅机锅炉内的废热，通入所述蒸汽发生器。

进一步地，所述废热回收网络包括回收器Ⅰ、回收器Ⅱ和回收器Ⅲ；所述辅机锅炉燃烧产生的废气与所述回收器Ⅰ内的海水进行换热后与所述回收器Ⅱ内接收到的所述船舶主机燃烧产生的废气继续换热，最终形成高温蒸汽通入所述蒸汽发生器；所述热分解水反应器产生的废气经过所述回收器Ⅲ回收热量传递给海水，海水被加热成为蒸汽后通入所述蒸汽发生器。

进一步地，所述电解水反应器能够从所述太阳能光伏发电装置以及所述蓄电池接收电力。

进一步地，所述蓄电池用于为所述电动机、所述电解水反应器和所述蒸汽发生器供电。

进一步地，所述废热回收蒸汽发电与富氧燃烧支路系统还包括蒸汽冷凝器，高温高压蒸汽通入所述蒸汽轮机做功后通入所述蒸汽冷凝器降温后排入海水中。

进一步地，所述储氢侧冷凝器、所述储氧侧冷凝器和所述蒸汽冷凝器均为海水冷凝器，为板翅式、板式或壳管式换热器。

进一步地，还包括能够过滤海水中杂质的海水过滤装置，过滤后的海水通过水泵泵入所述热分解水反应器；所述风机为轴流或者贯流风机。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统，摒弃了目前纯粹的将可再生能源利用和新能源制造割裂开来的技术，太阳能制氢、余热回收发电高能耗单一能源体系内没有进行后续的能源互补和技术衔接，往往导致产氢耗能大，发电不稳定以及过程高能耗，不能很好地体现可再生能源和新能源互补的巨大优势，传统的技术模式，不能很好的适应船舶应用，不能同时考虑较多参数，对能源的可用性，对环境的影响以及成本的评估都相对较弱。

2、本发明提供的余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统，结合了多种太阳能制氢气方式(电解水、热分解)进行互补耦合，利用余热回收技术进行蒸汽轮机发电，从而弥补了太阳能不足以及氢产能不够条件下的船舶电动机使用，另外还可补充电解水产氢的电力需求。

3、本发明提供的余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统，有别于传统的电动机、柴油主机混动系统，当太阳能充足条件下，柴油主机可进行低负荷或者0负荷运行，完全依靠太阳能发电、产氢等一系列循环进船舶电力驱动。当太阳能不足时通过废热回收系统亦可反哺电力系统，从而达到能量互补综合利用的优势。

4、本发明提供的余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统，经济、安全、环保、节能，与传统方法的制氢浪费氧气相比，制出的氧气一部分可供送燃料电池发电进行削峰填谷，另一部分可进行船舶主机以及辅机锅炉的富氧燃烧提高化石燃料效率，有着多种技术联合运用的优势。

5、本发明提供的余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统，具有储氢罐、储氧罐以及蓄电池多种能源储存手段，通过多能量互补和耦合不仅可优化太阳能制氢产电过程，而且利用相关余热回收以及富氧燃烧技术提高传统船舶燃料的经济性，多种技术优化组合达到了兼顾了高效、无污染和经济性，满足了船舶行驶中电力以及混合动力需求。

基于上述理由本发明可在船舶多动力系统以及太阳能水氢动力等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统的原理示意图。

图2为所述废热回收网络流程示意图。

图中：101、太阳能光伏发电装置；102、电解水反应器；103、太阳能集热器；104、热分解水反应器；105、储氢侧冷凝器；106、储氧侧冷凝器；107、储氢罐；108、储氧罐；201、海水过滤装置；202、水泵；203、风机；204、辅机锅炉；205、船舶主机；206、废热回收网络；207、蒸汽发生器；208、蒸汽轮机；209、蒸汽冷凝器；210、发电机；301、蓄电池；302、氢燃料电池；303、电动机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1-2所示，本发明提出了一种船舶余热回收耦合太阳能的热，光发电与制氢技术，该系统拥有多能互补优势具有能量综合利用、产氢发电多模式灵活转换以及高效稳定可持续等特点，符合船舶多工况条件具有较好的发展前景。

具体的，本发明提供了一种余热回收耦合太阳能水氢循环的船舶动力系统，包括太阳能海水制氢系统、废热回收蒸汽发电与富氧燃烧支路系统以及船舶电力储备及动力系统；

用于制氢的所述太阳能海水制氢系统，包括太阳能光伏发电装置101、电解水反应器102、太阳能集热器103、热分解水反应器104、储氢侧冷凝器105、储氧侧冷凝器106、储氢罐107和储氧罐108；所述太阳能光伏发电装置101用于接收太阳光照射产生电力为所述电解水反应器102供电，所述电解水反应器102产生的氢气通入所述储氢罐107进行储存，氧气通入所述储氧罐108进行储存；所述太阳能集热器103用于将收集太阳光的热量供给至所述热分解水反应器104，所述热分解水反应器104分解出的高温氢气经过所述储氢侧冷凝器105降温后通入所述储氢罐107进行储存，高温氧气经过所述储氧侧冷凝器106降温后通入所述储氧罐108进行储存；

所述废热回收蒸汽发电与富氧燃烧支路系统包括风机203、辅机锅炉204、船舶主机205、废热回收网络206、蒸汽发生器207、蒸汽轮机208和发电机210；

所述储氧罐108内的氧气与所述风机203引入的空气混合后形成富氧空气，富氧空气通过管路分别通入所述船舶主机205以及所述辅机锅炉204同燃料进行燃烧，能够获得更高的燃烧效率，燃烧产生的废气的热量通过所述废热回收网络206供给至所述蒸汽发生器207；所述燃料为船舶重油、柴油以或天然气等；富氧空气中氧气的比例是根据所述储氧罐108内氧气的多少以及所述氢燃料电池302对氧气的消耗而定，这取决于船舶是否采用电动模式以及船舶主机运行工况，氧气含量越高燃料燃烧效率越大；

所述蒸汽发生器207用于接收所述热分解水反应器104产生的废气，并通过所述废热回收网络206提供的热量进一步加热蒸汽后，形成高温高压蒸汽通入所述蒸汽轮机208，通过所述蒸汽轮机208做功推动所述发电机210进行发电；

本申请中，所述废热回收网络206是通过换热介质或者蒸汽进行废热回收从而补充所述蒸汽发生器207的能量以得到较高温度和压力的蒸汽从而推动所述蒸汽轮机208做功；

所述船舶电力储备及动力系统包括依次连通的蓄电池301、氢燃料电池302和电动机303；所述蓄电池301用于接收所述发电机210和所述氢燃料电池302所发出的电力以及所述太阳能光伏发电装置101产生的多余电力；所述氢燃料电池302用于利用所述储氢罐107提供的氢气和空气或者所述储氧罐108提供的氧气产生电力；所述电动机303用于接收所述蓄电池301和所述氢燃料电池302供给的电力，并与所述船舶主机205一起供应船舶航行动力。

进一步地，所述废热回收换热网络206包括至少3个换热器，通过利用海水分别回收所述热分解反应器104、所述船舶主机205以及所述辅机锅炉204内的废热，通入所述蒸汽发生器207。

进一步地，所述废热回收网络206包括回收器Ⅰ、回收器Ⅱ和回收器Ⅲ；所述辅机锅炉204燃烧产生的废气与所述回收器Ⅰ内的海水进行换热后与所述回收器Ⅱ内接收到的所述船舶主机205燃烧产生的废气继续换热，最终形成高温蒸汽通入所述蒸汽发生器207；所述热分解水反应器104产生的废气经过所述回收器Ⅲ回收热量传递给海水，海水被加热成为蒸汽后通入所述蒸汽发生器207。

进一步地，所述电解水反应器102能够从所述太阳能光伏发电装置101以及所述蓄电池301接收电力；所述氢燃料电池302的电力可供应给所述蓄电池301或者所述电动机303，上述电力供给情况可以视氢、氧储存量、太阳能强度以及船舶航行工况而定。

进一步地，所述蓄电池301能够接收来自所述发电机210、所述光伏发电装置101和所述燃料电池302的电力，并且为所述电动机303、所述电解水反应器102和所述蒸汽发生器207供电，电量的接收与供给的多少取决于太阳能强度、氢、氧储存量以及船舶航行工况。

进一步地，所述废热回收蒸汽发电与富氧燃烧支路系统还包括蒸汽冷凝器209，高温高压蒸汽通入所述蒸汽轮机208做功后通入所述蒸汽冷凝器209降温后排入海水中。

进一步地，所述储氢侧冷凝器105、所述储氧侧冷凝器106和所述蒸汽冷凝器209均为海水冷凝器，利用船舶行驶的周边的海水从而冷却相关气体，为板翅式、板式或壳管式换热器，为了增加换热还可以在换热器内部打孔或者安装波纹或锯齿型翅片。

进一步地，还包括能够过滤海水中杂质的海水过滤装置201，过滤后的海水通过水泵202泵入所述热分解水反应器104；所述风机203为轴流或者贯流风机，管道内装有干燥装置保证富氧空气的干燥。

进一步地，所述船舶动力系统可仅采用船舶主机205通过富氧燃烧提供动力也可仅通过电动机303提供航行动力，也可采用混合动力模式，具体采用哪一种模式取决于阳光强度、储氢储氧量以及船舶航行工况。

在本申请中，所述储氢罐107接收来自所述电解水反应器102以及所述热分解水反应器104所产生的氢气，仅供应所述氢燃料电池302的氢能消耗；所述储氧罐108接收来自所述电解水反应器102以及所述热分解水反应器104产生的氧气，供应所述氢燃料电池302以及系统中富氧燃烧过程所消耗的氧气；所述氢燃料电池302可利用所述储氢罐107内的氢气和空气或者所述储氧罐内108的氧气作为燃料，气量的多少取决于太阳能强度、氢、氧储存量以及船舶航行工况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。