一种基于斯特林循环的船舶辅助发电系统
技术领域
本实用新型涉及船用柴油机废热再利用领域，尤其涉及一种基于斯特林循环的船舶辅助发电系统。
背景技术
船舶是支撑经济全球化发展的主要运输工具。船舶行业属于高能耗行业，其主要通过柴油机提供动力。船舶柴油机运转排放高温尾气，高温尾气中含有大量的热量，此部分热量少部分被用于加热船用重油与生活用水，大部分被直接排入大气中，导致柴油机尾气废热的浪费和能源利用率低。并且船舶用电量大，需要专门配置一台或多台柴油机专门用于发电，造成柴油的消耗量增大，进而导致尾气等污染物的排放量的增大。
实用新型内容
基于以上所述，本实用新型的目的在于提供一种基于斯特林循环的船舶辅助发电系统，以解决现有技术下船用柴油机能源利用率低、柴油消耗量大，污染物排放量大以及能量浪费的技术问题。
为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
提供一种基于斯特林循环的船舶辅助发电系统，包括：柴油机、斯特林机、海水供给系统、传动系和辅助发电模块；
所述斯特林机包括热源换热器和冷源换热器；
所述柴油机的尾气出口被配置为与所述热源换热器连通，所述柴油机排出的尾气中的废热为所述斯特林机的加热源；
所述海水供给系统被配置为与所述冷源换热器连通，所述海水供给系统供给的海水中的冷量为所述斯特林机的冷却源；
所述传动系的输入端与所述斯特林机连接，所述传动系的输出端与所述辅助发电模块连接，所述斯特林机产生的机械能通过所述传动系带动所述辅助发电模块发电。
作为优选，所述柴油机和所述斯特林机之间设置有稳压罐，所述稳压罐和所述柴油机的所述尾气出口之间设置有排气管，所述稳压罐和所述热源换热器之间设置有尾气导管。
作为优选，所述尾气导管上设置有尾气节流阀。
作为优选，所述尾气导管上设置有尾气截止阀，所述尾气截止阀设置在所述尾气节流阀的上游。
作为优选，所述排气管上设置有旁通管，所述旁通管上设置有旁通阀。
作为优选，所述海水供给系统包括水泵，所述水泵与所述冷源换热器之间设置有海水导管。
作为优选，所述海水导管上设置有海水节流阀。
作为优选，所述海水导管上设置有海水截止阀，所述海水截止阀设置在所述海水节流阀的上游。
作为优选，所述斯特林机的数量为多个，多个所述斯特林机并联。
作为优选，所述柴油机的数量为多个，多个所述柴油机并联。
本实用新型可实现的有益效果为：
本实用新型利用船用柴油机排出的高温尾气与海水之间存在的温差梯度，将高温尾气作为斯特林机的高温加热源，将舱外海水作为斯特林机的冷却源，利用斯特林循环将高温尾气所含废热热能转化为机械能，并进一步通过辅助发电模块转化为电能，从而实现辅助发电的目的。该船舶发电系统充分利用了高温尾气中的废热进行发电，从而减少了发电用柴油机的柴油消耗和尾气等污染物的排放，提高了船用柴油机的能源利用率。
附图说明
图1是本实用新型具体实施方式提供的基于斯特林循环的船舶辅助发电系统的示意图。
图中：1、柴油机；11、进气管；12、增压装置；13、冷却装置；14、进气集管；15、气缸单元；16、排气集管；17、排气管；18、旁通管；19、旁通阀；2、斯特林机；21、驱动气缸活塞系统；211、驱动气缸；212、驱动活塞；213、驱动连杆；214、驱动传动轮；215、加热腔；22、输出气缸活塞系统；221、输出气缸、222、输出活塞；223、输出连杆；224、输出传动轮；225、冷却腔；23、回热器；24、尾气节流阀；25、海水节流阀；26、热源换热器；27、冷源换热器；3、海水供给系统；31、水泵；32、海水导管；33、海水截止阀；34、进水管；35、海水源；4、传动系；5、辅助发电模块；51、第二支撑轴承；52、第二联轴器；53、辅助发电机；6、稳压罐；7、尾气导管；8、尾气截止阀；9、推进模块；91、变速箱；92、螺旋桨；10、主发电模块；101、第一支撑轴承；102、第一联轴器；103、主发电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型实施例，而非对本实用新型实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型实施例相关的部分而非全部结构。
如图1所示，本实用新型提供一种基于斯特林循环的船舶辅助发电系统，其主要包括柴油机1、斯特林机2、海水供给系统3、传动系4和辅助发电模块5。其中斯特林机2为本系统的主要部件，斯特林机2运转产生机械能，所产生的机械能通过传动系4传递到辅助发电模块5以转变成电能，用以为船舶提供额外的电能补充。斯特林机2正常运转的必要条件是需要有可靠的温差梯度，在本实施例中，柴油机1排出的高温尾气和海水供给系统3所供给的常温海水之间形成天然的温差梯度，满足了斯特林机2运转的条件。
具体地，斯特林机2具有热源换热器26和冷源换热器27，热源换热器26与柴油机1的尾气出口连通，柴油机1排出的高温尾气中的废热用作斯特林机2的加热源。冷源换热器27与海水供给系统3连通，海水供给系统3所供给的海水中的冷量用作斯特林机2的冷却源。斯特林机2吸收高温尾气中的热量而运转，运转产生的机械能通过传动系4传递到辅助发电模块5，驱动辅助发电模块5源源不断地发电。
柴油机1为船舶的动力来源，为船舶的推进模块9和主发电模块10提供动力。可选地，柴油机1的数量为多个，多个柴油机1并联设置，即多个柴油机1的尾气出口均与斯特林机2连通。柴油机1为驱动柴油机或发电柴油机，当柴油机1为驱动柴油机时，其与船舶的推进模块9连接，当柴油机1为发电柴油机时，其与船舶的主发电模块10连接。驱动柴油机和发电柴油机的数量可依据船舶所需推进功率和电力需求具体分配，柴油机1数量的不同分配方案均落在本实用新型的保护范围之内。
在本实施例中，柴油机1的数量为两个，两个柴油机1分别用作驱动柴油机和发电柴油机，即分别与船舶的推进模块9和主发电模块10连接。船舶的推进模块9和主发电模块10的结构如图1所示，推进模块9包括变速箱91和螺旋桨92，变速箱91的输入端与驱动柴油机的输出轴连接，变速箱91的输出端与船舶的螺旋桨92连接，驱动柴油机的输出动力经变速箱91转变后，以合适的扭矩和转速驱动螺旋桨82，从而驱动船舶前进。主发电模块10包括第一支撑轴承101、第一联轴器102和主发电机103，发电柴油机的输出轴穿过第一支撑轴承101连接到第一联轴器102的一端，第一联轴器102的另一端与主发电机103连接，发电柴油机通过第一联轴器102带动主发电机103发电，从而为整个船舶提供电力。
柴油机1包括进排气系统，柴油机1的进排气系统的组成如图1所示，其包括依次连通的进气管11、增压装置12、冷却装置13、进气集管14、气缸单元15、排气集管16和排气管17。空气经进气管11进入柴油机1中，经增压装置12增压并经冷却装置13冷却后进入进气集管14，进气集管14将冷却后的空气平均分配至每个气缸单元15，在气缸单元15中燃料借助空气燃烧后产生高温尾气，高温尾气通过排气集管16进入增压装置12，最后经排气管17排到外界。在本实施例中，柴油机1与斯特林机2连通，高温尾气经排气管17被导入到斯特林机2的热源换热器26中。柴油机1的具体工作原理和所包括的其他系统为本领域的现有技术，在此不再赘述。
斯特林机2吸收柴油机1所排放的高温尾气中的热量而运转。斯特林机2除热源换热器26和冷源换热器27外，还包括依次连通的驱动气缸活塞系统21、输出气缸活塞系统22和回热器23。热源换热器26设置在驱动气缸活塞系统21中，热源换热器26中导入的高温尾气为斯特林机2提供能量，使驱动气缸活塞系统21运转，并进一步带动输出气缸活塞系统22运转。经热源换热器26换热后，尾气温度降低，经管路流出系统。冷源换热器27设置在输出气缸活塞系统22中，冷源换热器27中导入的海水用于冷却输出气缸活塞系统22，保持斯特林机2的正常运行，经冷源换热器27换热后的海水温度升高，经水管流出系统。
具体地，驱动气缸活塞系统21包括驱动气缸211、驱动活塞212、驱动连杆213、驱动传动轮214和加热腔215。驱动活塞212安装在驱动汽缸211中并在驱动汽缸211中做往复直线运动，驱动活塞211的往复直线运动经驱动连杆213转变成驱动传动轮214的回转运动，上述各部件的驱动关系与内燃机相同，其为本领域的现有技术，在此不再赘述。加热腔215与驱动汽缸211通过管路连通，热源换热器26设置在加热腔215中。当加热腔215和驱动汽缸211相连通的空间内的工作介质(一般为氢气或氦气)吸收热源换热器26内的高温尾气的热量时，工作介质压力增大并发生膨胀，膨胀的工作介质推动驱动活塞212在驱动汽缸211内运动。
输出汽缸活塞系统22包括输出汽缸221、输出活塞222、输出连杆223、输出传动轮224和冷却腔225，输出活塞222、输出连杆223和输出传动轮224的连接方式和驱动关系与驱动汽缸活塞系统21相同，同为本领域内现有技术，不再赘述。输出汽缸221和冷却腔225通过管路连通，冷源换热器27设置在冷却腔225中。输出汽缸221、冷却腔225、回热器23、驱动汽缸211和加热腔215依次连通，其中回热器23为多孔的中通结构，从而形成驱动斯特林机2运转的工作介质的封闭的工作空间。工作介质在工作空间内不断经过冷却、压缩、吸热、膨胀的循环，从而驱动斯特林机2不断运转，以持续向外输出机械能。
可选地，斯特林机2的数量为多个，多个斯特林机2并联设置，即每个斯特林机2的热源换热器26均与柴油机1的尾气出口连通，每个斯特林机2的冷源换热器27均与海水供给系统3连通。多个并联设置的斯特林机2可以充分利用柴油机1排出的高温尾气中的废热，提高能源效率和发电量。
本实施例提供的基于斯特林循环的船舶辅助发电系统，还包括稳压罐6，稳压罐6设置在柴油机1和斯特林机2的热源换热器26之间。稳压罐6的进气口通过柴油机1的排气管17与每台柴油机1的尾气出口连通。稳压罐6与斯特林机2的热源换热器26之间设置有尾气导管7，尾气导管7的数量与斯特林机2的数量相同，稳压罐6通过尾气导管7与每台斯特林机2连通。稳压罐6用于收集柴油机1排出的尾气，并向斯特林机2供给压力和流量相对稳定的尾气，避免尾气流量波动引起斯特林机2工作不良。
进一步地，排气管17上设置有旁通管18，旁通管18上设置有旁通阀19。旁通管18的一端与排气管17连通，另一端与外界大气连通，旁通管18和旁通阀19的用于控制从柴油机1排出的尾气的流向及流量，以避免斯特林机2直接从排气管17中吸收热量而影响柴油机1的性能。
进一步地，尾气导管7上设置有尾气截止阀8和尾气节流阀24，其中尾气节流阀24属于斯特林机2的一部分。尾气截止阀8设置在尾气节流阀24的上游，尾气截止阀8用于控制尾气导管7的通断，尾气节流阀24用于调节导入到斯特林机2的热源换热器26中的尾气的流量大小并控制加热腔215的温度，进而调节斯特林机2的输出功率。
海水供给系统3用于向斯特林机2供给海水。海水供给系统3包括水泵31，水泵31的进水口通过进水管34与海水源35连通，水泵31的出水口通过海水导管32与斯特林机2的冷源换热器27连通，在本实施例中，海水导管32的数量均与斯特林机2的数量相同，每个斯特林机2的冷源换热器27均通过海水导管32与水泵31连通。
进一步地，在海水导管32上设置有海水截止阀33和海水节流阀25，其中海水节流阀25属于斯特林机2的一部分。海水截止阀33位于海水节流阀25的上游，海水截止阀33用于控制海水导管32的通断，海水节流阀25用于调节导入到斯特林机2的冷源换热器27中的海水的流量并控制冷却腔225的温度，以维持斯特林机2的正常运行。
为防止海水对管道的腐蚀，在本实施例中，进水管34与海水导管32均作防腐蚀处理。可选地，进水管34和海水导管32采用衬塑管材质，衬塑管兼具钢管的机械性能和塑料管的耐腐蚀性能，可用于输送具有较低腐蚀性的液体。可选地，进水管34和海水导管32内壁设置有耐腐蚀涂层，耐腐蚀涂层可选地为环氧树脂复合涂层、酚醛环氧涂层、聚烯烃涂层和氟聚物涂层等。在本实施例中，出于防腐效果和成本的考虑，优选地，采用在进水管34和海水导管32内壁喷涂耐腐蚀涂层的防腐蚀方式，进一步优选地，耐腐蚀涂层选用氟聚物涂层，氟聚物涂层耐酸耐碱，且化学性能稳定，渗透率低，可有效保护管道。
传动系4用于将斯特林机2的动力输出传递到辅助发电模块5，以带动辅助发电模块5发电。传动系4包括多个输入端和一个输出端，传动系4的每个输入端均与一个斯特林机2的输出传动轮224连接，传动系4的输出端与辅助发电模块5的输入端连接，多个输出传动轮224的动力输出从传动系4的多个输入端汇总到传动系4的输出端，并进一步传递到辅助发电模块5中。可选地，传动系4为齿轮传动系统、链式传动系统、皮带传送系统或上述传动系统的耦合，传动系4的选用可以根据斯特林机2的输出功率和船舶内空间具体选取，不同类型的传动系4均在本实用新型的保护范围之内。
辅助发电模块5用于接收传动系4所传递的斯特林机2的动力输出，以转化成电力。辅助发电模块5包括第二支撑轴承51、第二联轴器52和辅助发电机53。传动系4的输出轴穿过第二支撑轴承51连接到第二联轴器52的一端，第二联轴器52的另一端与辅助发电机53连接，从而构成动力输送的连通通路。
下面结合附图1阐述本实用新型提供的基于斯特林循环的船舶辅助发电系统的工作过程：
船舶中用于推进和发电的柴油机1运转产生高温尾气，高温尾气经柴油机1的排气管17被导入并集中到稳压罐6，稳压罐6中的尾气经尾气导管7以较为恒定的压力和流量被导入到斯特林机2的热源换热器26中。与此同时，海水供给系统3通过水泵31持续不断地向斯特林机2供给海水，海水经海水导管32被导入到斯特林机2的冷源换热器27中。
在斯特林机2中，热源换热器26设置在加热腔215内，冷源换热器27设置在冷却腔225内。驱动气缸211、加热腔215、回热器23、冷却腔225和输出气缸221构成的工作介质的工作空间内形成一定规律的温度梯度。在驱动活塞212由下止点向上止点运动的过程中，工作介质被压缩，压缩过程所产生的热量通过驱动气缸211的壁面传递给环境，过程工作介质温度基本不变，此时输出活塞222几乎保持不动。在驱动活塞212压缩运动过程中，工作介质将不同温度的热能传递给回热器23并流入冷却腔225，在工作介质压力达到一定值时，输出活塞222由上止点向下止点运动。在驱动活塞212达上止点后，输出活塞222继续向下止点运动，此过程输出气缸221内的工作介质从环境吸收热量，且工作介质的压力持续下降，输出活塞222具备向上止点运动的趋势。当输出活塞222向上止点运动的同时，驱动活塞212向下止点运动，此时工作介质通过回热器23吸收热量后进入驱动气缸211，实现回热。驱动活塞212到达下止点，完成一个循环，开始一下个循环。输出气缸活塞系统22的输出传动轮224经传动系4将动力输出到外部的辅助发电模块5，从而带动辅助发电模块5发电，以作为主发电模块10的补充，弥补主发电模块10的发电量不足。
在斯特林机2运转过程中，设置在排气管17上的旁通管18和旁通阀19以及设置在尾气导管7上的尾气节流阀24可以调节进入热源换热器26的尾气的流量，从而控制加热腔215的温度和斯特林机2的输出功率。设置在尾气导管7上的尾气截止阀8可以控制尾气导管7的通断，当不需要斯特林机2运行时，尾气截止阀8关闭，通往斯特林机2的尾气通路断开。设置在海水导管32上的海水节流阀25可以调节所供给的海水的流量，从而控制冷却腔225的温度，维持斯特林机2的稳定运行。设置在海水导管32上的海水截止阀33可以控制海水导管32的通断，当不需要斯特林机2运行时，海水截止阀33关闭，通往斯特林机2的海水供给通路断开。
本文中所描述的具体实施例仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
