本发明涉及一种重力落差海洋水电动力系统。
背景技术：
随着世界海运市场的不断发展，船舶也在向着高速化和大型化的方向发展。舰船环境条件往往比陆地要恶劣得多，有下列主要特点：
(1)航运区域广，特别是远洋舰船，气温变化大，湿度高，空气中常常有盐雾、油雾及霉菌等腐蚀物，甚至还混有爆炸性气体。此外，舰船还因受风浪作用，而产生幅度可能很大的倾斜和摇摆；
(2)主机和推进系统会产生振动，舰艇在战斗中更会受到各种强烈机械冲击和震动；
(3)舰船舱室容积小，空间狭窄，周围船体和隔墙恰恰都是导电体和导热体；
(4)电气设备之间有较大的电磁干扰。
因此，船舶动力系统和电力系统应满足以下基本要求：一、尽可能提高系统工作效率，减少燃料消耗，确保舰船续航能力；二、工作可靠，最大限度保证不间断供电；三、生命力强，如发生舱室破损进水时或失火时，仍保持不间断工作能力；四、应具有防盐雾、防油雾、防霉菌、防水、防燃、防爆等性能和耐冲击、振动和摇摆的能力(长期横倾不超过15度，长期纵倾不超过10度，周期性横摇幅值不超过22.5度，周期性纵摇幅值不超过7.5度，周期为10秒)；五、要求能在零下25度到零上45度的环境温度和最大湿度95％条件下正常工作。现有船舶动力来源于电动机带动螺旋桨，电动机的能量来源于发电机，发动机的能量来源于原动机，原动机的能量来源于化学能，主要有以下缺陷：总体效率不高，污染较为严重；通过耗能方式来实现减速和制动，导致减速效果差、距离长；没有刹车系统，缺乏横移能力，容易发生船体受损、报废和沉没等重大事故；储存大量燃油燃气，增加了火灾隐患。
因此，如何提供一种效率高、低污染且具有刹车系统的海洋水电动力系统成为了业界需要解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种重力落差海洋水电动力系统，其效率高、低污染且具有刹车系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种安装在船舶底部的重力落差海洋水电动力系统，其包括：
进水机构，进水机构包括吸水模块和可伸缩、可旋转的管道模块，吸水模块位于管道模块靠近船首一侧；
电力机构，电力机构包括发电模块和储能模块，发电模块位于管道模块靠近船尾一侧；
出水机构，出水机构包括排水模块；排水模块位于管道模块靠近船尾一侧，且比发电模块更靠近船尾；
具有若干档位的旋转控制机构，旋转控制机构连接船底和管道模块，不同档位对应管道模块与船底不同的夹角。
本发明中，各个模块可根据不同应用场景合并设计使用，完成发电、储能、推进和制动全过程，也可以与柴油机、燃气轮机、燃料电池等不同的化学能原动机进行组合设计。
本发明中，发电模块可采用水力涡轮发电机或其他发电装置。
本发明中，储能模块可采用蓄电池和smes(超导磁储能)，或其他储能装置及其组合。
目前所有船舶都广泛采用蓄电池作为备用电源或主要电源(常规动力潜艇)。以中国《钢质海船入集和建造规范》为例，明确“所有客船和1000吨以上货船应设有应急电源，可采用发电机组、蓄电池或两者兼备。航行在海上的客船，应急电网必须保证在主电网失效时，向应急动力负载、应急照明、无线电通讯和导航连续供电36小时，货船18小时，内河航行1小时”，“以应急电机作为应急电源而又无法自动启动装置的舰船，必须安装蓄电池作为临时应急电网，蓄电池容量应能满足连续供电30分钟。”
目前船上电压180伏的通常设置40个蓄电池，220伏的通常设置80个蓄电池。船用蓄电池分为酸性(铅)蓄电池和碱性(铁镍tn和镉镍gn)蓄电池两种；酸性蓄电池价格便宜、用途较广，被大多数船舶采用，通常以10千时放电电流为标准放电电流；碱性蓄电池具有体积小、机械强度高、工作电压稳定、使用寿命长、易于携带的特点，在船上使用日益增多，以8千时作为标准放电电流；可以作为民用船舶的主要储能模块，对于军用舰艇推荐采用smes作为优选。
smes超导磁储能系统可以长期无损耗储存能量，响应速度可达到几毫秒到几十毫秒，可在短时间输出大量功率，特别适合军舰上的脉冲负荷供电，如激光武器、电磁炮、微波武器、电磁弹射器、电子装甲、反弹道导弹、高能雷达、预警雷达和声纳设备，武器磁场储能装置可达150mw、40mj。
无论民船采用蓄电池或军舰采用smes，能量存储密度都远高于燃油燃气，可大大节约船舱空间。
本发明中，船舶在前进时，船头会劈开海水，海面上的各种漂浮物会按照水动力学规律向左右舷外方向飘离船体，通常不会堵塞船底吸水模块的进水口。船舶在停泊状态时，可以最大功率垂直发电，但此时静止的水面可能会存在塑料垃圾、树枝木板、渔网、渔具、赤潮浒苔、不同海洋生物活体和尸体，海鸟尸体、舰船残骸，甚至油轮泄露的油污。进水口深度可根据海面洁净程度来调整，可调至3米、5米、8米等不同深度。通过滤清模块进行拦截过滤，保持尽量洁净的海水进入管道模块和发电模块；可根据不同船舶不同运行区域，设计成单口进水或多孔进水。入水口大小、深度和倾角都可以通过自动或手动调节，以使进水量最优化、发电量最大化。
在非喷水推进模式下，在加速或者巡航时为减小阻力，也可将0档水平收纳的进水口全部关闭，或只关闭部分管道的进水口。无论何种模式、何种档位，如果出现发电模块故障，也可选择将该故障部分管道的进水口完全关闭。如果进水口也出现故障，可启动隔水模块来关闭进水，以保证安全。
本发明中，管道模块可适应不同深度、不同角度。将吸水模块滤清后的海水，在90度垂直的管道空气中，自由落体以重力加速度落下，将势能通过发电模块转化为电能；或者行驶中水平收纳时，将水流的动能转换为电能；或者在不同倾斜角度行驶中，将水流动能和势能共同转化为电能。可设计成不同形状(方形、圆形、多边形或其他形状)、不同口径(适应不同尺寸的水力涡轮发电机)、不同材料(钛合金、铝合金、镍合金、耐腐蚀铜合金、海洋钢结构等)、不同涂料(海洋防腐涂料，海洋防污涂料，避免管道内壁和外壁被腐蚀或被海洋生物附着)和不同结构设计，以保证管道内壁光滑，减小摩擦阻力，提高水流速和发电效率。
本发明可与其他船舶原动机进行不同组合，也可与蓄电池、磁储能及其他储能设计进行不同组合，也可与吊舱推进、喷水推进、螺旋桨推进、超导电力推进、磁流体、轮缘驱动和其他推进技术进行不同组合。
本发明可采用喷水推进、多级加速，大幅提高船速；还可以对其他船只、岛屿、半岛、港口城市、沿海工厂村落、潜艇、石油钻井平台、水下潜航器、航标浮标、科考观测设备等水面和水下装置进行充电和供电。
根据本发明另一具体实施方式，进水机构进一步包括滤清模块。
本方案中，滤清模块可采用不同孔径、不同材质的单层或多层栅板和隔网。
根据本发明另一具体实施方式，出水机构进一步包括水压反馈模块。
本方案中，排水模块将发电后的海水排出整套设备进入海洋，可使用单向阀、加压仓、离心泵、喷水推进器或其他机电设备；以气压或液压加压方式分批排水，加压强度取决于排水口高低位置处不同的水压；水压反馈模块可以有线或无线方式实时将监测的排水口处水压数据反馈给排水模块的加压控制接口，调整所需的实时排水压力。以300米(潜艇下潜安全深度)计算，加压排水或离心泵排水所消耗的功率只有发电功率(10～50mw)的0.1～0.5％左右；随着深度加深(现有深潜耐压材料抗压强度5～200mpa，70mpa可用于7000米深潜)，涡轮机功率提升，还可进一步降低损耗的功率，总体发电效率可以达到90％以上。
根据本发明另一具体实施方式，旋转控制机构具有6个档位。
根据本发明另一具体实施方式，6个档位及对应的夹角分别为：0档，0度；1档，15度；2档，30度；3档，45度；4档，60度；5档，75度；6档，90度。
本方案中，旋转控制机构可以起到刹车的作用，解决了现有船舶没有类似汽车的刹车系统的问题；管道模块伸入水中时，可以增大阻力，使船较快减速。
档位调整是为了减少设计难度和控制复杂性，也可设计为无挡无级调速。
6档90度垂直时，适用于船舶停泊状态，以最大功率发电。
0档水平收纳时，即可封闭进水口，启动隔水模块进行高速巡航(例如应用案例1)；也可以进水口全开至最大进水量，收起隔水模块，并将发电模块收于船舱内，进行喷射喷水推进，多级加速(应用案例二)；还可以对多层多级阵列中九个不同“轮子”(水力涡轮发电机和喷水推进器)和九个不同“刹车”(管道模块的不同档位、不同倾斜角)；用电脑精确调控不同运行工况下、不同环境中(风浪、战斗、紧急避险、紧急避碰)所需的不同阻力和动力分配，提高操纵性、机动性和安全性，大大缩小转弯半径，减少船舶受损、报废、沉没和人员伤亡的风险，提高军舰灵活性和生存能力。
根据本发明另一具体实施方式，进水机构进一步包括设于管道模块上的隔水模块，其包括若干可开合的隔水板。
根据本发明另一具体实施方式，隔水模块位于管道模块靠近船底一侧。
本方案中，隔水模块的主要作用是为了对舱体和管道模块进行分隔，提高船只在浓雾中突遇来船、浮冰、暗礁、适淹礁、浅滩、飘雷、漂浮物，或在战斗中舰艇被反舰导弹、鱼雷、水雷等武器攻击，或者舰船自身引起的火灾爆炸情况下，提高船舶安全性和抗打击能力。因此在非喷水推进情况下：0档时，隔水模块默认常态是放下隔离的状态；在1档至6档时通常是收纳状态，以免降低管道模块的水流速；而在喷水推进情况下，无论何种档位，隔水模块默认常态是收纳状态，以免降低水流速。非发电模式下通常以进水口大小调节进水量、动力和船速；当进水口故障时，也可通过调节隔水板以不同角度控制进水量和水流速，即隔水模块也可以作为吸水模块的备用进水口。
根据本发明另一具体实施方式，海洋水电动力系统进一步包括用于驱动船舶的推进机构。
目前，世界上有三种主流电力推进系统：轴系推进系统、全方位推进系统和吊舱推进系统。吊舱推进系统pod可以自由转动，并产生任何方向推动力，传动效率最高，结构相对简单，有azipod、crp、ssp、mermaid、dolphin多种类型。
本方案优先选用abb公司的crp-azipod对转型吊舱推进器用于民用船舶，尤其是大型邮轮上，功率范围在20～90mw。由于前后桨转动方向相反，使得尾流旋转损失减少，前螺旋桨产生大的未被利用的涡轮能量在后螺旋桨得到了利用，转化为有效推进力。研究和实船运行表明节能效果可达10～20％，水动力特性、燃油效率、可靠性和冗余度更高。
在军用舰艇上优先推荐喷水推进器，单机功率范围为20～50mw，喷水直径200～325厘米，工作效率高、易于驾驶、吃水浅、速度高，可与排水模块合并设计，实现类似，火箭助推的多级加速，提高战斗力。
本发明技术范围可以采用pod吊舱推进、喷水推进、螺旋桨推进、超导电力推进、磁流体推进、轮缘驱动推进和其他推进方式，及其多种同类和不同类的组合，以满足不同船舶的不同应用场景。
此外，排水模块也可与推进机构合并设计，如喷水推进器，系统总体能量效率会更高。
根据本发明另一具体实施方式，海洋水电动力系统进一步包括用于对外传输电能的输电机构。
输电机构可调节输出不同的电压和电流，将清洁可再生的海洋水电通过发电模块或储能模块直接或间接对舰队、运输船队中采用传统热机设计、尚未进行冷机改装的船只或其他独立船只进行充电，提高船队团队作战能力。
作为海上高速移动能量源，可以起到类似空中加油机作用，不仅可以对上述船只，还可以对石油平台、钻井平台、深海fpso、潜艇、无人艇、水下潜航器、水下机器人、海洋牧场、灯塔、航标、浮标、潜标装置，科考调查设备、水文气象地质观测设备、海洋生态监测设备进行充电，延长续航里程和工作寿命，并且还可以对远洋和近海的岛屿和半岛、港口城市，沿海工厂和村庄进行临时或应急供电。
根据本发明另一具体实施方式，发电模块为水力涡轮发电机。
目前，水力涡轮发电机技术成熟、稳定可靠。随着近几十年潮流能、潮汐能波浪能技术发展，浸泡在海水中的水力涡轮发电机在结构设计、材料设计、防腐防污设计上日趋完善，可根据不同船舶选择功率不同、尺寸不同的水力涡轮机。
本方案优先选用无浸泡式或少浸泡式，不建议采用全浸泡式或多浸泡式，以提高转速，减少水阻和腐蚀，提高能量转换效率；既可采用有轴涡轮机设计，也可采用无轴设计(由固定外部环和内部旋转盘组成)；既可采用全贯流式，也可以采用灯泡贯流式；既可采用单涡轮机设计，也可采用涡轮水平阵列、垂直阵列、混合阵列、多层多级阵列，适应不同应用场景。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
1、将海水重力跌落的势能通过水力涡轮发电机转换为电能，或将船舶前进时海水后退的动能通过水力发电机转化为电能，来作为船舶动力来源；无需消耗燃油燃气，大大提高了经济性，低振动和低噪声也提高了船舶的环境舒适性；
2、用水力涡轮发电机冷机设计代替传统主流热机设计，将船舶发电效率大大提升；同时缩短能量传递链条至两级，水力势能和动能-电能-机械能，整体系统总效率大大提高；
3、废气废油和废燃料零排放，对海洋生态、水动力环境和大气层零污染；
4、在停泊、加速、匀速巡航、减速、制动时全程可发电，改变了只能通过螺旋桨反转的耗能方式减速的历史；
5、通过船底形变来精确控制左舷、右舷、船首、船尾不同方向和位置的阻力和动力分配，调整航速航向，起到类似汽车刹车系统的作用，大大缩小转弯半径，显著提高操纵性、机动性和安全性；
6、船底形变显著降低船体重心，增强抗风浪能力，预防翻船和沉没。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是实施例1的侧视图；
图2为实施例1的俯视图；
图3为实施例2的侧视图；
图4为实施例2的俯视图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种安装在船舶底部的重力落差海洋水电动力系统，如图1和2所示，其包括进水机构1、电力机构2、出水机构3、旋转控制机构4、推进机构5和输电机构(图中未显示)。
其中，进水机构1包括吸水模块101，可伸缩、可旋转的管道模块102，滤清模块(图中未显示)和隔水模块103；吸水模块101位于管道模块102靠近船首一侧；滤清模块采用多层栅板和隔网；隔水模块103设于管道模块102上，其包括若干可开合的隔水板；隔水模块103位于管道模块102靠近船底一侧。
电力机构2包括发电模块201和储能模块(图中未显示)；发电模块201位于管道模块102靠近船尾一侧，其为水力涡轮发电机。
出水机构3包括排水模块301和水压反馈模块(图中未显示)；排水模块301位于管道模块102靠近船尾一侧，且比发电模块201更靠近船尾。
旋转控制机构4连接船底和管道模块102，其具有6个档位，不同档位对应管道模块102与船底不同的夹角；各个档位及对应的夹角分别为：0档，0度；1档，15度；2档，30度；3档，45度；4档，60度；5档，75度；6档，90度。
推进机构5用于驱动船舶，其为吊舱推进器。
输电机构用于对外传输电能。
本实施例中，三个海洋水电动力系统并联放置，组成一个动力包。
实施例2
如图3和4所示，本实施例与实施例1的区别在于：三个动力包串联放置，前方排水模块喷出的高速水流可以直接作为后方吸水模块的进水，提高发电效率。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：排水模块与推进机构合并设计(如喷水推进器)，系统总体能量效率会更高。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。
1.一种安装在船舶底部的重力落差海洋水电动力系统，其中，所述海洋水电动力系统包括：
进水机构，所述进水机构包括吸水模块和可伸缩、可旋转的管道模块，所述吸水模块位于所述管道模块靠近船首一侧；
电力机构，所述电力机构包括发电模块和储能模块，所述发电模块位于所述管道模块靠近船尾一侧；
出水机构，所述出水机构包括排水模块；所述排水模块位于所述管道模块靠近船尾一侧，且比所述发电模块更靠近船尾；
具有若干档位的旋转控制机构，所述旋转控制机构连接所述船底和所述管道模块，不同档位对应所述管道模块与船底不同的夹角。
2.如权利要求1所述的海洋水电动力系统，其中，所述进水机构进一步包括滤清模块。
3.如权利要求1所述的海洋水电动力系统，其中，所述出水机构进一步包括水压反馈模块。
4.如权利要求1所述的海洋水电动力系统，其中，所述旋转控制机构具有6个档位。
5.如权利要求4所述的海洋水电动力系统，其中，所述6个档位及对应的夹角分别为：0档，0度；1档，15度；2档，30度；3档，45度；4档，60度；5档，75度；6档，90度。
6.如权利要求1所述的海洋水电动力系统，其中，所述进水机构进一步包括设于所述管道模块上的隔水模块，其包括若干可开合的隔水板。
7.如权利要求6所述的海洋水电动力系统，其中，所述隔水模块位于所述管道模块靠近船底一侧。
8.如权利要求1所述的海洋水电动力系统，其中，所述海洋水电动力系统进一步包括用于驱动船舶的推进机构。
9.如权利要求1所述的海洋水电动力系统，其中，所述海洋水电动力系统进一步包括用于对外传输电能的输电机构。
10.如权利要求1所述的海洋水电动力系统，其中，所述发电模块为水力涡轮发电机。
技术总结