一种以全钒液流电池为动力的运输船舶及其运行方法与流程
1.本发明涉及水路运输电力推动船舶的技术领域，尤其涉及一种以全钒液流电池为动力的运输船舶，同时还涉及一种以全钒液流电池为动力的运输船舶的运行方法。
背景技术：
2.物流运输是社会经济发展的重要基础，水路运输在五大运输方式中，因成本低、能耗少、污染小而具有明显优势。我国内河航道通航总里程已达到12.63万千米，内河运输量以年均10％以上的速度递增，但是，目前运输船舶绝大多数以柴油发动机为动力，其噪声和污染等已严重影响到水生态系统和水生生物多样性保护。
3.以长江为代表的内河航运，应逐步实现“安静长江、电动长江”的生态友好型航运目标。因此，需要一种以全钒液流电池为动力的运输船舶替代燃油动力运输船舶，使之成为内河运输的新一代主体运载工具。
技术实现要素：
4.基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种全钒液流电池为动力的运输船舶充电系统及运行方法，目的在于替代燃油动力运输船舶，解决其运输效率低、噪声和水污染严重的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明技术方案的一种以全钒液流电池为动力的运输船舶(以下称钒电动船舶)，以全钒液流电池(以下称钒电池)为电源，采用中心电站供电方式，向船舶配电柜及电网供电，启动交流电机(异步电机、同步电机、永磁电机，下同)，带动驱动螺旋桨旋转推动船舶正常行驶。
7.本发明的以全钒液流电池为动力的运输船舶，包括：船舶电网和推进系统，向钒电动船舶中的用电装置输送电能、传输动力，推动钒电动船舶正常行驶；钒电池，包括布置在船尾的电池堆体、布置在所述电池堆体下方的船舱的正极循环泵和负极循环泵、布置在船舱中部的正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组，所述正极循环泵和负极循环泵分别与正极钒电解液槽组、负极钒电解液槽组和电池堆体连通；所述正极循环泵和负极循环泵分别将正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的储能钒电解液压入所述电池堆体的正极和负极半电池与正极和负极钒电解液槽组形成的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能向所述船舶电网和推进系统供电，推动钒电动船舶正常行驶；钒电解液更换装置，与所述钒电池的正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组连接，用于输出正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的空白钒电解液，接收储能钒电解液并输入到正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中。
8.由上，钒电池的电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子电解液中，通过外接泵把钒电解液压入电池堆体内，使其分别在正极和负极钒电解液槽、正极和负极半电池的闭合回路中循环流动，从而使得储存在钒电解液中的化学能转换成电能；这个反应过程可
逆，使钒电池能顺利完成充电、放电和再充电。船舶电网和推进系统，向船舶中的用电装置输送电能，传输动力，推动钒电动船舶正常行驶；钒电解液更换装置，输出船舶正极和负极钒电解液槽组中的空白钒电解液(荷电状态趋于零的正极或负极钒电解液)，接收储能钒电解液(荷电状态趋于100％的正极或负极钒电解液)输入到船舶钒电解液槽组。
9.进一步的，所述正极钒电解液槽组包括正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽 ii，所述负极钒电解液槽组包括负极钒电解液槽i、负极钒电解液槽ii；所述钒电池还包括正极循环输入阀门ii、正极循环输入阀门i、正极循环泵阀门、负极循环泵阀门、负极循环输入阀门i、负极循环输入阀门ii、正极输出阀门i、正极输出阀门ii、负极输出阀门i和负极输出阀门ii；当所述钒电池处于供电状态时，正极输出泵阀门和负极输出泵阀门关闭，正极循环泵阀门和负极循环泵阀门开启，正极输出阀门i、负极输出阀门i、正极循环输入阀门i、负极循环输入阀门 i处于关闭状态；正极循环输入阀门ii，负极循环输入阀门ii，正极输出阀门ii 和负极输出阀门ii处于开启状态；所述正极循环泵和负极循环泵分别将正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽ii中的钒电解液压入电池堆体的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能向配电柜及电网供电，推动钒电动船舶正常行驶；当正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽ii中的储能钒电解液的荷电状态逐渐到趋于零时，正极输出阀门i、负极输出阀门i、正极循环输入阀门i和负极循环输入阀门i自动开启，正极输出阀门ii、负极输出阀门ii、正极循环输入阀门ii和负极循环输入阀门ii自动关闭，正极循环泵和负极循环泵分别转向将正极钒电解液槽i和负极钒电解液槽i中的储能钒电解液压入电池堆体的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能，继续向配电柜及电网供电，直到正极钒电解液槽i和负极钒电解液槽i中的储能钒电解液的荷电状态趋于零时，钒电动船舶靠港充电。
10.优选的，所述钒电解液更换装置包括正极输出泵，正极输出接头，正极输入接口，正极输出泵阀门，正极输入阀门i，正极输出阀门i，正极输入阀门ii，正极输出阀门ii，负极输出泵，负极输出接头，负极输出泵阀门，负极输入接口，负极输出阀门i，负极输入阀门i，负极输入阀门ii，负极输出阀门ii；所述正极输出泵和负极输出泵布置在船首舱底，所述正极输入接口、正极输出接头设立在船首上甲板靠近左船舷，所述负极输入接口、负极输出接头设立在船首上甲板靠近右船舷；所述正极输出泵和负极输出泵分别与正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽i、负极钒电解液槽ii连通，将空白钒电解液输出到船体外部的钒电池充电系统；所述正极输入接口和负极输入接口分别与正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽i、负极钒电解液槽ii连通，接收钒电池充电系统输送来的储能钒电解液，并分别输入到正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii、负极钒电解液槽i和负极钒电解液槽ii；各个阀门将依据控制程序自动开启和关闭，保证输出和输入正常进行。
11.优选的，所述船舶电网和推进系统包括驾驶及控制室，驾驶操作台，控制柜及线路，船舶充电接口，配电柜及电网，驱动螺旋桨，交流电机，船体，所述驾驶及控制室布置在船尾上甲板，所述船舶充电接口，配电柜及电网，控制柜及线路和驾驶操作台均设置在驾驶及控制室内，所述交流电机和驱动螺旋桨布置在船尾舱底，通过驾驶操作台操纵交流电机及驱动螺旋桨，保证船舶正常行驶。
12.由上，钒电动船舶以钒电池为动力电源，向船舶配电柜及电网供电，经驾驶操作台操纵，启动交流电机带动驱动螺旋桨旋转，推动钒电动船舶正常行驶。钒电动船舶在行驶中，钒电池不断地循环流动储能钒电解液，将其中储存的化学能转换成电能向船舶配电柜
及电网供电，当正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽 ii中的储能钒电解液的荷电状态逐渐到趋于零时，钒电池自动转换到正极钒电解液槽i和负极钒电解液槽i，循环流动其中的储能钒电解液，继续向船舶配电柜及电网供电；当正极钒电解液槽i和负极钒电解液槽i中的储能钒电解液的荷电状态逐渐到趋于零时，钒电池需要充电。钒电池充电有两种方式：第一种方式是钒电动船舶与钒电池充电系统的充电电源输出接头连接，由电网通过充电电源配电柜向船舶钒电池充电，一次充电8～10小时，船舶中钒电解液的荷电状态趋于 100％；第二种方式是将钒电动船舶中的空白钒电解液输出，再输入钒电池充电系统的储能钒电解液，一次更换钒电解液(充电)需20～30分钟，船舶中储能钒电解液的荷电状态趋于100％；两种充电方式都可以使船舶中的钒电解液的荷电状态趋于100％，保证钒电池正常供电及钒电动船舶正常行驶。
13.钒电池将储能钒电解液中的化学能转换为电能向船舶电网供电，推动船舶正常行驶
‑‑
钒电解液的荷电状态趋于零
‑‑
充电到钒电解液的荷电状态趋于100％
‑‑ꢀ
再次推动船舶正常行驶，如此循环往复，保证钒电动船舶正常行驶。
14.本发明充分利用钒电池的电池堆体与钒电解液分别独立设计和钒电池的能量储存在钒电解液中的特性，做了两项独特的创新设计。
15.一是在钒电动船舶中设立了两组(正极+负极为一组，也可以多组)钒电解液槽。当一组钒电解液槽中的储能钒电解液在闭合回路中循环流动到其荷电状态趋于零时，钒电池自动在闭合回路中循环流动另一组钒电解液槽中的储能钒电解液，继续正常向船舶电网供电，这种设计将钒电动船舶续航时间由4～5小时增加到9～10小时，增加续航时间2倍以上。
16.二是在钒电动船舶中设立钒电解液更换装置。将船舶钒电池的充电“外包”，由钒电池充电系统负责钒电动船舶输出的空白钒电解液充电并储存储能钒电解液。钒电解液更换装置在钒电池需要充电时，首先将船舶中的空白钒电解液输出到钒电池充电系统，清空钒电解液槽组，然后接收钒电池充电系统的储能钒电解液，并输入到已清空的钒电解液槽组，钒电解液槽组中的储能钒电解液的荷电状态趋于100％，实现钒电池充电。本发明的这种充电方式将船舶钒电池一次充电时间由8～10小时(或更长时间)缩短到20～30分钟，提高充电效率平均30倍。
17.本发明还提供了以全钒液流电池为动力的运输船舶的运行方法，其正常运行包括如下步骤：
18.步骤一：将钒电动船舶的正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii、负极钒电解液槽i、负极钒电解液槽ii中的钒电解液充电为荷电状态趋于100％的储能钒电解液，做好出航的各项准备工作，确定本次航行的启航时间；
19.步骤二：钒电动船舶驾驶人员按规定将本次航行的主要参数录入所行驶航程专用航道互联网，得到本次航程计划；
20.步骤三：按航程计划，驾驶人员启动驾驶操作台，开启钒电池工作按钮，启动交流电机带动驱动螺旋桨旋转，钒电动船舶启航，按本次航程计划驶向运输目的港口；
21.步骤四：钒电动船舶在行驶途中，驾驶人员依据驾驶操作台显示信息行驶，港口通过航道互联网系统适时掌握钒电动船舶的行驶状态；
22.步骤五：钒电动船舶依据航程计划靠港卸货，在卸货的同时，驾驶人员依据驾驶操作台显示的充电方式采用第一种充电方式的流程操作充电，首先将船舶充电接口与钒电池
充电系统的充电电源输出接头联接，开启驾驶操作台钒电池充电按钮，启动船舶钒电池充电；
23.步骤六：完成港口卸货作业时，关闭驾驶操作台钒电池充电按钮，断开船舶充电接口与钒电池充电系统的充电电源输出接头的联接，关闭驾驶操作台钒电池充电按钮，结束钒电池充电，开启钒电池工作按钮，钒电动船舶按航程计划继续航行；
24.步骤七：当钒电动船舶在尚未到达卸货港口的行驶途中显示需要充电时，钒电动船舶停靠钒电池充电系统进行充电；驾驶人员依据驾驶操作台显示的充电方式采用第二种充电方式的流程操作充电，其流程为：
25.第一步：关闭驾驶操作台钒电池工作按钮，钒电池停止工作；
26.第二步：将船舶充电接口与钒电池充电系统的充电电源输出接头联接，开启钒电池充电系统向配电柜及电网供电；同时，驾驶操作台的控制系统与钒电池充电系统的储能钒电解液输出装置自动联通；
27.第三步：将船舶正极输出接头和船舶负极输出接头分别与钒电池充电系统相应输入接口连通，再将船舶正极输入接口和负极输入接口与钒电池充电系统的储能钒电解液的相应输出接头连通；
28.第四步：开启驾驶操作台更换钒电解液按钮，启动自动控制更换钒电解液模式，钒电池处于更换钒电解液模式时，正极输出泵阀门和负极输出泵阀门开启，正极循环泵阀门和负极循环泵阀门关闭。正极输出阀门i和正极输入阀门i处于开启状态，正极输出阀门ii和正极输入阀门ii处于关闭状态；正极输出泵向钒电池充电系统输出正极钒电解液槽i中的正极空白钒电解液；当正极钒电解液槽 i被清空时，正极输出阀门i自动关闭，正极输出阀门ii自动开启，正极输出泵向钒电池充电系统输出正极钒电解液槽ii中的正极空白钒电解液；同时，驾驶操作台指令钒电池充电系统自动向正极钒电解液槽i中输入正极储能钒电解液；当正极钒电解液槽ii被清空，正极储能钒电解液充满正极钒电解液槽i时，正极输出阀门ii、正极输入阀门i自动关闭，正极输入阀门ii自动开启，钒电池充电系统自动向正极钒电解液槽ii中输入正极储能钒电解液，直到正极钒电解液槽 ii中充满正极储能钒电解液，正极钒电解液槽组更换储能钒电解液结束；正极输出泵自动关闭，正极输入阀门、正极输出阀门全部自动关闭；船舶负极钒电解液槽组在船舶正极钒电解液槽组更换储能钒电解液时，同步自动进行负极钒电解液更换，与船舶正极钒电解液槽组同时完成更换负极储能钒电解液；此时，船舶正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的储能钒电解液的荷电状态趋于100％，完成钒电池充电；
29.第五步：将船舶正极输出接头和船舶负极输出接头分别与钒电池充电系统输入接口断开，再将船舶正极输入接口和负极输入接口与钒电池充电系统的储能钒电解液输出接头断开；
30.第六步：将船舶充电接口与钒电池充电系统的充电电源输出接头断开，充电完毕，关闭驾驶操作台更换钒电解液按钮，开启驾驶操作台钒电池工作按钮，钒电池正常工作；
31.步骤八：船舶按行程计划离开钒电池充电系统正常行驶；
32.步骤九：钒电动船舶依据航程计划再次靠港卸货，在卸货的同时，驾驶人员依据驾驶操作台显示的充电方式采用第二种充电方式的流程操作充电，重复步骤七中的第一步到第六步；
33.步骤十：船舶卸货结束，按行程计划离开港口正常行驶；
34.步骤十一：重复步骤五、步骤六、步骤七、步骤八、步骤九、步骤十直到钒电动船舶行驶到终点港口，完成一个货物运输过程。
35.与传统的充电系统相比，本发明的有益效果是：
36.1、大幅度降低燃油发动机船舶产生的噪声污染和水环境污染，特别是水下噪声污染减幅可达95％，有望实现国家“安静长江”的目标。
37.2、钒电动船舶无需动力传动系统和调速齿轮箱，振动小，船舶布置安装设计灵活。钒电池可以深充深放，动力性好，易于获得理想的拖动特性，可在最佳转速下运行，提高船舶的技术经济性能。钒电动船舶由驾驶室直接操作，操纵灵活，机动性好，应付紧急状态能力强，可以降低船舶事故率，大幅提高运输船舶的效率。
38.3、基本杜绝燃油船舶空气污染和碳排放。
39.4、与燃油运输船舶相比，钒电动运输船舶吨公里电费比燃油运输船吨公里油费降低15％～30％，进一步提高水运的竞争优势。
40.5、在钒电动船舶中设立了钒电解液更换装置，可以采取将空白钒电解液更换为储能钒电解液的方式充电，一次充电(更换钒电解液)时间仅需20～30分钟。液体形态的钒电解液方便储存和输送，极大地提高了钒电动船舶作为水运装备运行的可行性和便利性。可以解决目前锂电池充电(或更换电池)不便，电动船舶推广难的问题。
41.6、充分利用钒电池的电池堆体与钒电解液分别独立设计的特性，可以根据船舶使用和/或不同船舶种类(如轮渡，巡航，游轮)在一艘钒电动船舶中，设立两组或多组钒电解液槽，延长钒电动船舶的续航时间，最大限度的满足船舶使用需要，提高船舶运输效率。
42.7、钒电池寿命周期长，可达25～30年，其使用寿命是燃油发动机的3倍，正常维修费用仅为燃油发动机的十分之一，且钒电解液在运行中不损耗，可以长期使用。因此，钒电动船舶全寿命周期运行成本低于燃油发动机，且仅为锂电池动力船舶的三分之一。
43.8、钒电动船舶运行过程安全，没有其他化学电池存在的燃烧爆炸隐患。
附图说明
44.图1为本发明的钒电动船舶的结构示意图；
45.图2为本发明的钒电池的结构示意图；
46.图3为本发明的船舶电网和推进系统的结构示意图；
47.图4为本发明的钒电解液更换装置的结构示意图。
48.附图标记：
49.1、钒电池，11、电池堆体，12、正极钒电解液槽ii，13、正极循环输入阀门ii，14、正极循环输入阀门i，15、正极钒电解液槽i，16、正极循环泵阀门，17、正极循环泵，18、负极循环泵，19、负极循环泵阀门，110、负极钒电解液槽i，111、负极循环输入阀门i，112、负极循环输入阀门ii，113、负极钒电解液槽ii；
50.2、船舶电网和推进系统，21、驾驶及控制室，22、驾驶操作台，23、控制柜及线路，24、船舶充电接口，25、配电柜及电网，26、驱动螺旋桨，27、交流电机，28、船体；
51.3、钒电解液更换装置，31、正极输出泵，32、正极输出接头，33、正极输出泵阀门，34、正极输入接口，35、正极输入阀门i，36、正极输出阀门i，37、正极输入阀门ii，38、正极输
出阀门ii，39、负极输出泵，310、负极输出接头， 311、负极输出泵阀门，312、负极输入接口，313、负极输出阀门i，314、负极输入阀门i，315、负极输入阀门ii，316、负极输出阀门ii。
具体实施方式
52.参照图1至图4对本发明的以全钒液流电池为动力的运输船舶及其运行方法进行介绍：
53.本发明的以全钒液流电池为动力的运输船舶用于水路运输，主要由钒电池 1，船舶电网和推进系统2和钒电解液更换装置3组成。
54.船舶电网和推进系统2向钒电动船舶中的用电装置输送电能、传输动力，推动钒电动船舶正常行驶。钒电池1将化学能转换为电能向船舶电网和推进系统2 供电，推动钒电动船舶正常行驶。钒电解液更换装置3与钒电池1连接，用于输出正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的空白钒电解液，并接收储能钒电解液输入到正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组。其中，正极钒电解液槽组包括正极钒电解液槽i15、正极钒电解液槽ii12，负极钒电解液槽组包括负极钒电解液槽i110、负极钒电解液槽ii113。
55.钒电池1包括电池堆体11，正极钒电解液槽ii12，正极循环输入阀门ii 13，正极循环输入阀门i14，正极钒电解液槽i15，正极循环泵阀门16，正极循环泵 17，负极循环泵18，负极循环泵阀门19，负极钒电解液槽i110，负极循环输入阀门i111，负极循环输入阀门ii112，负极钒电解液槽ii113；正极输出阀门i36、正极输出阀门ii38、负极输出阀门i313和负极输出阀门ii316与钒电解液更换装置共用。电池堆体11布置在船尾，正极循环泵17和负极循环泵18布置在电池堆体11下方的船舱，正极钒电解液槽i15、正极钒电解液槽ii12、负极钒电解液槽i110和负极钒电解液槽ii112布置在船舱中部。正极循环泵17和负极循环泵18分别与正极钒电解液槽i15、正极钒电解液槽ii12、负极钒电解液槽i110、负极钒电解液槽ii112和电池堆体11连通，当正极输出阀门i 36、负极输出阀门i 313、正极循环输入阀门i14、负极循环输入阀门i 111处于关闭状态；正极循环泵阀门16、负极循环泵阀门19、正极循环输入阀门ii 13，负极循环输入阀门ii112，正极输出阀门ii 38和负极输出阀门ii 316处于开启状态；正极循环泵17和负极循环泵18分别将正极钒电解液槽ii 12和负极钒电解液槽 ii 113中的钒电解液压入电池堆体11的正极和负极半电池与正极和负极钒电解液槽形成的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能向配电柜及电网25供电，推动钒电动船舶正常行驶。当正极钒电解液槽ii12和负极钒电解液槽ii113中的储能钒电解液的荷电状态逐渐到趋于零时，正极输出阀门i36、负极输出阀门 i 313、正极循环输入阀门i14和负极循环输入阀门i111自动开启，正极输出阀门ii 38、负极输出阀门ii 316、正极循环输入阀门ii13和负极循环输入阀门 ii112自动关闭，正极循环泵17和负极循环泵18分别转向将正极钒电解液槽i15 和负极钒电解液槽i110中的储能钒电解液压入电池堆体11的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能，继续向配电柜及电网25供电，直到正极钒电解液槽 i15和负极钒电解液槽i110中的储能钒电解液的荷电状态趋于零时，钒电动船舶靠港充电。
56.船舶电网和推进系统2包括驾驶及控制室21，驾驶操作台22，控制柜及线路23，船舶充电接口24，配电柜及电网25，驱动螺旋桨26，交流电机27，船体28。驾驶及控制室2布置在船尾上甲板，控制柜及线路23，船舶充电接口24，配电柜及电网25和驾驶操作台22均设置在驾驶及控制室21内，交流电机27 和驱动螺旋桨26布置在船尾舱底。驾驶人员通过驾驶操
作台22操纵交流电机 27及驱动螺旋桨26，保证船舶正常行驶。
57.钒电解液更换装置3包括正极输出泵31，正极输出接头32，正极输入接口 33，正极输出泵阀门34，正极输入阀门i 35，正极输出阀门i 36，正极输入阀门ii 37，正极输出阀门ii 38，负极输出泵39，负极输出接头310，负极输出泵阀门311，负极输入接口312，负极输出阀门i 313，负极输入阀门i 314，负极输入阀门ii315，负极输出阀门ii 316。正极输出泵31和负极输出泵39布置在船首舱底，正极输入接口33、正极输出接头32设立在船首上甲板靠近左船舷，负极输入接口312，负极输出接头310设立在船首上甲板靠近右船舷。正极输出泵31与正极钒电解液槽i15、正极钒电解液槽ii12连通，可以将正极空白钒电解液输出到船体外部的钒电池充电系统；负极输出泵39与负极钒电解液槽i110、负极钒电解液槽ii 113连通，可以将负极空白钒电解液输出到船体外部的钒电池充电系统；正极输入接口33与正极钒电解液槽i15、正极钒电解液槽ii 12 连通，可以接收钒电池充电系统输送来的正极储能钒电解液，并输入到正极钒电解液槽i 15、正极钒电解液槽ii 12；负极输入接口312与负极钒电解液槽i 110、负极钒电解液槽ii 113连通，可以接收钒电池充电系统输送来的负极储能钒电解液，并输入到负极钒电解液槽i 110和负极钒电解液槽ii 113；各个阀门将依据控制程序自动开启和关闭，保证输出和输入正常进行。这样，钒电动船舶中的空白钒电解液被更换为储能钒电解液，达到给钒电池充电的目的。
58.钒电动船舶以钒电池1为动力电源，向船舶配电柜及电网25供电，经驾驶操作台22操纵，启动交流电机27带动驱动螺旋桨26旋转，推动钒电动船舶正常行驶。钒电动船舶在行驶中，钒电池1在闭合回路循环流动中不断地将储能钒电解液中储存的化学能转换成电能向船舶配电柜及电网25供电，当正极钒电解液槽ii12和负极钒电解液槽ii113中的钒电解液在闭合回路循环流动中的荷电状态趋于零时，钒电池1自动转换到闭合回路循环流动正极钒电解液槽i15和负极钒电解液槽i 110中的储能钒电解液。当正极钒电解液槽i15和负极钒电解液槽i 110中的储能钒电解液的荷电状态趋于零时，钒电池1需要充电。钒电池1 充电有两种方式：第一种是钒电动船舶与钒电池充电系统的充电电源输出接头连接，由电网通过充电电源配电柜向船舶钒电池充电，一次充电8～10小时，船舶中储能钒电解液的荷电状态趋于100％；第二种是将钒电动船舶中的空白钒电解液输出，再输入钒电池充电系统的储能钒电解液，一次更换钒电解液(充电)需 20～30分钟，船舶中储能钒电解液的荷电状态趋于100％；两种充电方式都可以使船舶中的储能钒电解液的荷电状态趋于100％，保证钒电池1正常供电及钒电动船舶正常行驶。
59.钒电池1将储能钒电解液中的化学能转换为电能向船舶配电柜及电网25供电，推动船舶正常行驶
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钒电解液的荷电状态趋于零
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充电到钒电解液的荷电状态趋于100％
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再次推动船舶正常行驶，如此循环往复，保证钒电动船舶正常行驶。
60.本发明在钒电动船舶中设立了两组(正极+负极为一组，也可以多组)钒电解液槽。当一组钒电解液槽中在闭合回路循环流动的储能钒电解液的荷电状态趋于零时，自动转向在闭合回路循环流动另一组储能钒电解液槽中的储能钒电解液，继续正常向船舶配电柜及电网25供电，这种设计将钒电动船舶续航时间由 4～5小时增加到9～10小时或更长，续航时间增加2倍以上，显著提高了钒电动船舶技术经济性。
61.本发明在钒电动船舶中设置钒电解液更换装置3，将船舶钒电池1的空白钒电解液输送到专项设置的钒电池充电系统，由该系统的钒电池向空白钒电解液充电，并将充电后
的储能钒电解液存储备用。钒电解液更换装置3在钒电池1需要充电时，首先输出船舶中的空白钒电解液到钒电池充电系统，清空钒电解液槽组，然后接收钒电池充电系统的储能钒电解液，并输入到已清空的钒电解液槽组。这样，船舶中储能钒电解液的荷电状态趋于100％，实现钒电池1充电。本发明的这种充电方式将船舶钒电池1一次充电时间由8～10小时缩短到20～30分钟，将充电效率平均提高30倍，极大地提高了钒电动船舶的实用性，使大量推广使用钒电动船舶替代燃油船舶成为可能。
62.本发明为钒电动船舶设立了两种充电方式，钒电动船舶可以依据自身需要，灵活选择充电方式。
63.1)当钒电动船舶靠港时间长(8小时及以上)，可选择第一种方式充电；
64.2)当钒电动船舶需要快速充电，可选择第二种方式充电；
65.3)当钒电动船舶靠港卸货时，无论靠港时间长短，都可以选择第一种方式给钒电池充电，补充钒电池的化学能，增加离港后钒电动船舶的续航时长。
66.本发明的以全钒液流电池为动力的运输船舶，其正常行驶步骤为：
67.步骤一：保持钒电动船舶的正极钒电解液槽i15、正极钒电解液槽ii12、负极钒电解液槽i110、负极钒电解液槽ii113中的储能钒电解液的荷电状态趋于 100％，做好出航的各项准备工作，确定本次航行的启航时间。
68.步骤二：钒电动船舶驾驶人员按规定将本次航行的主要参数(如启航时间、载货量、中途卸货港口、中途充电港口、中途卸货港口停靠时长、到达终点港口日期等)录入所行驶航程专用航行互联网，得到本次航程计划。
69.步骤三：按航程计划，驾驶人员启动驾驶操作台22，开启钒电池工作按钮，启动交流电机27带动驱动螺旋桨26旋转，钒电动船舶启航，按本次航程计划驶向运输目的港口。
70.步骤四：钒电动船舶在行驶途中，驾驶人员依据驾驶操作台22显示信息行驶，港口通过航道互联网系统适时掌握钒电动船舶的行驶状态。
71.步骤五：钒电动船舶依据航程计划靠港卸货。在卸货的同时，驾驶人员依据驾驶操作台22显示的充电方式采用第一种方式的流程操作充电，首先将船舶充电接口24与钒电池充电系统的充电电源输出接头联接，开启驾驶操作台22的钒电池充电按钮，启动船舶钒电池充电。
72.步骤六：完成港口卸货作业时，关闭驾驶操作台22的钒电池充电按钮，断开船舶充电接口24与钒电池充电系统的充电电源输出接头的联接，关闭驾驶操作台钒电池充电按钮，结束钒电池1充电，开启钒电池工作按钮，钒电动船舶按航程计划继续航行。
73.步骤七：当钒电动船舶在尚未到达卸货港口的行驶途中显示需要充电时，钒电动船舶依靠钒电池充电系统进行充电。驾驶人员依据驾驶操作台22显示的充电方式采用第二种充电方式的流程操作充电，其流程为：
74.第一步：关闭驾驶操作台22的钒电池工作按钮，钒电池1停止工作。
75.第二步：将船舶充电接口24与钒电池充电系统的充电电源输出接头联接，开启钒电池充电系统向船舶配电柜及电网25供电。同时，驾驶操作台22的控制系统与钒电池充电系统的储能钒电解液输出装置自动联通。
76.第三步：将船舶正极输出接头32和船舶负极输出接头310分别与钒电池充电系统相应输入接口联通，再将船舶正极输入接口33和负极输入接口312与钒电池充电系统的储
能钒电解液的相应输出接头联通。
77.第四步：开启驾驶操作台22的更换钒电解液按钮，启动自动控制更换钒电解液模式，钒电池处于更换钒电解液模式时，正极输出泵阀门34和负极输出泵阀门311开启，正极循环泵阀门16和负极循环泵阀门19关闭。正极输出阀门 i36和正极输入阀门i35处于开启状态，正极输出阀门ii38和正极输入阀门ii37 处于关闭状态；正极输出泵31向钒电池充电系统输出正极钒电解液槽i15中的正极空白钒电解液。当正极钒电解液槽i15被清空时，正极输出阀门i36自动关闭，正极输出阀门ii 38自动开启，正极输出泵31向钒电池充电系统输出正极钒电解液槽ii12中的正极空白钒电解液。同时，驾驶操作台22指令钒电池充电系统自动向正极钒电解液槽i15中输入正极储能钒电解液。当正极钒电解液槽 ii12被清空，正极储能钒电解液充满正极钒电解液槽i15时，正极输出阀门ii 38、正极输入阀门i 35自动关闭，正极输入阀门ii 37自动开启，钒电池充电系统自动向正极钒电解液槽ii12中输入正极储能钒电解液，直到正极钒电解液槽ii 12中充满正极储能钒电解液，正极钒电解液槽组更换钒电解液结束。正极输出泵31自动关闭，正极输入阀门、正极输出阀门全部自动关闭。船舶负极钒电解液槽组在船舶正极钒电解液槽组更换储能钒电解液时，同步自动进行负极钒电解液更换，与船舶正极钒电解液槽组同时完成更换负极储能钒电解液。此时，船舶正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中储能钒电解液的荷电状态趋于 100％，完成钒电池1充电。
78.第五步：将船舶正极输出接头32和船舶负极输出接头310分别与钒电池充电系统输入接口断开，再将船舶正极输入接口33和负极输入接口312与钒电池充电系统的储能钒电解液输出接头断开。
79.第六步：将船舶充电接口24与钒电池充电系统的充电电源输出接头断开，充电完毕。关闭驾驶操作台更换钒电解液按钮，开启驾驶操作台22的钒电池工作按钮，钒电池1正常工作。
80.步骤八：船舶按行程计划离开钒电池充电系统正常行驶。
81.步骤九：钒电动船舶依据航程计划再次靠港卸货。在卸货的同时，驾驶人员依据驾驶操作台22显示的充电方式采用第二种方式的流程操作充电，重复步骤七中的第一步到第六步，钒电动船舶完成充电。
82.步骤十：船舶按行程计划离开港口正常行驶。
83.步骤十一：重复步骤五、步骤六、步骤七、步骤八、步骤九、步骤十直到钒电动船舶行驶到终点港口，完成一个货物运输过程。
84.以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。
技术特征：
1.一种以全钒液流电池为动力的运输船舶，其特征在于，包括：船舶电网和推进系统，向钒电动船舶中的用电装置输送电能、传输动力，推动钒电动船舶正常行驶；钒电池，包括布置在船尾的电池堆体、布置在所述电池堆体下方的船舱的正极循环泵和负极循环泵、布置在船舱中部的正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组，所述正极循环泵和负极循环泵分别与正极钒电解液槽组、负极钒电解液槽组和电池堆体连通；所述正极循环泵和负极循环泵分别将正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的储能钒电解液压入所述电池堆体的正极和负极半电池与正极和负极钒电解液槽组形成的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能向所述船舶电网和推进系统供电，推动钒电动船舶正常行驶；钒电解液更换装置，与所述钒电池的正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组连接，用于输出正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的空白钒电解液，接收储能钒电解液并输入到正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中。2.根据权利要求1所述的以全钒液流电池为动力的运输船舶，其特征在于，所述正极钒电解液槽组包括正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii，所述负极钒电解液槽组包括负极钒电解液槽i、负极钒电解液槽ii；所述钒电池还包括正极循环输入阀门ii、正极循环输入阀门i、正极循环泵阀门、负极循环泵阀门、负极循环输入阀门i、负极循环输入阀门ii、正极输出阀门i、正极输出阀门ii、负极输出阀门i和负极输出阀门ii；当所述钒电池处于供电状态时，正极输出泵阀门和负极输出泵阀门关闭，正极循环泵阀门和负极循环泵阀门开启，正极输出阀门i、负极输出阀门i、正极循环输入阀门i、负极循环输入阀门i处于关闭状态；正极循环输入阀门ii，负极循环输入阀门ii，正极输出阀门ii和负极输出阀门ii处于开启状态；所述正极循环泵和负极循环泵分别将正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽ii中的钒储能电解液压入电池堆体的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能向配电柜及电网供电，推动钒电动船舶正常行驶；当正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽ii中的储能钒电解液的荷电状态逐渐到趋于零时，正极输出阀门i、负极输出阀门i、正极循环输入阀门i和负极循环输入阀门i自动开启，正极输出阀门ii、负极输出阀门ii、正极循环输入阀门ii和负极循环输入阀门ii自动关闭，正极循环泵和负极循环泵分别转向将正极钒电解液槽i和负极钒电解液槽i中的储能钒电解液压入电池堆体的闭合回路中循环流动，将化学能转换为电能，继续向配电柜及电网供电，直到正极钒电解液槽i和负极钒电解液槽i中的储能钒电解液的荷电状态趋于零时，钒电动船舶靠港充电。3.根据权利要求2所述的以全钒液流电池为动力的运输船舶，其特征在于，所述钒电解液更换装置包括正极输出泵，正极输出接头，正极输入接口，正极输出泵阀门，正极输入阀门i，正极输出阀门i，正极输入阀门ii，正极输出阀门ii，负极输出泵，负极输出接头，负极输出泵阀门，负极输入接口，负极输出阀门i，负极输入阀门i，负极输入阀门ii，负极输出阀门ii；所述正极输出泵和负极输出泵布置在船首舱底，所述正极输入接口、正极输出接头设立在船首上甲板靠近左船舷，所述负极输入接口、负极输出接头设立在船首上甲板靠近右船舷；所述正极输出泵和负极输出泵分别与正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii和负极钒
电解液槽i、负极钒电解液槽ii连通，将空白钒电解液输出到船体外部的钒电池充电系统；所述正极输入接口和负极输入接口分别与正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii和负极钒电解液槽i、负极钒电解液槽ii连通，接收钒电池充电系统输送来的储能钒电解液，并分别输入到正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii、负极钒电解液槽i和负极钒电解液槽ii；各个阀门将依据控制程序自动开启和关闭，保证输出和输入正常进行。4.根据权利要求1所述的以全钒液流电池为动力的运输船舶，其特征在于，所述船舶电网和推进系统包括驾驶及控制室，驾驶操作台，控制柜及线路，船舶充电接口，配电柜及电网，驱动螺旋桨，交流电机，船体，所述驾驶及控制室布置在船尾上甲板，所述船舶充电接口，配电柜及电网，控制柜及线路和驾驶操作台均设置在驾驶及控制室内，所述交流电机和驱动螺旋桨布置在船尾舱底，通过驾驶操作台操纵交流电机及驱动螺旋桨，保证船舶正常行驶。5.一种如权利要求1至4任一项所述的以全钒液流电池为动力的运输船舶的运行方法，其特征在于，其正常运行包括如下步骤：步骤一：将钒电动船舶的正极钒电解液槽i、正极钒电解液槽ii、负极钒电解液槽i、负极钒电解液槽ii中的钒电解液充电为荷电状态趋于100％的储能钒电解液，做好出航的各项准备工作，确定本次航行的启航时间；步骤二：钒电动船舶驾驶人员按规定将本次航行的主要参数录入所行驶航程专用航道互联网，得到本次航程计划；步骤三：按航程计划，驾驶人员启动驾驶操作台，开启钒电池工作按钮，启动交流电机带动驱动螺旋桨旋转，钒电动船舶启航，按本次航程计划驶向运输目的港口；步骤四：钒电动船舶在行驶途中，驾驶人员依据驾驶操作台显示信息行驶，港口通过航道互联网系统适时掌握钒电动船舶的行驶状态；步骤五：钒电动船舶依据航程计划靠港卸货，在卸货的同时，驾驶人员依据驾驶操作台显示的充电方式采用第一种充电方式的流程操作充电，首先将船舶充电接口与钒电池充电系统的充电电源输出接头联接，开启驾驶操作台钒电池充电按钮，启动船舶钒电池充电；步骤六：完成港口卸货作业时，关闭驾驶操作台钒电池充电按钮，断开船舶充电接口与钒电池充电系统的充电电源输出接头的联接，关闭驾驶操作台钒电池充电按钮，结束钒电池充电，开启钒电池工作按钮，钒电动船舶按航程计划继续航行；步骤七：当钒电动船舶在尚未到达卸货港口的行驶途中显示需要充电时，钒电动船舶停靠钒电池充电系统的钒电解液趸船进行充电；驾驶人员依据驾驶操作台显示的充电方式采用第二种充电方式的流程操作充电，其流程为：第一步：关闭驾驶操作台钒电池工作按钮，钒电池停止工作；第二步：将船舶充电接口与钒电池充电系统的充电电源输出接头联接，开启钒电池充电系统向配电柜及电网供电；同时，驾驶操作台的控制系统与钒电池充电系统的储能钒电解液输出装置自动联通；第三步：将船舶正极输出接头和船舶负极输出接头分别与钒电池充电系统相应输入接口连通，再将船舶正极输入接口和负极输入接口与钒电池充电系统的储能钒电解液的相应输出接头连通；第四步：开启驾驶操作台更换钒电解液按钮，启动自动控制更换钒电解液模式；钒电池
处于更换钒电解液模式时，正极输出泵阀门和负极输出泵阀门开启，正极循环泵阀门和负极循环泵阀门关闭；此时，正极输出泵阀门、正极输出阀门i和正极输入阀门i处于开启状态，正极输出阀门ii和正极输入阀门ii处于关闭状态；正极输出泵向钒电池充电系统输出正极钒电解液槽i中的正极空白钒电解液；当正极钒电解液槽i被清空时，正极输出阀门i自动关闭，正极输出阀门ii自动开启，正极输出泵向钒电池充电系统输出正极钒电解液槽ii中的正极空白钒电解液；同时，驾驶操作台指令钒电池充电系统自动向正极钒电解液槽i中输入正极储能钒电解液；当正极钒电解液槽ii被清空，正极储能钒电解液充满正极钒电解液槽i时，正极输出阀门ii、正极输入阀门i自动关闭，正极输入阀门ii自动开启，钒电池充电系统自动向正极钒电解液槽ii中输入正极储能钒电解液，直到正极钒电解液槽ii中充满正极储能钒电解液，正极钒电解液槽组更换储能钒电解液结束；正极输出泵自动关闭，正极输入阀门、正极输出阀门全部自动关闭；船舶负极钒电解液槽组在船舶正极钒电解液槽组更换储能钒电解液时，同步自动进行负极钒电解液更换，与船舶正极钒电解液槽组同时完成更换负极储能钒电解液；此时，船舶正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的储能钒电解液的荷电状态趋于100％，完成钒电池充电；第五步：将船舶正极输出接头和船舶负极输出接头分别与钒电池充电系统输入接口断开，再将船舶正极输入接口和负极输入接口与钒电池充电系统的储能钒电解液输出接头断开；第六步：将船舶充电接口与钒电池充电系统的充电电源输出接头断开，充电完毕；关闭驾驶操作台更换钒电解液按钮，开启驾驶操作台钒电池工作按钮，钒电池正常工作；步骤八：船舶按行程计划离开钒电池充电系统正常行驶；步骤九：钒电动船舶依据航程计划再次靠港卸货，在卸货的同时，驾驶人员依据驾驶操作台显示的充电方式采用第二种充电方式的流程操作充电，重复步骤七中的第一步到第六步；步骤十：船舶卸货结束，按行程计划离开港口正常行驶；步骤十一：重复步骤五、步骤六、步骤七、步骤八、步骤九、步骤十直到钒电动船舶行驶到终点港口，完成一个货物运输过程。
技术总结
本发明公开了一种以全钒液流电池为动力的运输船舶及其运行方法，包括：船舶电网和推进系统，向钒电动船舶中的用电装置输送电能、传输动力，推动钒电动船舶正常行驶；钒电池，包括布置在船尾的电池堆体、布置在电池堆体下方船舱的正极循环泵和负极循环泵、布置在船舱中部的正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组，将化学能转换为电能向船舶电网和推进系统供电，推动钒电动船舶正常行驶；钒电解液更换装置，用于输出正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组中的空白钒电解液，并接收储能钒电解液输入到正极钒电解液槽组和负极钒电解液槽组。本发明能大幅度降低燃油发动机船舶产生的噪声污染和水环境污染，降低船舶事故率，提高运输船舶的效率。舶的效率。
