CN105162158B - 一种液氢‑液氧‑液氮‑超导直流电缆复合能源传输系统 - Google Patents

一种液氢‑液氧‑液氮‑超导直流电缆复合能源传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液氢‑液氧‑液氮‑超导直流电缆复合能源传输系统，其包括复合能源产生子系统、复合能源传输子系统和复合能源接收子系统，其中，复合能源产生子系统将其产生的电能、液氢、液氧和液氮通过复合能源传输子系统的传输而将电能、液氢、液氧和液氮输送至复合能源接收子系统，并且，经复合能源传输子系统输送的液氮，用于致冷复合能源传输子系统中传输液氢的液氢传输管道、传输液氧的液氧传输管道和传输复合能源产生子系统产生的电能的超导直流电缆。本发明具有比单一的液氢、液氧、液氮能源传输和超导直流电缆输电更高的能源传输容量和效率，有效地降低液氢、液氧和液氮传输过程中的安全风险。

Description

一种液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统
技术领域
本发明涉及复合能源传输技术领域，特别涉及一种液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统。
背景技术
近年来出于日趋严重的能源危机和环保压力，氢气作为新能源普遍被人们看好，相比其它燃料而言，它可采用电解水的方式，将水电解为氢气和氧气，从而制备生产氢气，而且燃烧相同质量的氢气和汽油，氢气放出的热量是汽油的三倍，其燃烧后的产物是水，不污染环境。同时，氢气和氧气还可以作为燃料电池的供用能源，通过化学能向电能的高效转换，实现大容量、高效率的清洁能源发电。
氢气通常采用管道运输或交通工具运输，当以气态贮运方式，无论是管道运输或是交通工具的运输，其运输效率低，无法满足日益增长的液氢能源需求。而当以液态贮运方式，承载液氢槽罐的汽车、火车、轮船等传统交通运输工具无法满足持续、快捷、灵活的液氢供用。虽然通过管道传输液氢可以实现大容量液氮供用，但由于液氢是一种低温(-253℃、一个大气压)的液体，具有低温、绝热结构的液氢传输管道仍不可避免地产生一定的热泄露。以管道传输液氢会存在的热泄露问题的影响，而在传输管道内部的液氢容易出现气化现象，进而引起传输管道气压过大而造成安全隐患，因而液氢一般只适用于短距离输送。
此外，近年来包括风能、太阳能、水能、地热能等在内的多种自然能源被直接用作大容量并网发电。在自然能源丰富的地域直接建设大容量自然能源发电站，再通过传统的高压输电线路输送至远距离电力用户。由于自然能源丰富的地域往往与集中用电的大中城市区域相距较远，传统的高压输电方式将不可避免地带来新增高压架空输电线路的建设和维护成本问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于同时传输液氢能源、液氧能源、液氮能源和电力能源的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，其包括复合能源产生子系统、复合能源传输子系统和复合能源接收子系统，其中，所述复合能源产生子系统将其产生的电能、液氢、液氧和液氮通过所述复合能源传输子系统的传输而将电能、液氢、液氧和液氮输送至所述复合能源接收子系统；
并且，经所述复合能源传输子系统输送的液氮，用于制冷所述复合能源传输子系统中的液氢传输管道、液氧传输管道和超导直流电缆，其中，所述液氢传输管道用于传输液氢；所述液氧传输管道，用于传输液氧；所述超导直流电缆，用于传输所述复合能源产生子系统产生的电能。
根据一种具体的实施方式，所述复合能源产生子系统包括交流发电设备、电解水设备、氢气液化设备、氧气液化设备、氮气液化设备和交流-直流变电站；其中，
所述交流发电设备利用自然能源而产生电能，并将其产生的部分电能分别为所述电解水设备、所述氢气液化设备、所述氧气液化设备和所述氮气液化设备供电，其余部分电能经所述交流-直流变电站转化为直流电后，通过所述超导直流电缆输送至所述复合能源接收子系统；
所述电解水设备将其产生的氢气和氧气分别通入所述氢气液化设备和所述氧气液化设备，所述氢气液化设备将其产生的液氢通入所述液氢传输管道，所述氧气液化设备将其产生的液氧通入所述液氧传输管道，所述氮气液化设备将其产生的液氮通入所述液氮传输管道，并且所述液氢传输管道、所述液氧传输管道和所述超导直流电缆均设置在所述液氮传输管道内。
根据一种具体的实施方式，所述超导直流电缆与所述液氢传输管道同轴设置，并且所述超导直流电缆设置在所述液氢传输管道的内部。
根据一种具体的实施方式，所述液氢传输管道上设置若干个液氢节点通道，每个所述液氢节点通道对应连接一个液氢泄压控制系统，所述液氢泄压控制系统包括氢气回收站和泄压控制装置；其中，
所述氢气回收站通过氢气回收管道与所述液氢节点通道连接，所述氢气回收管道上设置有氢气阀门。
根据一种具体的实施方式，所述泄压控制装置包括泄压控制电路和氢气压力传感器；其中，
所述泄压控制电路根据所述氢气压力传感器检测出所述液氢传输管道内氮气的压力，当压力高于氢气压力阈值时，开启所述氢气阀门，使所述液氢传输管道中的氢气进入所述氢气回收站，直至压力不高于所述氢气压力阈值。
根据一种具体的实施方式，所述液氮传输管道上设置若干液氮节点通道，每个所述节点通道对应连接一个补液泄压控制系统，所述补液泄压控制系统包括液氮补给站、氮气回收站、补液泄压控制装置；其中，
所述液氮补给站通过液氮补给管道与所述液氮节点通道连接，所述液氮补给管道上设置有液氮阀门；
所述氮气回收站通过氮气回收管道与所述液氮节点通道连接，所述氮气回收管道上设置有氮气阀门。
根据一种具体的实施方式，所述补液泄压控制装置包括补液泄压控制电路、液位传感器和氮气压力传感器；其中，
所述补液泄压控制电路根据所述液位传感器检测出所述液氮传输管道内液氮的液位，当液位低于液位阈值时，开启所述液氮阀门，使所述液氮补给站的液氮进入所述液氮传输管道，直至液位不低于所述液位阈值；
所述补液泄压控制电路根据所述氮气压力传感器检测出所述液氮传输管道内氮气的压力，当压力高于氮气压力阈值时，开启所述氮气阀门，使所述液氮传输管道中的氮气进入所述氮气回收站，直至压力不高于所述氮气压力阈值。
根据一种具体的实施方式，所述超导直流电缆由BSCCO高温超导导线或ReBCO高温超导导线绕制而成。
根据一种具体的实施方式，所述复合能源接收子系统包括：
变电站，用于接收所述直流-交流变流站输出的交流电并提供给用户使用；
液氢接收站，用于接收所述液氢传输管道中的液氢并提供给用户使用；
液氧接收站，用于接收所述液氧传输管道中的液氧并提供给用户使用；
液氮接收站，用于接收所述复合能源传输子系统传输的液氮并提供给用户使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明复合了液氢、液氢、液氮能源传输和超导直流电缆输电的技术优势，实现了液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，具有比单一的液氢、液氧、液氮能源传输和超导直流电缆输电更高的能源传输容量和效率。
2、本发明将液氢、液氧传输管道安装在液氮传输管道内部，利用低温、绝缘、环保、安全的液氮解决了现有的液氢、液氧传输管道的热泄露问题，消除了因液氢、液氧出现气化现象而导致的传输管道气压过大的安全隐患，因而适用于远距离的液氢、液氧运输操作。
3、本发明采用大容量、近似零损耗、维护成本低的超导直流电缆来进行远距离电能传输，并将超导直流电缆安装在液氮传输管道或液氢传输管道内部，利用低温、绝缘、环保、安全的液氮或液氢来维持超导直流电缆的工作环境温度，节省了传统高压输电方式中高压架空输电线路的建设和维护成本问题。
4、本发明利用交流发电设备产生的交流电来维持电解水设备、氢气液化设备、氧气液化设备和氮气液化设备的持续供电，无需增加额外的供电设备，提高了电能利用效率。
附图说明
图1是本发明液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统结构图；
图2是本发明复合能源传输子系统的结构图；
图3是本发明复合能源传输子系统的优选结构图；
图4是本发明液氢泄压控制系统的结构图；
图5是本发明补液泄压控制系统的结构图。
附图标记列表
1：交流发电设备 2：电解水设备 3：氢气液化设备 4：氧气液化设备 5氮气液化设备 6：交流-直流变电站 7：液氮传输管道 8：液氢传输管道 9：液氧传输管道 10：超导直流电缆 11：直流-交流变电站 12变电站 13：液氢接收站 14：液氧接收站 15：液氮接收站16：液氮节点通道 17：液位传感器 18：氮气压力传感器 19：液氮补给站 20：液氮阀门 21：氮气回收站 22：氮气阀门 23：液氢节点通道 24：氢气压力传感器 25：氢气回收站 26：氢气阀门
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，包括复合能源产生子系统、复合能源传输子系统和复合能源接收子系统，其中，复合能源产生子系统将其产生的电能、液氢、液氧和液氮通过复合能源传输子系统的传输而将电能、液氢、液氧和液氮输送至复合能源接收子系统；
并且，经复合能源传输子系统输送的液氮，用于制冷复合能源传输子系统中的液氢传输管道8、液氧传输管道9和超导直流电缆10，其中，液氢传输管道8用于传输液氢，液氧传输管道9用于传输液氧，超导直流电缆10用于传输复合能源产生子系统产生的电能。
本发明提供一种同时具备了液氢运输、液氧运输、液氮运输、超导直流电缆输电的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统。本发明具有比单一的液氢、液氧、液氮能源传输和单一的超导直流电缆输电更高的能源传输容量和效率。并利用低温、绝缘、环保、安全的液氮或液氢来维持超导直流电缆的工作环境温度，节省了传统高压输电方式中高压架空输电线路的建设和维护成本问题。
结合图1和图2分别所示的本发明的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统结构图和本发明复合能源传输子系统的结构图；其中，复合能源产生子系统包括交流发电设备1、电解水设备2、氢气液化设备3、氧气液化设备4、氮气液化设备5和交流-直流变电站6。复合能源传输子系统包括液氢传输管道8、液氮传输管道7、液氧传输管道9和超导直流电缆10。复合能源接收子系统包括直流-交流变流站11、变电站12、液氢接收站13、液氧接收站14和液氮接收站15。
具体地，交流发电设备1利用风能、水能等自然能源而产生电能，并将其产生的部分电能分别为电解水设备2、氢气液化设备3、氧气液化设备4和氮气液化设备5供电，其余部分电能经交流-直流变电站6转化为直流电后，通过超导直流电缆10输送至复合能源接收子系统；
电解水设备2将其产生的氢气和氧气分别通入氢气液化设备3和氧气液化设备4，氢气液化设备3将其产生的液氢通入液氢传输管道8，氧气液化设备4将其产生的液氧通入液氧传输管道9，氮气液化设备5将其产生的液氮通入液氮传输管道7。
在复合能源传输子系统中，液氢传输管道8、液氧传输管道9和超导直流电缆10均设置在液氮传输管道7内，液氢传输管道8、液氧传输管道9和超导直流电缆10由于浸泡在液氮传输管道7内的液氮而致冷，消除了液氢在液氢传输管道8中的气化现象，并为超导直流电缆10提供其低温的工作环境。
在复合能源接收子系统中，直流-交流变流站11用于将超导直流电缆10中的直流电转换为交流电。变电站12用于接收所述直流-交流变流站11输出的交流电并提供给用户使用。液氢接收站13用于接收所述液氢传输管道8中的液氢并提供给用户使用。液氧接收站14用于接收所述液氧传输管道9中的液氧并提供给用户使用。液氮接收站15用于接收所述液氮传输管道7中的液氮并提供给用户使用。
结合图3的本发明复合能源传输子系统的优选结构图；其中，液氢传输管道8、液氧传输管道9均设置在液氮传输管道内，并且超导直流电缆10同轴设置在液氢传输管道8内部。由于液氢温度为(-253℃、一个大气压)，远低于液氮温度(-196℃、一个大气压)，因此，安装在液氢传输管道8内的超导直流电缆10具有更高的输电容量，适应于大容量电能传输应用。
本发明采用的超导直流电缆10由BSCCO高温超导导线或ReBCO高温超导导线绕制而成。
结合图4所示的本发明液氢泄压控制系统的结构图；其中，液氢传输管道8上设置若干个液氢节点通道23，每个液氢节点通道23对应连接一个液氢泄压控制系统，液氢泄压控制系统包括氢气回收站25和泄压控制装置。
其中，氢气回收站25通过氢气回收管道与液氢节点通道23连接，氢气回收管道上设置有氢气阀门26。
具体地，泄压控制装置包括泄压控制电路和氢气压力传感器24。泄压控制电路根据氢气压力传感器24检测出液氢传输管道8内氮气的压力，当压力高于氢气压力阈值时，开启氢气阀门，使液氢传输管道8中的氢气进入氢气回收站25，直至压力不高于氢气压力阈值。从而保证液氢传输管道8中的气压维持在一个安全范围内。
结合图5所示的本发明补液泄压控制系统的结构图；其中，液氮传输管道7上设置若干液氮节点通道16，每个液氮节点通道16对应连接一个补液泄压控制系统，补液泄压控制系统包括液氮补给站19、氮气回收站21、补液泄压控制装置。
其中，液氮补给站19通过液氮补给管道与液氮节点通道16连接，液氮补给管道上设置有液氮阀门20。氮气回收站21通过氮气回收管道与液氮节点通道连接16，氮气回收管道上设置有氮气阀门22。
具体地，补液泄压控制装置包括补液泄压控制电路、液位传感器17和氮气压力传感器18。补液泄压控制电路根据液位传感器17检测出液氮传输管道7内液氮的液位，当液位低于液位阈值时，即液氮传输管道7中的液氮不足，则开启液氮阀门20，使液氮补给站19的液氮进入液氮传输管道7，直至液位不低于该液位阈值，补液泄压控制电路则关闭液氮阀门20，从而保证液氮传输管道中的液氢传输管道、液氧传输管道和超导直流电缆的环境温度维持在一个安全范围内。
补液泄压控制电路根据氮气压力传感器18检测出液氮传输管道7内氮气的压力，当压力高于氮气压力阈值时，开启氮气阀门22，使液氮传输管道7中的氮气进入氮气回收站21，直至压力不高于氮气压力阈值，补液泄压控制电路则关闭氮气阀门22。从而保证液氮传输管道中的气压维持在一个安全范围内。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以做出各种修改或改型。

Claims (5)

1.一种液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，其特征在于，包括复合能源产生子系统、复合能源传输子系统和复合能源接收子系统，其中，所述复合能源产生子系统将其产生的电能、液氢、液氧和液氮通过所述复合能源传输子系统的传输而将电能、液氢、液氧和液氮输送至所述复合能源接收子系统；
并且，经所述复合能源传输子系统输送的液氮，用于制冷所述复合能源传输子系统中的液氢传输管道(8)、液氧传输管道(9)和超导直流电缆(10)，其中，所述液氢传输管道(8)用于传输液氢；所述液氧传输管道(9)，用于传输液氧；所述超导直流电缆(10)，用于传输所述复合能源产生子系统产生的电能；
所述复合能源产生子系统包括交流发电设备(1)、电解水设备(2)、氢气液化设备(3)、氧气液化设备(4)、氮气液化设备(5)和交流-直流变电站(6)；其中，所述交流发电设备(1)利用自然能源而产生电能，并将其产生的部分电能分别为所述电解水设备(2)、所述氢气液化设备(3)、所述氧气液化设备(4)和所述氮气液化设备(5)供电，其余部分电能经所述交流-直流变电站(6)转化为直流电后，通过所述超导直流电缆(10)输送至所述复合能源接收子系统；
所述电解水设备(2)将其产生的氢气和氧气分别通入所述氢气液化设备(3)和所述氧气液化设备(4)，所述氢气液化设备(3)将其产生的液氢通入所述液氢传输管道(8)，所述氧气液化设备(4)将其产生的液氧通入所述液氧传输管道(9)，所述氮气液化设备(5)将其产生的液氮通入液氮传输管道(7)，并且所述液氢传输管道(8)、所述液氧传输管道(9)和所述超导直流电缆(10)均设置在所述液氮传输管道(7)内，所述超导直流电缆(10)与所述液氢传输管道(8)同轴设置，并且所述超导直流电缆(10)设置在所述液氢传输管道(8)的内部；
所述液氢传输管道(8)上设置若干个液氢节点通道(23)，每个所述液氢节点通道(23)对应连接一个液氢泄压控制系统，所述液氢泄压控制系统包括氢气回收站(25)和泄压控制装置；其中，所述氢气回收站(25)通过氢气回收管道与所述液氢节点通道(23)连接，所述氢气回收管道上设置有氢气阀门(26)；
所述液氮传输管道(7)上设置若干液氮节点通道(16)，每个所述液氮节点通道(16)对应连接一个补液泄压控制系统，所述补液泄压控制系统包括液氮补给站(19)、氮气回收站(21)、补液泄压控制装置；其中，所述液氮补给站(19)通过液氮补给管道与所述液氮节点通道(16)连接，所述液氮补给管道上设置有液氮阀门(20)；所述氮气回收站(21)通过氮气回收管道与所述液氮节点通道(16)连接，所述氮气回收管道上设置有氮气阀门(22)。
2.如权利要求1所述的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，其特征在于，所述泄压控制装置包括泄压控制电路和氢气压力传感器(24)；其中，
所述泄压控制电路根据所述氢气压力传感器(24)检测出所述液氢传输管道(8)内氢气的压力，当压力高于氢气压力阈值时，开启所述氢气阀门(26)，使所述液氢传输管道(8)中的氢气进入所述氢气回收站(25)，直至压力不高于所述氢气压力阈值。
3.如权利要求1所述的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，其特征在于，所述补液泄压控制装置包括补液泄压控制电路、液位传感器(17)和氮气压力传感器(18)；其中，
所述补液泄压控制电路根据所述液位传感器(17)检测出所述液氮传输管道(7)内液氮的液位，当液位低于液位阈值时，开启所述液氮阀门(20)，使所述液氮补给站(19)的液氮进入所述液氮传输管道(7)，直至液位不低于所述液位阈值；
所述补液泄压控制电路根据所述氮气压力传感器(18)检测出所述液氮传输管道(7)内氮气的压力，当压力高于氮气压力阈值时，开启所述氮气阀门(22)，使所述液氮传输管道(7)中的氮气进入所述氮气回收站(21)，直至压力不高于所述氮气压力阈值。
4.如权利要求1～3之一所述的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，其特征在于，所述超导直流电缆(10)由BSCCO高温超导导线或ReBCO高温超导导线绕制而成。
5.如权利要求1所述的液氢-液氧-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，其特征在于，所述复合能源接收子系统包括：
直流-交流变流站(11)，用于将所述超导直流电缆(10)中的直流电转换为交流电；
变电站(12)，用于接收所述直流-交流变流站(11)输出的交流电并提供给用户使用；
液氢接收站(13)，用于接收所述液氢传输管道(8)中的液氢并提供给用户使用；
液氧接收站(14)，用于接收所述液氧传输管道(9)中的液氧并提供给用户使用；
液氮接收站(15)，用于接收所述复合能源传输子系统传输的液氮并提供给用户使用。
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