CN110277822B - 一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，包括设置于海底且利用海底洋流能产出电能的海底洋流能发电模块、用于储存电能的水下蓄电模块、用于制造氢气、氧气的水下制氢/制氧模块、用于氢气补给的水下氢气储存加注模块、用于氧气补给的水下氧气储存加注模块、及用于实现多种充电方式的水下有线/无线充电模块，所述海底洋流能发电模块通过光电复合海缆连接水下蓄电模块。本发明为使用氢燃料电池或蓄电池为动力的移动式水下运载器提供了就近在水下完成氢气、氧气的能源补给，解决了水下运载器在能源耗尽时，需要长途行驶至固定港口区域浮出海面返回岸基等水上保障平台补充能源的问题。

Description

一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统
技术领域
本发明涉及能源补给领域，尤其涉及一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统。
背景技术
现有深海装备多采用蓄电池或热机提供动力，面临储存能力有限(蓄电池)和效率低下(热机)等问题，极大地限制了深海装备的工作范围与续航能力。因此，有必要寻求新兴的高密度能源技术。
相比于传统热机与蓄电池，燃料电池作为一种新兴的能源转换装置，能够通过电化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能，具有能量转换效率高、绿色无污染、安静低噪声等诸多优点。因此，燃料电池作为移动式水下运载器(如潜艇、水下航行器等装备，以下简称水下运载器)的新一代动力装置，能够极大增强运载器的续航力、隐蔽性和安全性。
使用氢燃料电池的移动式水下运载器使用氢气作为燃料、氧气作为氧化剂。长期实践表明，制约以氢燃料电池作为动力系统的水下运载器发展的主要原因在于其自身携带燃料及氧化剂有限性，工作一段时间后，巨大的耗氢量、耗氧量使得运载器出现能源不足的问题，导致水下运载器必须停止作业、浮出水面。因此，如何在水下对氢、氧、电能源进行补给，是发展各种以燃料电池为动力的运载器必须解决的问题。
目前对基于氢燃料电池的移动式水下运载器的能源补给方式是：运载器在水下工作过程中，在能源即将耗尽、出现供给能力不足问题前，提前返回至固定港口的岸基保障基地完成氢气、氧气、电等能源的补给。这种补给方式要求运载器需频繁往返于工作区域与岸基保障基地，造成能量浪费的同时，还导致工作效能的大幅降低。此外，该补给方式要求岸基保障基地需在一定区域内建设制氢站、制氧站、加氢站、加氧站与充电站，配置一系列氢气与氧气的制备、储存和加注设施以及充电设施，且需专人负责管理和运维，较大程度增加了经济成本。
发明内容
本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，本发明不依赖固定港口岸基保障基地的水下能源补给系统，其利用海洋可再生能源中的洋流进行发电，将电能输送至蓄电池模块储存，并在水下平台制备、储存氢气和氧气，使运载器能就近在水下完成能源补给。
本发明所采用的技术方案如下：
一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，包括设置于海底且利用海底洋流能产出电能的海底洋流能发电模块、用于储存电能并向水下氢气储存加注模块及水下氧气储存加注模块提供电能的水下蓄电模块、用于制造氢气、氧气的水下制氢/制氧模块、用于氢气补给的水下氢气储存加注模块、用于氧气补给的水下氧气储存加注模块、及用于实现多种充电方式的水下有线/无线充电模块，所述海底洋流能发电模块通过光电复合海缆连接水下蓄电模块，所述水下蓄电模块通过多根光电复合海缆分别连接水下制氢/制氧模块、水下氢气储存加注模块、水下氧气储存加注模块及水下有线/无线充电模块，所述水下制氢/制氧模块分别通过多根跨接管连接水下氢气储存加注模块及水下氧气储存加注模块。
其进一步技术方案在于：
所述海底洋流能发电模块包括多组水下洋流能发电装置、用于将水下洋流能发电装置发出的不稳定交流电转为为直流电的AC/DC整流装置及控制器，各组水下洋流能发电装置均通过光电复合海缆与AC/DC整流装置的输入端串联，所述AC/DC整流装置的输出端与控制器的输入端电连接；
所述水下蓄电模块包括用于对海底洋流能发电模块输送的电能进行储存的蓄电池组及用于将蓄电池组输出的光电复合海缆分成多个支路、并用于输送至水下制氢/制氧模块及水下有线/无线充电模块的分支器；
所述水下制氢/制氧模块包括用于将电解液电解生成氢气和氧气的电解槽，在所述电解槽上设置用于对电解槽内部进行电解液补充的第一水下连接器；
所述水下氢气储存加注模块包括用于除去氢气中水分杂质的第一气液分离器、用于对氢气提纯的氢气纯化器、用于缓冲提纯氢气的氢气缓冲罐、用于对氢气进行增压的第一压缩机、用于对增压氢气进行储存的氢气储罐；所述第一气液分离器、氢气纯化器、氢气缓冲罐、第一压缩机及氢气储罐依次通过管路串联；所述氢气储罐的出口还通过跨接管并联多个用于运载器加注液口对接第二水下连接器，在连接各第二水下连接器入口的跨接管上还安装第一阀门；
所述水下氧气储存加注模块包括用于除去氧气中水分杂质的第二气液分离器、用于提纯氧气的氧气纯化器、用于储存提纯氧气的氧气缓冲罐、用于对氧气进行增压的第二压缩机、用于储存增压后氧气的氧气储罐；所述第二气液分离器、氧气纯化器、氧气缓冲罐、第二压缩机及氧气储罐依次通过管路串联；所述氧气储罐的出口还通过跨接管并联多个用于运载器加注液口对接第三水下连接器、在连接各第三水下连接器入口的跨接管上还安装第二阀门；
所述水下有线/无线充电模块包括用于电能管理及信息处理的接驳盒、用于充电时接驳盒与水下运载器引导对接的对接平台、用于为水下运载器进行水下充电的湿式插拔接口、用于为水下运载器提供无线充电的无线充电接口，用于水下运载器充电时状态监控与信息交换的信息监控与转换器；所述对接平台设置于接驳盒的顶部；
于所述海底洋流能发电模块、蓄电模块、水下制氢/制氧模块、水下氢气储存加注模块、水下氧气加注模块中均设置用于保护设备不受海底高压损坏的耐压舱，所述海底洋流能发电模块、蓄电模块、水下制氢/制氧模块、水下氢气储存加注模块、水下氧气加注模块内的耐压舱的外围均设置防护罩，所述防护罩与用于与海底固接的安装底座连接；
在所述接驳盒的外围也设置防护罩，所述防护罩与用于与海底固接的安装底座连接。
本发明的有益效果如下：
(一)本发明为使用氢燃料电池或蓄电池为动力的移动式水下运载器提供了就近在水下完成氢气、氧气的能源补给，解决了水下运载器在能源耗尽时，需要长途行驶至固定港口区域浮出海面返回岸基等水上保障平台补充能源的问题。利用本发明可以延长水下运载器的水下连续工作时间，扩大水下运载器的工作范围。
(二)本发明利用海底洋流能发电，整个系统均安装在海底，极大的增强了隐蔽性。
(三)本发明可在不同海域地点同时建立水下能源补给，组件水下能源供给网络，扩大水下运载器的工作范围。
(四)本发明可在水下同时完成加氢、加氧、有线充电、无线充电等多种能源补给功能，有效满足了氢燃料电池为动力或者蓄电池为动力的水下运载器水下补给需求。
附图说明
图1为本发明中各模块组成示意图。
图2为本发明各模块中具体结构的组成示意图。
其中：1、海底洋流能发电模块；101、水下洋流能发电装置；102、AC/DC整流装置；103、控制器；104、第一耐压舱；105、第一安装底座；106、第一防护罩；
2、水下蓄电模块；201、蓄电池组；202、第二耐压舱；203、第二安装底座；204、第二防护罩；205、分支器；
3、水下制氢/制氧模块；301、电解槽；302、第三耐压舱；303、第一水下连接器；304、第三安装底座；305、第三防护罩；306、第一跨接管；307、第二跨接管；
4、水下氢气储存加注模块；401、第一气液分离器；402、氢气纯化器；403、氢气缓冲罐；404、第一压缩机；405、氢气储罐；406、第四耐压舱；407、第四安装底座；408、第四防护罩；409、第三跨接管；410、第一阀门；411、第二水下连接器；412、第五耐压舱；413、第一加注对接平台；
5、水下氧气储存加注模块；501、第二气液分离器；502、氧气纯化器；503、氧气缓冲罐；504、第二压缩机；505、氧气储罐；506、第六耐压舱；507、第五安装底座；508、第五防护罩；509、第四跨接管；510、第二阀门；511、第三水下连接器；512、第七耐压舱；513、第二加注对接平台；
6、水下有线/无线充电模块；601、接驳盒；602、对接平台；603、湿式插拔接口；604、无线充电接口；605、信息监控与转换器；606、第六防护罩；607、第六安装底座。
具体实施方式
下面说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统包括设置于海底且利用海底洋流能产出电能的海底洋流能发电模块1、用于储存电能并向水下氢气储存加注模块4及水下氧气储存加注模块5提供电能的水下蓄电模块2、用于制造氢气、氧气的水下制氢/制氧模块3、用于氢气补给的水下氢气储存加注模块4、用于氧气补给的水下氧气储存加注模块5、及用于实现多种充电方式的水下有线/无线充电模块6，海底洋流能发电模块1通过光电复合海缆连接水下蓄电模块2，水下蓄电模块2通过多根光电复合海缆分别连接水下制氢/制氧模块3、水下氢气储存加注模块4、水下氧气储存加注模块5水下有线/无线充电模块6，水下制氢/制氧模块3分别通过多根跨接管连接水下氢气储存加注模块4及水下氧气储存加注模块5。
如图2所示，海底洋流能发电模块1包括多组水下洋流能发电装置101、用于将水下洋流能发电装置101发出的不稳定交流电转为为直流电的AC/DC整流装置102及控制器103，各组水下洋流能发电装置101均通过光电复合海缆与AC/DC整流装置102的输入端串联，AC/DC整流装置102的输出端与控制器103的输入端电连接。如图2所示，AC/DC整流装置102和控制器103都安装在第一耐压舱104内部，保护设备不受海底高压损坏，上述第一耐压舱104的外围设置第一防护罩106，第一防护罩106用于保护第一耐压舱104，该第一防护罩106的底部与第一安装底座105匹配安装。
如图2所示，水下蓄电模块2包括用于对海底洋流能发电模块1输送的电能进行储存的蓄电池组201及用于将蓄电池组201输出的光电复合海缆分成多个支路、并用于输送至水下制氢/制氧模块3及水下有线/无线充电模块6的分支器205。上述蓄电池组201均安装于第二耐压舱202的内部，在第二耐压舱202的外围设置第二防护罩204，第二防护罩204用于保护第二耐压舱202，第二防护罩204的底部与第二安装底座203匹配安装。
如图2所示，水下制氢/制氧模块3包括用于将电解液电解生成氢气和氧气的电解槽301，在电解槽301上设置用于对电解槽301内部进行电解液补充的第一水下连接器303。如图2所示，电解槽301安装在第三耐压舱302的内部，保护电解槽301不受海底高压损坏。第三防护罩305安装在第三耐压舱302的外围并与第三安装底座304匹配安装。如图2所示第一跨接管306用于将电解槽301电解生成的氢气输送至水下氢气储存加注模块4，第二跨接管307用于将电解槽301电解生成的氧气输送至水下氧气储存加注模块5。
如图2所示，水下氢气储存加注模块4包括用于除去氢气中水分杂质的第一气液分离器401、用于对氢气提纯的氢气纯化器402、用于缓冲提纯氢气的氢气缓冲罐403、用于对氢气进行增压的第一压缩机404、用于对增压氢气进行储存的氢气储罐405；第一气液分离器401、氢气纯化器402、氢气缓冲罐403、压缩机404及氢气储罐405依次通过管路串联；如图2所示，上述第一气液分离器401、氢气纯化器402、氢气缓冲罐403、第一压缩机404、氢气储罐405均安装于第四耐压舱406中，在第四耐压舱406的外围设置第四防护罩408，第四防护罩408与第四安装底座407匹配连接。氢气储罐405的出口还通过第三跨接管409并联多个用于运载器加注液口对接第二水下连接器411，第二水下连接器411为液压式水下连接器，在该第二水下连接器411的头部具有液压执行机构，在连接各第二水下连接器411入口的跨接管上还安装第一阀门410，该第一阀门410用于控制加注管路的启闭，以及开启、关闭由水下运载器释放的ROV控制。如图2所示，第三跨接管409上安装第一阀门410的一部分伸入第五耐压舱412中，该第五耐压舱412的外围设置第一加注对接平台413，上述第二水下连接器411设置于该第一加注对接平台413的表面。
如图2所示，水下氧气储存加注模块5包括用于除去氧气中水分杂质的第二气液分离器501、用于提纯氧气的氧气纯化器502、用于储存提纯氧气的氧气缓冲罐503、用于对氧气进行增压的第二压缩机504、用于储存增压后氧气的氧气储罐505；第二气液分离器501、氧气纯化器502、氧气缓冲罐503、第二压缩机504及氧气储罐505依次通过管路串联；第二气液分离器501、氧气纯化器502、氧气缓冲罐503、第二压缩机504及氧气储罐505均安装在第六耐压舱506内，该第六耐压舱506的外围设置第五防护罩508，第五防护罩508与第五安装底座507匹配安装。氧气储罐505的出口还通过第四跨接管509并联多个用于运载器加注液口对接第三水下连接器511、在连接各第三水下连接器511入口的跨接管上还安装第二阀门510。第四跨接管509安装第二阀门510的部分管路安装于第七耐压舱512内，该第七耐压舱512用于保护设备和加注管路不受海底高压。第七耐压舱512安装在第二加注对接平台513的内部，上述各第三水下连接器511安装在第二加注对接平台513的表面。
水下有线/无线充电模块6包括用于电能管理及信息处理的接驳盒601、用于充电时接驳盒601与水下运载器引导对接的对接平台602、用于为水下运载器进行水下充电的湿式插拔接口603、用于为水下运载器提供无线充电的无线充电接口604，用于水下运载器充电时状态监控与信息交换的信息监控与转换器605，对接平台602设置于接驳盒601的顶部，上述接驳盒601为耐压壳结构，具有高低压电能转换、充电、信息监控等多个模块。第六防护罩606设置于接驳盒601的外围，该第六防护罩606与第六安装底座607匹配安装。
本发明的具体工作过程如下：
由水下洋流能发电装置101将洋流能转换为不稳定的交流电，该交流电经AC/DC整流装置102整流为稳定的直流电，通过光电复合海缆输送至水下蓄电模块2的蓄电池组201储存。通过控制器103实现状态监测及控制。
水下制氢/制氧模块3工作时，电解槽301将电解生成的氢气通过第二跨接管307输送至水下氢气储存加注模块4，氧气通过第一跨接管306输送至水下氧气储存加注模块5中。其中氢气输送模式为：氢气依次通过第一气液分离器401、氢气纯化器402、氢气缓冲罐403、第一压缩机404并储存于氢气储罐405。氧气输送模式为：氧气依次通过第二气液分离器501氧气纯化器502、氧气缓冲罐503、第二压缩机504并储存于氧气储罐505。
氢气加注的具体过程如下：
如图2所示，当需要补给氢气时，水下运载器依据预存的本发明的精确位置，行驶至水下本发明附近，悬停或停靠第一加注对接平台413上，接着水下运载器开启准确定位功能，调整位置，从而实现第二水下连接器411的加注接口与水下运载器的被加注接口的对接。氢气开始加注前，水下运载器释放ROV执行装置，通过ROV操作第一加注对接平台413上第二水下连接器411上的液压执行机构，完成水下运载器加注接口与第二水下连接器411的对接、锁紧和密封，形成氢气加注通道。接着通过ROV开启第一加注对接平台413的第一阀门410，开始氢气加注。在完成氢气加注补给后，通过ROV关闭氢气加注系统，释放第二水下连接器411的液压执行机构，实现被加注接口与第二水下连接器411的脱离，水下运载器离开第一加注对接平台413。
氧气加注的具体过程如下：
如图2所示，在需要补给氧气时，依据预存的水下能源补给平台的准确位置，水下运载器行驶至平台附近，悬停或停靠在第二加注对接平台513上。接着水下运载器开启准确定位功能，实现第三水下连接器511的加注接口与水下运载器的被加注接口对接。氧气开始加注前，水下运载器释放ORV装置，通过ROV操作第二加注对接平台513上第三水下连接器511接头上的液压执行机构，完成水下运载器的加注接口与第三水下连接器511的对接、锁紧和密封，形成氧气加注通道。接着通过ROV开启第二加注对接平台513内部的第二阀门510，开始氧气加注，加注完成后释放第三水下连接器511接头上的液压执行机构，实现水下运载器的被加接口与第三水下连接器511的分离，水下运载器离开第二加注对接平台513。
有线充电/无线充电的具体过程如下：
A：有线充电：
如图2所示，在需要进行有线充电时，水下运载器依据之前录入的水下能源补给平台的准确位置，行驶至平台附近，悬停于对接平台602上。水下运载器释放ROV执行装置，通过ROV执行装置操作水下运载器湿式插拔充电接头接入湿式插拔接口603上，完成水下运载器与平台间的充电连接、锁紧及充电，充电完成后通过ROV执行装置操作水下运载器湿式插拔充电接头与湿式插拔接口603断开，松开锁紧机构，回收电缆，然后离开对接平台602。
B：无线充电：
如图2所示，在需要进行无线充电时，水下运载器依据之前录入的水下能源补给平台的准确位置，行驶至平台附近，悬停于对接平台602上，并靠近无线充电接口604，接着水下运载器向充电模块释放充电信号，无线充电接口604接受充电信号，开始充电和传输信息，当水下运载器充电完成后向充电模块释放结束信号，无线充电接口604关闭，充电结束，然后离开对接平台602。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：包括设置于海底且利用海底洋流能产出电能的海底洋流能发电模块(1)、用于储存电能并向水下氢气储存加注模块(4)及水下氧气储存加注模块(5)提供电能的水下蓄电模块(2)、用于制造氢气、氧气的水下制氢/制氧模块(3)、用于氢气补给的水下氢气储存加注模块(4)、用于氧气补给的水下氧气储存加注模块(5)、及用于实现多种充电方式的水下有线/无线充电模块(6)，所述海底洋流能发电模块(1)通过光电复合海缆连接水下蓄电模块(2)，所述水下蓄电模块(2)通过多根光电复合海缆分别连接水下制氢/制氧模块(3)、水下氢气储存加注模块(4)、水下氧气储存加注模块(5)及水下有线/无线充电模块(6)，所述水下制氢/制氧模块(3)分别通过多根跨接管连接水下氢气储存加注模块(4)及水下氧气储存加注模块(5)。
2.如权利要求1所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：所述海底洋流能发电模块(1)包括多组水下洋流能发电装置(101)、用于将水下洋流能发电装置(101)发出的不稳定交流电转为直流电的AC/DC整流装置(102)及控制器(103)，各组水下洋流能发电装置(101)均通过光电复合海缆与AC/DC整流装置(102)的输入端串联，所述AC/DC整流装置(102)的输出端与控制器(103)的输入端电连接。
3.如权利要求1所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：所述水下蓄电模块(2)包括用于对海底洋流能发电模块(1)输送的电能进行储存的蓄电池组(201)及用于将蓄电池组(201)输出的光电复合海缆分成多个支路、并用于输送至水下制氢/制氧模块(3)及水下有线/无线充电模块(6)的分支器(205)。
4.如权利要求1所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：所述水下制氢/制氧模块(3)包括用于将电解液电解生成氢气和氧气的电解槽(301)，在所述电解槽(301)上设置用于对电解槽(301)内部进行电解液补充的第一水下连接器(303)。
5.如权利要求1所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：所述水下氢气储存加注模块(4)包括用于除去氢气中水分杂质的第一气液分离器(401)、用于对氢气提纯的氢气纯化器(402)、用于缓冲提纯氢气的氢气缓冲罐(403)、用于对氢气进行增压的第一压缩机(404)、用于对增压氢气进行储存的氢气储罐(405)；所述第一气液分离器(401)、氢气纯化器(402)、氢气缓冲罐(403)、第一压缩机(404)及氢气储罐(405)依次通过管路串联；所述氢气储罐(405)的出口还通过跨接管并联多个用于运载器加注液口对接第二水下连接器(411)，在连接各第二水下连接器(411)入口的跨接管上还安装第一阀门(410)。
6.如权利要求1所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：所述水下氧气储存加注模块(5)包括用于除去氧气中水分杂质的第二气液分离器(501)、用于提纯氧气的氧气纯化器(502)、用于储存提纯氧气的氧气缓冲罐(503)、用于对氧气进行增压的第二压缩机(504)、用于储存增压后氧气的氧气储罐(505)；所述第二气液分离器(501)、氧气纯化器(502)、氧气缓冲罐(503)、第二压缩机(504)及氧气储罐(505)依次通过管路串联；所述氧气储罐(505)的出口还通过跨接管并联多个用于运载器加注液口对接第三水下连接器(511)、在连接各第三水下连接器(511)入口的跨接管上还安装第二阀门(510)。
7.如权利要求1所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：所述水下有线/无线充电模块(6)包括用于电能管理及信息处理的接驳盒(601)、用于充电时接驳盒(601)与水下运载器引导对接的对接平台(602)、用于为水下运载器进行水下充电的湿式插拔接口(603)、用于为水下运载器提供无线充电的无线充电接口(604)，用于水下运载器充电时状态监控与信息交换的信息监控与转换器(605)；所述对接平台(602)设置于接驳盒(601)的顶部。
8.如权利要求1～7任一权利要求所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：于所述海底洋流能发电模块(1)、水下蓄电模块(2)、水下制氢/制氧模块(3)、水下氢气储存加注模块(4)、水下氧气储存加注模块(5)中均设置用于保护设备不受海底高压损坏的耐压舱，所述海底洋流能发电模块(1)、水下蓄电模块(2)、水下制氢/制氧模块(3)、水下氢气储存加注模块(4)、水下氧气储存加注模块(5)内的耐压舱的外围均设置防护罩，所述防护罩与用于与海底固接的安装底座连接。
9.如权利要求7所述的一种利用海洋可再生能源的多耦合式水下能源补给系统，其特征在于：在所述接驳盒(601)的外围也设置防护罩，所述防护罩与用于与海底固接的安装底座连接。
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