CN111628561A - 基于清洁能源的可移动浮式平台系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于基于清洁能源的可移动浮式平台系统，包块清洁能源发电设备、制氢系统、燃料电池、蓄电池、控制器以及负载。清洁能源发电设备包括太阳能电池板、波浪能发电装置、风力发电设备，其产生的电能通过控制器后为制氢系统供电或者储存在蓄电池中。浮式平台可以通过燃料电池和蓄电池为平台上的设备供电：制氢系统将产生的氧气和氢气传输到燃料电池产生电能后经控制器为负载供电，蓄电池经过控制器为负载供电；当浮式平台停靠时，它可以充当小型发电厂和制氢工厂，向陆地设施提供电能和液氢。

Description

基于清洁能源的可移动浮式平台系统
技术领域
本发明属于新能源应用领域，尤其涉及一种基于清洁能源的可移动浮式平台系统。
背景技术
21世纪，随着全球及国内能源供应紧张局面的加剧及能源价格的不断上涨，中国经济社会发展将面临越来越严重的能量瓶颈制约。加快开发储量丰富的波浪能资源，对中国经济的转型升级和可持续发展具有重要战略意义。
如今，氢燃料电池获得了世界各国的关注，使其获得了突飞猛进的发展。氢燃料电池不仅可以车用，在军事领域同样有着极大的潜力：无人机、潜艇、坦克等载具使用燃料电池相较于发动机可以降低噪音和热源，相较于锂电池极大提升续驶里程；现代化单兵作战电源的使用中，燃料电池同样最为可能的长续航能源；在分布式发电的场景，燃料电池同样可以承担和柴油机相似的作用，并且有着更低的噪声、振动和污染。
在海洋中，利用海水制氢并通过燃料电池产生电能，不仅能够实现就地取材，降低运输成本的目标，而且还能为海上浮式平台以及海岸沿线提供清洁能源。
发明内容
为实现完全的清洁能源供给，本发明提供一种基于清洁能源的可移动浮式平台系统。利用搭载太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置的浮式平台，可以通过燃料电池和蓄电池为平台上的设备供电；当浮式平台停靠时，它可以充当小型发电厂和制氢工厂，向陆地设施提供电能和液氢。
本发明的具体技术方案为：
基于清洁能源的可移动浮式平台系统包括：太阳能电池板、波浪能发电装置、风力发电装置、制氢系统、燃料电池、蓄电池、控制器、负载、交流母线、浮式平台、微网以及陆地储氢设施。
优选的，所述控制器包括单向DC/DC变换器、DC/AC逆变器以及中央处理器；所述负载包括平台内的负载与平台外的负载；所述浮式平台搭载太阳能电池板、波浪能发电装置、风力发电装置、制氢系统、燃料电池、蓄电池、控制器以及交流母线。
优选的，所述制氢系统包括：FFPWEC(Floating Flapping-Panel Wave EnergyConvertor-FFPWEC)系统、海水泵、海水淡化及净化系统、海水处理系统、存储区、电解池、压缩液化系统以及液化系统。
优选的，所述FFPWEC系统为海水泵、海水淡化及淡化系统、海水处理系统、电解池、压缩液化系统以及液化系统分配电能；
所述海水泵抽取海水并将其传送到海水淡化及净化系统；
所述海水淡化及净化系统将分离出的盐水传送到海水处理系统；
所述海水处理系统将分离出的氯、钠、镁、硫、钙及钾等化学物质传送到储存区中；
所述海水淡化及净化系统将其所产生的纯水传送到电解池中；
所述电解池进行电解产生高纯度氢气和氧气并将其传送到压缩液化系统；
所述压缩液化系统对氢气和氧气进行压缩和液化后将其传送到液化系统；
所述液化系统将氢气和氧气制成液氢和液氧并将其分别存储在储氢区和储氧区。
优选的，所述太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置通过单向DC/DC变换器向制氢系统供电；
所述太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置通过单向DC/DC变换器向蓄电池充电；
所述制氢系统产生的液氢和液氧输送到燃料电池产生电能，并通过DC/AC逆变器与交流母线相连从而向交流母线输出电能；
所述蓄电池通过DC/AC逆变器与交流母线相连从而向交流母线输出电能；
所述平台内的负载与交流母线相连并由其供电；
所述微网与交流母线相连，由交流母线向微网传输电能，同时，蓄电池也可以经过交流母线从微网获取电能进行充电；
所述平台外的负载与微网相连，由微网进行供电；
所述陆地储氢设施通过管路与制氢系统相连，存储多余的液氢。
优选的，所述波浪能发电装置包括一级能量转换部和二级能量转换部；
所述波浪能发电装置具有独特的漂浮摆上升和下沉机制、系统保护机制、漂浮摆调节机制和先进的防腐蚀和维护技术；所述波浪能发电装置效率高于大多数波浪能发电装置。
优选的，所述一级能量转换部包括漂浮摆、斜坡、支架和液压缸，所述二级能量转换部包括低压蓄能器、高压蓄能器以及发电机。
支架固定在岸边，液压缸、漂浮摆和斜坡均安装于支架外侧表面，漂浮摆的表面与液压缸的活塞杆连接。通过漂浮摆进行发电的过程为：一开始时，两个蓄能器中的压力相当，当浪打过来的时候，漂浮摆转动推动液压缸活塞杆，将液压油挤压到其中一个蓄能器中，使其中的压力不断上升，这就形成了相对来说的高压蓄能器，另一个则为低压蓄能器。当高压蓄能器中的压力升高到一定程度时，其释放液压油推动发电机进行发电，释放掉的液压油压入低压蓄能器，完成一次发电过程。这个过程肯定会有能量消耗，所以低压蓄能器中的压力不能再达到之前高压蓄能器中的压力，等待下一次海浪继续为蓄能器加压以重复以上过程进行发电。其中，位于下方的斜坡是用来减少能量损失的，如果没有这个斜坡，那一部分浪就会从漂浮摆下面流过，从而损失掉部分能量。为了能充分利用波浪能，下面的漂浮摆的角度需要根据波浪的频率和波高进行调整，在浪打过来的时候，会冲击到斜坡上，激起波浪。
优选的，所述单向DC/DC变换器与中央处理器通讯并由中央处理器控制其工作状态，从而实现对太阳能电池板和波浪能发电装置输出电压的控制；
所述DC/AC逆变器与中央处理器通讯并由中央处理器控制其工作状态，从而将燃料电池和蓄电池的直流电转换成交流电向交流母线传输电能；
所述太阳能电池板、波浪能发电装置、风力发电装置、燃料电池以及蓄电池与中央处理器通讯，通过中央处理器采集太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置的发电量信息以及燃料电池和蓄电池的剩余电量。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1.将波浪能、光能、风能、氢能四种种清洁能源相结合，充分利用海洋中丰富的能源，不会产生任何污染物，缓解能源压力。
2.不仅可以为浮式平台提供能源，使浮式平台自给自足，而且可以为陆地设施提供电能和氢能。
3.波浪能发电装置的效率高于绝大多数同类装置，最高可达65.7％。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的详细原理框图。
图3是本发明的制氢系统原理框图。
图4是本发明的波浪能发电装置原理图。
图5为缓冲传力部结构示意图。
图6为双向功能板工作示意图。
图7为抵浪漏水部处放大示意图。
图8为迎浪板下表面结构示意图。
图9为板侧挡浪槽结构示意图。
图中：1、迎浪板，2、穿板槽，3、架板孔，4、双向功能板，5、堵浪部，6、板侧挡浪槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
如图1所示，本发明包括安装在浮式平台上的清洁能源发电设备、制氢系统、燃料电池、蓄电池以及控制器；负载可以是船上或陆地上的用电设备。
如图3所示，所述的清洁能源发电设备包括太阳能电池板、波浪能发电设备以及风力发电装置；所述的控制器包括单向DC/DC变换器、DC/AC逆变器以及中央处理器；
太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置通过单向DC/DC变换器将其所产生的电能调节到设定的电压值后为制氢系统供电并为蓄电池充电；
如图4所示，所述波浪能发电装置包括漂浮摆、斜坡、支架、液压缸、低压蓄能器、高压蓄能器以及发电机；支架固定在岸边，液压缸、漂浮摆和斜坡均安装于支架外侧表面，漂浮摆的表面与液压缸的活塞杆连接。通过漂浮摆进行发电的过程为：一开始时，两个蓄能器中的压力相当，当浪打过来的时候，漂浮摆转动推动液压缸活塞杆，将液压油挤压到其中一个蓄能器中，使其中的压力不断上升，这就形成了相对来说的高压蓄能器，另一个则为低压蓄能器。当高压蓄能器中的压力升高到一定程度时，其释放液压油推动发电机进行发电，释放掉的液压油压入低压蓄能器，完成一次发电过程。这个过程肯定会有能量消耗，所以低压蓄能器中的压力不能再达到之前高压蓄能器中的压力，等待下一次海浪继续为蓄能器加压以重复以上过程进行发电。其中，位于下方的斜坡是用来减少能量损失的，如果没有这个斜坡，那一部分浪就会从漂浮摆下面流过，从而损失掉部分能量。为了能充分利用波浪能，下面的漂浮摆的角度需要根据波浪的频率和波高进行调整，在浪打过来的时候，会冲击到斜坡上，激起波浪。
波浪能发电装置通过随着起伏的波涛上下运动的的漂浮摆和斜坡、上升力、水位变化、液压杆，以及波浪的入射通量来从波浪能中采集能源。
漂浮摆和斜坡都配备了传感器，能够监测周围的海洋环境，当有风暴来临，为了保护系统不受机械损伤，该系统可以自动识别波浪类型并将漂浮摆升到水位以上或者将其下沉到海洋中；当浪高恢复到正常水平时，系统会重新开始能量转换工作。
特别地，漂浮摆上还有缓冲传力部，缓冲传力部包括迎浪板1和弹簧，迎浪板1通过弹簧连接于漂浮摆的迎浪表面上，迎浪板1为平面板，缓冲传力部的主要作用就是在海浪和漂浮摆之间建立中间传力结构，防止海浪长时间直接拍打漂浮摆表面而引起漂浮摆表面受损或整体结构受损。
在所述迎浪板1上还有抵浪漏水部，抵浪漏水部包括穿板槽2、架板孔3和双向功能板 4，穿板槽2为水平延伸的贯穿所述迎浪板1的直条槽，穿板槽2在迎浪板1上间隔排列，架板孔3为自迎浪板1的下表面靠近穿板槽2的下口上侧两端边缘处向外延伸的中空圆环，双向功能板4通过板侧插杆安装于两侧的架板孔3之间，板侧插杆为自双向功能板4边缘处向外反向延伸的直杆，嵌入架板孔3后，可以实现双向功能板4的转动，这样，当初始状态下，双向功能板4向下垂下，当有海浪拍打而来时，双向功能板4绕着架板孔3处转动，覆盖在穿板槽2中，这时，海浪的冲击能量依然能够被缓冲传力部吸收，使得漂浮摆发生运动，而当海浪经过迎浪板1后，从斜坡表面返回时，海浪水会出现在迎浪板1相对双向功能板4 的另一侧，这时，依靠海水重力，双向功能板4会打开穿板槽2，使得海水能从穿板槽2流下，使得迎浪板1不会受到过大的海水下压阻力，从而能够在下一次海浪迎击时具有较好的上升能力。所以，抵浪漏水部能够使得迎浪板1在迎击海浪时尽量承受和吸收海浪能量，而在完成海浪的迎击后，让原本阻止迎浪板1运动的海水从穿板槽2流过，减少海水阻力。
架板孔3之间可以设置用于限制双向功能板4转动角度的姿态保持杆，姿态保持杆为连接两侧的架板孔3的下端处的水平直杆，用于防止双向功能板4与迎浪板1表面距离过大。
特别的，双向功能板4末端还有堵浪部5，堵浪部5为自双向功能板4的末端向外延展并逐渐远离穿板槽2一侧方向的弧形面板，堵浪部5可以继续受流经双向功能板4表面的海水的力，使得海浪的冲击能量得到更好的吸收。
还有用于收集方向不规则的海浪能量的板侧挡浪槽6，板侧挡浪槽6包括直下面和斜下面，直下面为垂直于迎浪板1的下表面两侧并向迎浪板1内部延伸的直面，斜下面为自所述直下面的末端向迎浪板1表面反向延展的倾斜面。板侧挡浪槽6的主要作用是吸收方向不规则的海浪的能量，即当海浪的运动方向与迎浪板1的侧向重合较多时，海浪可以撞击斜下面，从而尽可能地吸收这部分海浪的能量。
如图2所示，制氢系统中的FFPWEC系统为海水泵、海水淡化及净化系统、海水处理系统、电解池、压缩液化系统以及液化系统分配电能；
海水泵抽取海水并将其传送到海水淡化及净化系统；
海水淡化及净化系统将分离出的盐水传送到海水处理系统；
海水处理系统将分离出的氯、钠、镁、硫、钙及钾等化学物质传送到储存区中；
海水淡化及净化系统将其所产生的纯水传送到电解池中；
电解池进行电解产生高纯度氢气和氧气并将其传送到压缩液化系统；
压缩液化系统对氢气和氧气进行压缩和液化后将其传送到液化系统；
液化系统将氢气和氧气制成液氢和液氧并将其分别存储在储氢区和储氧区；
将储氢区和储氧区的氢气和氧气传输到燃料电池中，燃料电池产生电能通过DC/AC逆变器将直流电转换为交流电后向交流母线传输电能；
储氢区和储氧区的氢气和氧气可以输送到陆地上，供陆地上的设备使用；
蓄电池通过DC/AC逆变器将直流电转换为交流电后向交流母线传输电能；
平台内的负载都接在交流母线上，直接由其供电；
平台外的负载与微网相连，由微网进行供电；
中央处理器与清洁能源发电设备通讯，从而获取太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置的发电信息；
中央处理器与单向DC/DC变换器通讯，根据清洁能源发电设备的发电信息控制变换器，使变换器输出的电压与制氢系统和蓄电池充电电压相匹配；
中央处理器与燃料电池、蓄电池通讯，从而获取蓄电池与燃料电池的电量信息；
中央处理器与DC/AC逆变器通讯，根据燃料电池和蓄电池的电量信息控制变换器：当电量充足时，向外供电；电量低时，停止供电。

Claims (8)

1.基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于包括：太阳能电池板、波浪能发电装置、风力发电装置、制氢系统、燃料电池、蓄电池、控制器、负载、交流母线、浮式平台、微网以及陆地储氢设施。
2.根据权利要求1所述的基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于：所述控制器包括单向DC/DC变换器、DC/AC逆变器以及中央处理器；所述负载包括平台内的负载与平台外的负载；所述浮式平台搭载太阳能电池板、波浪能发电装置、风力发电装置、制氢系统、燃料电池、蓄电池、控制器以及交流母线。
3.根据权利要求1或2所述的基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于：所述制氢系统包括：FFPWEC(Floating Flapping-Panel Wave Energy Convertor-FFPWEC)系统、海水泵、海水淡化及净化系统、海水处理系统、存储区、电解池、压缩液化系统以及液化系统。
4.根据权利要求3所述的基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于：
所述FFPWEC系统为海水泵、海水淡化及净化系统、海水处理系统、电解池、压缩液化系统以及液化系统分配电能；
所述海水泵抽取海水并将其传送到海水淡化及净化系统；
所述海水淡化及净化系统将分离出的盐水传送到海水处理系统；
所述海水处理系统将分离出的氯、钠、镁、硫、钙及钾等化学物质传送到储存区中；
所述海水淡化及净化系统将其所产生的纯水传送到电解池中；
所述电解池进行电解产生高纯度氢气和氧气并将其传送到压缩液化系统；
所述压缩液化系统对氢气和氧气进行压缩和液化后将其传送到液化系统；
所述液化系统将氢气和氧气制成液氢和液氧并将其分别存储在储氢区和储氧区。
5.根据权利要求1或2所述的基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于：
所述太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置通过单向DC/DC变换器向制氢系统供电；
所述太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置通过单向DC/DC变换器向蓄电池充电；
所述制氢系统产生的液氢和液氧输送到燃料电池产生电能，并通过DC/AC逆变器与交流母线相连从而向交流母线输出电能；
所述蓄电池通过DC/AC逆变器与交流母线相连从而向交流母线输出电能；
所述平台内的负载与交流母线相连并由其供电；
所述微网与交流母线相连，由交流母线向微网传输电能；
所述平台外的负载与微网相连，由微网进行供电；
所述陆地储氢设施通过管路与制氢系统相连，存储多余的液氢。
6.根据权利要求1所述的基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于：所述波浪能发电装置包括一级能量转换部和二级能量转换部。
7.根据权利要求6所述的基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于：所述一级能量转换部包括漂浮摆、斜坡、支架和液压缸，所述二级能量转换部包括低压蓄能器、高压蓄能器以及发电机。
8.根据权利要求3所述的基于清洁能源的可移动浮式平台系统，其特征在于：
所述单向DC/DC变换器与中央处理器通讯并由中央处理器控制其工作状态，从而实现对太阳能电池板和波浪能发电装置输出电压的控制；
所述DC/AC逆变器与中央处理器通讯并由中央处理器控制其工作状态，从而将燃料电池和蓄电池的直流电转换成交流电向交流母线传输电能；
所述太阳能电池板、波浪能发电装置、风力发电装置、燃料电池以及蓄电池与中央处理器通讯，通过中央处理器采集太阳能电池板、波浪能发电装置以及风力发电装置的发电量信息以及燃料电池和蓄电池的剩余电量。
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