CN111926852B - 一种近海制氢平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近海制氢平台，包括从上到下依次连接的水平轴风电机组、风电机塔筒和风机桩基础；风机桩基础位于近海制氢平台的迎风角且垂直于海平面；由风机桩基础、若干立柱、若干上方横撑、若干下方横撑和若干斜撑共同形成为空间框架结构的导管架底座；设置在若干上方横撑围成的平面内的甲板；位于甲板上的生产生活建筑；位于生产生活建筑内的制氢模块；位于生产生活建筑的屋面上的直升机停机坪以及若干太阳能光伏板，制氢模块能利用水平轴风电机组和/或太阳能光伏板产生的电能电解水以制得氢气，本发明的近海制氢平台尤其适合水深达50米以内的海区，稳定性好、运动幅度很小，能很好地通过海上风能和太阳能制氢，可以有效降低制氢成本。

Description

一种近海制氢平台
技术领域
本发明涉及海上制氢领域，特别是涉及一种近海制氢平台。
背景技术
加快全球能源转型，实现绿色低碳发展，是当今国际社会的共同使命。可再生能源制氢技术作为一种新型的储能方式，是缓解弃风弃光问题的有效手段，沿海地区风资源与水资源十分丰富，利用海上可再生能源制氢，可以充分利用资源，缓解能源紧缺的问题。但是，目前，在海上方面，尚无成熟商业运行的风电制氢系统，大规模风电制氢储能的示范工程设计经验不足，在系统的关键性技术、效率提升和经济性方面未能取得实质性的进展，还尚未研发出一种真正可以在海上进行大量制氢的工程装备。因此，大力研究和发展海上可再生能源制氢装备和技术，是十分必要的。
发明内容
为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种近海制氢平台。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种近海制氢平台，包括水平轴风电机组、风电机塔筒、风机桩基础、导管架底座、甲板、生产生活建筑、制氢模块、直升机停机坪和若干太阳能光伏板，其中：所述风电机塔筒的一端与所述风机桩基础连接，另一端与所述水平轴风电机组连接，所述风机桩基础位于所述近海制氢平台的迎风角，当所述近海制氢平台固定于海床时，所述风机桩基础垂直于海平面；所述导管架底座是由所述风机桩基础、若干立柱、若干上方横撑、若干下方横撑和若干斜撑围成的空间框架结构，所述风机桩基础和若干立柱是所述空间框架结构的侧棱，若干所述上方横撑水平连接在所述风机桩基础的上部和所述立柱的上部，若干所述下方横撑水平连接在所述风机桩基础的下部和所述立柱的下部，若干所述斜撑交叉地连接在所述空间框架结构的每个侧面内；所述甲板设置在若干所述上方横撑围成的平面内；所述生产生活建筑设置在所述甲板上，远离所述近海制氢平台的迎风角，即远离所述水平轴风电机组，与所述近海制氢平台的迎风角在方位上相对；所述制氢模块位于所述生产生活建筑内，并能利用所述水平轴风电机组和/或所述太阳能光伏板产生的电能电解水以制得氢气；所述直升机停机坪设置在所述生产生活建筑的屋面上，并远离所述甲板的迎风角；若干所述太阳能光伏板设置在以下空间中的至少一个上：(1)所述生产生活建筑的屋面上除了所述直升机停机坪外的剩余屋面；(2)所述产生活建筑的侧立面；(3)所述甲板上除了所述生产生活建筑外的剩余空间；所述近海是指水深50米以内的海区。
优选地，所述导管架底座中，包括三条立柱、四条上方横撑、四条下方横撑和八条斜撑；三条所述立柱与所述风机桩基础平行，所述空间框架结构是一个立方体形的空间框架结构，在所述立方体形的空间框架结构的每个侧面内，两条斜撑沿所述侧面的对角线交叉连接。
优选地，所述导管架底座中，包括三条立柱、四条上方横撑、四条下方横撑和八条斜撑；三条所述立柱从上向下且向外倾斜地设置，所述空间框架结构是一个棱台形的空间框架结构，在所述棱台形的空间框架结构的每个侧面内，两条斜撑沿所述侧面的对角线交叉连接。
优选地，所述风机桩基础的外径大于所述立柱的外径；所述立柱的外径大于所述下方横撑、所述斜撑和所述上方横撑的外径。
优选地，所述风机桩基础的外径为5m以上；所述立柱的外径为2～3.5m，所述下方横撑、所述斜撑和所述上方横撑的直径均为0.8～2m，且均比所述立柱的外径小0.5m以上。
优选地，当将所述近海制氢平台固定于海床时，所述上方横撑的下沿与海平面的距离至少为10m，或者所述上方横撑的下沿与海平面的距离为最大波高的1.2～1.6倍。
优选地，所述生产生活建筑内包括：中控和储电模块、所述制氢模块、海水淡化模块和生活模块，所述中控和储电模块的电力输入分别与所述水平轴风电机组和所述太阳能光伏板电连接，电力输出分别与所述制氢模块、所述海水淡化模块和所述生活模块连接，所述海水淡化模块用于将海水淡化成淡水后输入到所述制氢模块中用于制氢。
优选地，所述导管架底座是由所述风机桩基础、若干立柱、若干上方横撑、若干下方横撑和若干斜撑焊接而成的空间框架结构。
优选地，在所述生产生活建筑内，所述海水淡化模块距离所述水平轴风电机组最远，所述中控和和储电模块位于与所述海水淡化模块相对的位置，距离所述水平轴风电机组最近，所述制氢模块分别和所述海水淡化模块及所述中控和储电模块相邻，所述生活模块分别和所述海水淡化模块及所述中控和储电模块也相邻，但和所述制氢模块不相邻，位于与所述制氢模块相对的位置。
优选地，所述甲板为矩形，设置在四条所述上方横撑围成的矩形平面内。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：
(1)本发明的近海制氢平台综合考虑用电负载和可再生能源潜力，合理配置系统容量，协调发电设备、用电设备，减小天气和海洋环境因素对发电波动的影响，保证系统供电的可靠性，协调风能和太阳能互补发电，减小发电不稳定对电网的冲击。
(2)本发明的导管架底座以风机桩基础作为主要的支撑立柱，且垂直于海平面设置，通过若干立柱、若干上方横撑、若干下方横撑和若干斜撑共同围成空间框架结构，风机桩基础和立柱起主要承重作用，上方横撑、下方横撑和斜撑起加强和提高整体性作用，导管架底座的强度、稳定性和运动性能很好，当近海制氢平台固定在海床时，在导管架底座支撑下，近海制氢平台整体的运动幅度很小，即使在不利的海况下，也能正常发电、制氢。
(3)本发明优化了制氢平台各设施的空间配置，综合利用同一空间的多维能源，提高了给定空间(即甲板所在的空间)下的海上能源开发利用率，将风能和太阳能发的电在本平台上直接使用，用来制氢，而没有远距离输电至岸上，因此起到缓解弃风弃光的作用，这对于就地提升综合能源系统中风光电的消纳能力具有重要意义。
(4)通过海上风能和太阳能制氢，可以有效降低制氢成本，获得显著的经济效益。
(5)进一步地，生产生活建筑内分为四个模块，距离风电机组最远端的模块为所述海水淡化模块；距离风电机组最近端的模块为所述中控和储电模块；所述制氢模块分别和所述海水淡化模块及所述中控和储电模块相邻；所述生活模块分别和所述海水淡化模块及所述中控和储电模块也相邻，但和所述制氢模块不相邻，位于与所述制氢模块相对的位置；因各模块间距合理紧凑，能尽量减少电缆长度，降低成本，提高空间利用率。良好的布局设计是发电系统可靠运行、平台结构稳定、抗外界干扰性能好的重要保证，也是实现平台无人值守和可靠运行的基础。
(6)进一步地，将与制氢相关的各模块均置于生产生活建筑这一封闭空间内，避免了海洋环境的侵蚀，从而延长了各模块的寿命，也便于及时检修。
本发明的近海制氢平台在同一结构物上结合了水平轴风电机组、太阳能光伏板、制氢模块等，尤其适用于水深50米以内的海区，风机桩基础成为支撑近海制氢平台的一部分，因此稳定性佳，在风浪作用下运动幅度小，工作人员可以在该平台上生活和从事检修等活动，也可以高度自动化实现无人值守。
附图说明
图1是本发明一种实施例的近海制氢平台的立体结构示意图；
图2是图1的主视图；
图3是图1的俯视图；
图4是将图3中的水平轴风电机组和生产生活建筑的屋面去掉后的显示生产生活建筑的内部的示意图；
图5是本发明一种实施例的近海制氢平台制氢的工作流程示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
如图1-5所示，在一些实施例中，一种近海制氢平台(以下，可以简称为平台)包括水平轴风电机组1、风电机塔筒2、风机桩基础11、导管架底座、甲板6、生产生活建筑4、制氢模块42、直升机停机坪3和若干太阳能光伏板5。风电机塔筒2的上端与水平轴风电机组1固定连接，风电机塔筒2的下端与风机桩基础11的上端连接，当平台固定于海床时，风机桩基础11始终垂直于海平面，其下端固定于海床。导管架底座是由风机桩基础11、若干立柱9、若干上方横撑7、若干下方横撑10和若干斜撑8围成的空间框架结构(本例中，通过焊接的方式连接)，风机桩基础11和若干立柱9是空间框架结构的侧棱，若干上方横撑7水平连接在风机桩基础11的上部和立柱9的上部，且若干上方横撑7在同一个水平面内，若干下方横撑10水平连接在风机桩基础11的下部和立柱9的下部，且若干下方横撑10在同一个水平面内，并与上方横撑7所在的水平面平行，若干斜撑8交叉地连接在空间框架结构的每个侧面内，在本实施例中，有三条立柱9、四条上方横撑7、四条下方横撑10和八条斜撑8，三条立柱9均与风机桩基础11平行，空间框架结构是一个立方体形的空间框架结构，在立方体形的空间框架结构的每个侧面内(即四个侧面内)，两条斜撑10沿侧面的对角线交叉连接，甲板6是矩形结构，设置在四条上方横撑7围成的矩形平面内，为了导管架结构的稳定性、强度等考虑，相邻的两条侧棱之间的间距优选不超过30米，每超过30米，则最好在两条侧棱之间增加一根立柱，相应地，上方横撑、下方横撑和斜撑的数量也对应增加。在其他实施例中，三条立柱9也可以是从上向下且向外倾斜地设置，也即空间框架结构是一个棱台形的空间框架结构，风机桩基础11所在的两个相邻的侧面是直角梯形，而另两个相邻的侧面是等腰梯形，同样，在棱台形的空间框架结构的每个侧面内，两条斜撑沿侧面的对角线交叉连接。
风机桩基础11位于平台的迎风角(即平台安装于海床时，最主要的迎风方向所在的角)，生产生活建筑4设置在甲板6上，远离平台的迎风角，即远离水平轴风电机组1，与平台的迎风角在方位上是相对的，将生产生活建筑4远离水平轴风电机组1设置，可以减少风机噪声的影响，直升机停机坪3设置在生产生活建筑4的屋面(即屋顶所在平面)上，并远离甲板6的迎风角(甲板6的迎风角和平台的迎风角是在同一个方位)，也即，生产生活建筑4的屋面的一部分区域作为直升机停机坪3，优选地，直升机停机坪3所在的屋面的四个角下方均有加固结构31，设置直升机停机坪3可以便于人员及物资的运输，在本例中，一条上方横撑(在将平台固定在海床上应用时，该条上方横撑是指位于背风面的上方横撑)的外侧还设有护舷14，便于船只停靠。例如，在将平台应用在我国东南沿海时，由于我国东南沿海盛行东南风，因此，将平台固定安装于海床上时，平台的迎风角为东南角(而在其他国家或其他海域，平台的迎风角所在的方位则根据当地盛行的风向而定)以提高机组的发电效率，生产生活建筑4设置在甲板6上，远离平台的迎风角，即生产生活建筑4位于甲板上的与东南角相对的角，即位于甲板的西北角，直升机停机坪3设置在生产生活建筑4的屋面上并远离甲板6的迎风角(东南角)，即直升机停机坪3设置在生产生活建筑4的屋面上的西北角，北面的上方横撑外侧设有护舷14，便于船只停靠。
若干太阳能光伏板5设置在以下空间中的至少一个上：(1)生产生活建筑4的屋面上除了直升机停机坪3外的剩余屋面；(2)产生活建筑4的侧立面；(3)甲板6上除了生产生活建筑4外的剩余空间。在本例中，太阳能光伏板5在上述三个空间上均有布置，通过大面积地布置太阳能光伏板，能够充分利用平台上的空间，最大限度地利用太阳能资源。
制氢模块42位于生产生活建筑4内，并能利用水平轴风电机组和/或太阳能光伏板产生的电能电解水以制得氢气，本例中，具体来说，如图4至图5所示，生产生活建筑4内包括：中控和储电模块41、制氢模块42、海水淡化模块43和生活模块44，中控和储电模块41的电力输入分别与水平轴风电机组1和太阳能光伏板5电连接，电力输出分别与制氢模块42、海水淡化模块43和生活模块44电连接，海水淡化模块43用于将海水淡化成淡水后输入到制氢模块42中用于制氢。其中，海水淡化模块43距离水平轴风电机组1最远，其内部设有海水淡化、蓄水池、抽水泵等设备，直升机停机坪3对应设置在海水淡化模块所对应的生产生活建筑的屋面上，海水淡化模块43对应的甲板下部为海水抽取管道12和过滤器等；中控和储电模块41位于与海水淡化模块43相对的位置，距离水平轴风电机组1最近，中控和储电模块41配有逆变器、整流器等设备；制氢模块42分别和海水淡化模块43及中控和储电模块41相邻，设有电解槽、气体分离、送水泵、压缩气罐、储氢罐、冷却水等设备；生活模块44分别和海水淡化模块43及中控和储电模块41也相邻，但和制氢模块42不相邻，位于与制氢模块42相对的位置。生产时，一方面，先通过海水抽取管道12抽取海水存放至蓄水池，之后将海水在海水淡化模块43里进行多级淡化，再将淡化后的水送往制氢模块42进行电解，最后将制备好的氢气通过输氢管道13输送或压缩成瓶以船运的方式送往陆上，另一方面，风能和太阳能分别经过水平轴风电机组1和太阳能光伏板5之后转化为电能，这些电输送往中控和储电模块41，经由中控和储电模块41调度后供给制氢模块42、海水淡化模块43和生活模块44使用。本实施例将总发电量按需分配给生活用电、海水淡化用电、电解制氢用电以及储存一部分作为应急用电，合理配置了系统容量。
风能和太阳能二者发电的稳定性都不高，本发明通过风光互补，可以一定程度上缓解天气和海洋环境因素对发电波动的影响，因为导管架底座的良好支撑，平台的运动很小，使得在较大海况下，本平台依然还能正常运行。
在一些实施例中，风机桩基础的外径大于立柱的外径，立柱的外径大于下方横撑、斜撑和上方横撑的外径，较优的是，风机桩基础的外径为5m以上，立柱的外径为2～3.5m，下方横撑、斜撑和上方横撑的直径均为0.8～2m，且都比立柱的外径小0.5m以上，下方横撑、斜撑和上方横撑的直径可以相同，也可以不相同，为了便于制造，优选下方横撑、斜撑和上方横撑的直径相同。
当将平台固定于海床时，上方横撑的下沿与海平面的距离至少为10m，或者依照当地海况决定，上方横撑的下沿与海平面的距离为最大波高的1.2～1.6倍(例如1.5倍)。
平台中的导管架底座可以预先在岸上预制建造完成，然后由驳船运输至预定海域打桩固定，而后安装甲板，吊装风电机塔筒和水平轴风电机组，接着完成生产生活建筑和其内部的中控和储电、制氢、海水淡化、生活等模块的安装建设，最后安装太阳能光伏板。各模块安装完成后，通过中控和储电模块对产电、用电进行匹配与调度，若使用氢气输送管线，则还需要从制氢模块引出管线(如上述描述的输氢管道13)，和岸上加氢站等设施相连接，本发明可以实现离网制氢，并且建设纯氢运输管，降低氢气运输成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种近海制氢平台，其特征在于：包括水平轴风电机组、风电机塔筒、导管架底座、甲板、生产生活建筑、制氢模块、直升机停机坪和若干太阳能光伏板，其中：
所述风电机塔筒的一端与风机桩基础连接，另一端与所述水平轴风电机组连接，所述风机桩基础位于所述近海制氢平台的迎风角，当所述近海制氢平台固定于海床时，所述风机桩基础始终垂直于海平面，其下端固定于海床；
所述导管架底座是由所述风机桩基础、若干立柱、若干上方横撑、若干下方横撑和若干斜撑围成的空间框架结构，所述风机桩基础和所述立柱起主要承重作用，所述风机桩基础的外径大于所述立柱的外径，所述风机桩基础和若干立柱是所述空间框架结构的侧棱，若干所述上方横撑水平连接在所述风机桩基础的上部和所述立柱的上部，若干所述下方横撑水平连接在所述风机桩基础的下部和所述立柱的下部，若干所述斜撑交叉地连接在所述空间框架结构的每个侧面内；
所述甲板设置在若干所述上方横撑围成的平面内；
所述生产生活建筑设置在所述甲板上，远离所述近海制氢平台的迎风角，即远离所述水平轴风电机组，与所述近海制氢平台的迎风角在方位上相对；
所述制氢模块位于所述生产生活建筑内，并能利用所述水平轴风电机组和/或所述太阳能光伏板产生的电能电解水以制得氢气；
所述直升机停机坪设置在所述生产生活建筑的屋面上，并远离所述甲板的迎风角；
若干所述太阳能光伏板设置在以下空间中的至少一个上：（1）所述生产生活建筑的屋面上除了所述直升机停机坪外的剩余屋面；（2）所述生产生活建筑的侧立面；（3）所述甲板上除了所述生产生活建筑外的剩余空间；
所述近海是指水深50米以内的海区。
2.如权利要求1所述的近海制氢平台，其特征在于：所述导管架底座中，包括三条立柱、四条上方横撑、四条下方横撑和八条斜撑；三条所述立柱与所述风机桩基础平行，所述空间框架结构是一个立方体形的空间框架结构，在所述立方体形的空间框架结构的每个侧面内，两条斜撑沿所述侧面的对角线交叉连接。
3.如权利要求1所述的近海制氢平台，其特征在于：所述导管架底座中，包括三条立柱、四条上方横撑、四条下方横撑和八条斜撑；三条所述立柱从上向下且向外倾斜地设置，所述空间框架结构是一个棱台形的空间框架结构，在所述棱台形的空间框架结构的每个侧面内，两条斜撑沿所述侧面的对角线交叉连接。
4.如权利要求1~3任意一项所述的近海制氢平台，其特征在于：所述立柱的外径大于所述下方横撑、所述斜撑和所述上方横撑的外径。
5.如权利要求4所述的近海制氢平台，其特征在于：所述风机桩基础的外径为5m以上；所述立柱的外径为2~3.5m，所述下方横撑、所述斜撑和所述上方横撑的直径均为0.8~2m，且均比所述立柱的外径小0.5m以上。
6.如权利要求1~3任意一项所述的近海制氢平台，其特征在于：当将所述近海制氢平台固定于海床时，所述上方横撑的下沿与海平面的距离至少为10m，或者所述上方横撑的下沿与海平面的距离为最大波高的1.2~1.6倍。
7.如权利要求1~3任意一项所述的近海制氢平台，其特征在于：所述生产生活建筑内包括：中控和储电模块、所述制氢模块、海水淡化模块和生活模块，所述中控和储电模块的电力输入分别与所述水平轴风电机组和所述太阳能光伏板电连接，电力输出分别与所述制氢模块、所述海水淡化模块和所述生活模块连接，所述海水淡化模块用于将海水淡化成淡水后输入到所述制氢模块中用于制氢。
8.如权利要求1~3任意一项所述的近海制氢平台，其特征在于：所述导管架底座是由所述风机桩基础、若干立柱、若干上方横撑、若干下方横撑和若干斜撑焊接而成的空间框架结构。
9.如权利要求7所述的近海制氢平台，其特征在于：在所述生产生活建筑内，所述海水淡化模块距离所述水平轴风电机组最远，所述中控和和储电模块位于与所述海水淡化模块相对的位置，距离所述水平轴风电机组最近，所述制氢模块分别和所述海水淡化模块及所述中控和储电模块相邻，所述生活模块分别和所述海水淡化模块及所述中控和储电模块也相邻，但和所述制氢模块不相邻，位于与所述制氢模块相对的位置。
10.如权利要求2~3任意一项所述的近海制氢平台，其特征在于：所述甲板为矩形，设置在四条所述上方横撑围成的矩形平面内。
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