CN112832943A - 一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统 - Google Patents
一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112832943A CN112832943A CN202011546469.7A CN202011546469A CN112832943A CN 112832943 A CN112832943 A CN 112832943A CN 202011546469 A CN202011546469 A CN 202011546469A CN 112832943 A CN112832943 A CN 112832943A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- seawater
- energy
- ocean current
- hydrogen
- current energy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013535 sea water Substances 0.000 title claims abstract description 236
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 99
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 99
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 78
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 60
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 claims description 45
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 39
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 24
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 11
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
- C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
- H02K7/1807—Rotary generators
- H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/124—Water desalination
- Y02A20/131—Reverse-osmosis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于海流能的淡‑氢联供海水资源综合利用系统，包括海流能捕获系统、海水淡化系统，制氢系统；所述海流能捕获系统包括海流能机组，所述海流能机组包括捕获海流的叶轮，所述叶轮通过机组传动链相继与发电机、海水液压泵耦合连接，所述发电机与制氢系统连接将获得的能量输出三相电给制氢系统，所述海水液压泵与海水淡化系统连接将海水淡化系统的预处理后的海水加压后输送到反渗透膜组件进行海水淡化；所述制氢系统与海水淡化系统连接将淡化后的海水电解制氢。本发明先将叶轮受到海流驱动捕获机械能，通过机组传动链相继传递给发电机和海水液压泵，减少能量的转换，避免了能量多级转换带来的额外损耗，提高对可再生能源的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及海流能发电设施领域，具体涉及一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统。
背景技术
海洋中蕴藏着大量的海洋能，是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，开发和利用海洋能可以改善能源结构，减少环境污染。中国沿海海流能丰富,有很高的开发价值和潜力，对经济发展、环境保护有重大意义。我国对海流能的利用已进入百千瓦级海上示范运行阶段，兆瓦级机组、阵列化发电也处于筹备阶段，同时也在探索商业化的可行性。
随着海流能机组功率等级的不断提高，其昂贵的海上电缆、高压电站等输配电系统，以及现场施工成本严重制约了海洋能发电技术的发展。较高的成本会阻碍海流能发电的商业化进程，需要一种切实有效的方案来降低成本，实现海洋能的有效利用。
电解水制氢是可再生能源有效利用的新途径，而在海流能丰富的沿海以及无人岛屿等地区，淡水资源紧缺，无法满足电解制氢设备所需的大量淡水资源。需要海流能机组同时供给能量给海水淡化装置制取淡水。如使用反渗透海水淡化装置，常规的设施配置包括：海流能发电机组、电力电子装置、高压海水泵、RO膜、能量回收装置等。其能量转换过程为：海流能-叶轮及传动链的机械能-发电机产生的电能-高压海水泵的机械能-高压海水的压力能。经过了多级能量转换，且需要较多的电力电子装置将电解槽与高压海水泵的电机耦合，合理进行功率分配，增加了系统的复杂性，并且降低了能量利用率。
发明内容
为解决现在技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，以实现海流能的“海能海用”，获得稀缺的淡水资源并产出“绿色”氢气，同时降低系统的复杂程度，提高可再生能源的能量利用率。
本发明采用的技术方案是：
一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：包括海流能捕获系统、海水淡化系统，制氢系统；
所述海流能捕获系统包括海流能机组，所述海流能机组包括捕获海流的叶轮，所述叶轮通过机组传动链相继与发电机、海水液压泵耦合连接，所述发电机与制氢系统连接将获得的能量输出三相电给制氢系统，所述海水液压泵与海水淡化系统连接将海水淡化系统的预处理后的海水加压后输送到反渗透膜组件进行海水淡化；
所述制氢系统与海水淡化系统连接将淡化后的海水电解制氢。本发明中叶轮受到海流驱动捕获机械能，通过机组传动链相继传递给发电机和海水液压泵，减少能量的转换，避免了能量多级转换带来的额外损耗，提高对可再生能源的利用效率。
进一步，所述海流能捕获系统还包括海上安装平台，所述海流能机组安装于海上安装平台上。
进一步，所述海水液压泵为变排量泵，对海流能机组同一转速下海水淡化系统的海水压力能输入功率的主动控制。在利用海流能这种不稳定可再生能源发电时，利用变量泵灵活改变海水淡化系统的功率，以调节叶轮的转矩使其运行在最佳叶尖速比附近实现最大能量捕获控制，平抑制氢系统的电解制氢设备的功率波动，使其处于高效率工作点，提高整机能源利用效率。同时可配合制氢系统的电力电子装置，根据用户对氢气产量或淡水产量的需求，主动改变制氢制淡功率分配，满足用户的不同要求。
进一步，叶轮转矩的控制过程如下：
对于一个翼型给定的叶轮的桨叶，其能量捕获系数曲线可通过叶素动量理论计算获得，存在一个最佳叶尖速比使得叶轮能量捕获系数Cp达到最大；叶尖速比λ定义为：
其中Ω表示叶轮转速，R表示叶轮半径，v表示海流流速；
海流能机组的捕获功率P与当前叶轮能量捕获系数Cp和流速有关：
其中P表示叶轮捕获功率，ρ表示海水密度，s表示叶轮扫流面积；
即对于每一个流速都有一个最大功率点，每个最大功率点都是叶尖速比达到最佳，能量捕获系数最大的情况；
忽略叶轮到负载能量传递的损耗，则有：
Ω＝Ωg/n
P＝TemΩg
令
则
可知，机组在最大能量捕获状态下运行，负载转矩和转速有关，将
作为转矩控制目标，测量机组输出功率、转速作为反馈信号，控制转矩跟随最优转矩实现系统的最大能量捕获。当仅需要制淡水时，可断开发电机负载回路，能量仅输入给海水淡化系统，当仅需要制得氢气时，可减小变量泵得排量、泵输出端接水箱或在传动链中安装离合器，使得能量更多的流入制氢系统。
进一步，所述海水淡化系统包括海水预处理装置、反渗透膜组件、安装于海流能机组内的海水液压泵、淡水储存罐，所述海水预处理装置的海水输出口与将预处理后海水增压的海水液压泵的输入口连接，所述海水液压泵的高压海水输出口与反渗透膜组件的进水口连接，所述反渗透膜组件的纯水出口与淡水储存罐连通。
进一步，所述海水淡化系统还包括压力能回收装置，所述反渗透膜组件的浓水出口与将浓水的压力能转换给预处理后海水的压力能回收装置连通，所述压力能回收装置的输入口与海水预处理装置的海水输出口连接，所述压力能回收装置的高压海水输出口与反渗透膜组件的进水口连接，所述压力能回收装置还设有废弃海水输出口。所述压力能回收装置可以是正位移式能量回收装置。
进一步，所述海水预处理装置包括海水泵、固液分离装置、初级预处理装置、二级预处理装置、预处理海水储存罐，所述海水泵的海水输入口位于海水平面下，其海水输出口与固液分离装置的海水输入口连通，所述固液分离装置的海水输出口与初级预处理装置的海水输入口连通，所述初级预处理装置的海水输出口与二级预处理装置的海水输入口连通，所述二级预处理装置的海水输出口与预处理海水储存罐的海水输入口连通，所述预处理海水储存罐的海水输出口分别与海水液压泵、压力能回收装置的输入口连通。所述固液分离装置可以是海水沉降箱，也可以是水力旋流器。所述初级预处理装置可以是多介质过滤器，二级预处理装置可以是保安过滤器，即精密过滤器。
进一步，所述制氢系统包括制氢电解槽、电力电子装置、水气分离装置、气体干燥装置、氢气储存装置，所述电力电子装置与发电机电性连接，所述电力电子装置与制氢电解槽电性连接，所述制氢电解槽的海水输入口与淡水储存罐的海水输出口连通，所述制氢电解槽的氢气输出口与水气分离装置的进口连通，所述水气分离装置的出口与气体干燥装置的进口连通，所述气体干燥装置的出口与氢气储存装置的进口连通。本发明所述制氢电解槽可以是碱性电解槽，也可以是质子交换膜电解槽。
进一步，所述制氢电解槽与淡水储存罐之间设有淡水二次处理装置。本发明所述制氢系统可以根据电解槽对淡水水质要求，增加淡水二次处理装置，淡水二次处理装置可以是反渗透净化装置。
本发明的有益效果：用海流能作为能量供给，实现可再生能源的就地消纳，减少对当地电网的冲击。同时生产的绿色氢气可以用于工业生产、绿色交通、燃料电池发电等，减少化石燃料的使用。系统将海水淡化装置海水液压泵与海流能捕获装置叶轮主轴通过传动链直接耦合，避免了能量多级转换带来的额外损耗，提高对可再生能源的利用效率。海水淡化装置所生产的淡水可以直接供给电解水制氢电解槽，并为周边淡水紧缺区域提供淡水资源。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2是本发明的海水预处理装置流程示意图。
图3是本发明的海流能机组的结构示意图。
图4是本发明的叶轮叶尖速比和能量捕获系数关系曲线图。
图5是本发明的负载转矩与转速的控制框图。
图中，1-海流，2-叶轮，3-机组传动链，4-海水液压泵，5-高压海水，6-反渗透膜组件，7-淡水，8-淡水储存罐，9-高压浓海水，10-压力能回收装置，11-废弃海水，12-预处理后海水，13-发电机，14-电力电子装置，15-制氢电解槽，16-氢气，17-水气分离装置及气体干燥装置，18-氢气储存装置，19-海水源，20-海水泵，21-新鲜海水，22-固液分离装置，23-初级预处理装置，24-二级预处理装置，25-预处理海水储存罐。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参照图1-3，本实施例提供了一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，包括海流能捕获系统、海水淡化系统，制氢系统。
本实施例所述海流能捕获系统包括海流能机组海上安装平台和海流能机组，所述海流能机组安装于海上安装平台上。海上安装平台可以是漂浮式平台，主要结构包括平台主体，升降机构，垂直于海流方向布置、两侧对称安装的浮体，以及用于固定位置的海底锚链。也可以是固定式平台，主要结构包括平台主体，升降机构，桩腿。桩腿下端插入海床，用于固定平台位置。升降机构用于在安装、维护时将机组提升至海面以上，正常发电时将机组下放至海面以下的工作位置。所述制氢系统和海水淡化系统可以安装在平台主体上，也可以安装在岸上，通过管路与机组连接。
本实施例所述海流能机组包括捕获海流1的叶轮2，所述叶轮2通过机组传动链3相继与发电机13、海水液压泵4耦合连接，所述发电机13与制氢系统连接将获得的能量输出三相电给制氢系统，所述海水液压泵4与海水淡化系统连接将海水淡化系统的预处理后的海水加压后输送到反渗透膜组件6进行海水淡化。所述海水液压泵4为变排量泵，对海流能机组同一转速下海水淡化系统的海水压力能输入功率的主动控制。在利用海流能这种不稳定可再生能源发电时，利用变量泵灵活改变海水淡化系统的功率，以调节叶轮2的转矩使其运行在最佳叶尖速比附近实现最大能量捕获控制，平抑制氢系统的电解制氢设备的功率波动，使其处于高效率工作点，提高整机能源利用效率。同时可配合制氢系统的电力电子装置，根据用户对氢气产量或淡水产量的需求，主动改变制氢制淡功率分配，满足用户的不同要求。
本实施例所述叶轮包括叶片、轮毂、主轴，叶轮主轴通过机组传动链3直接驱动发电机13，通过机组传动链3直接驱动海水液压泵4。所述海水液压泵4是通过机组传动链连接于发电机13主轴上，海水液压泵4与发电机13主轴之间的机组传动链上设置有变速箱。叶轮转矩的控制过程如下：
对于一个翼型给定的叶轮的桨叶，其能量捕获系数曲线可通过叶素动量理论计算获得。图4为叶轮叶尖速比和能量捕获系数关系曲线，由图可知，存在一个最佳叶尖速比使得叶轮能量捕获系数Cp达到最大；叶尖速比λ定义为：
其中Ω表示叶轮转速，R表示叶轮半径，v表示海流流速；
海流能机组的捕获功率P与当前叶轮能量捕获系数Cp和流速有关：
其中P表示叶轮捕获功率，ρ表示海水密度，s表示叶轮扫流面积；
即对于每一个流速都有一个最大功率点，每个最大功率点都是叶尖速比达到最佳，能量捕获系数最大的情况；
忽略叶轮到负载能量传递的损耗，则有：
Ω＝Ωg/n
P＝TemΩg
令
则
可知，机组在最大能量捕获状态下运行，负载转矩和转速有关，见图5，将
作为转矩控制目标，测量机组输出功率、转速作为反馈信号，控制转矩跟随最优转矩实现系统的最大能量捕获。当仅需要制淡水时，可断开发电机负载回路，能量仅输入给海水淡化系统，当仅需要制得氢气时，可减小变量泵得排量、泵输出端接水箱或在传动链中安装离合器，使得能量更多的流入制氢系统。
本实施例所述海水淡化系统包括海水预处理装置、反渗透膜组件6、压力能回收装置10，安装于海流能机组内的海水液压泵4、淡水储存罐8，反渗透膜组件6主体为管状结构，包括反渗透膜、进水口、纯水出口、浓水出口；所述海水预处理装置的海水输出口与将预处理后海水增压的海水液压泵4的输入口连接，所述海水液压泵4的高压海水输出口与反渗透膜组件6的进水口连接，所述反渗透膜组件6的纯水出口与淡水储存罐8连通；所述反渗透膜组件6的浓水出口与将浓水的压力能转换给预处理后海水的压力能回收装置10连通，所述压力能回收装置10的输入口与海水预处理装置的海水输出口连接，所述压力能回收装置10的高压海水输出口与反渗透膜组件6的进水口连接，所述压力能回收装置10还设有废弃海水输出口。所述压力能回收装置10可以是正位移式能量回收装置。
其中所述海水预处理装置包括海水泵20、固液分离装置22、初级预处理装置23、二级预处理装置24、预处理海水储存罐25，所述海水泵20的海水输入口位于海水平面下，其海水输出口与固液分离装置22的海水输入口连通，所述固液分离装置22的海水输出口与初级预处理装置23的海水输入口连通，所述初级预处理装置23的海水输出口与二级预处理装置24的海水输入口连通，所述二级预处理装置24的海水输出口与预处理海水储存罐25的海水输入口连通，所述预处理海水储存罐25的海水输出口分别与海水液压泵4、压力能回收装置10的输入口连通。所述固液分离装置22可以是海水沉降箱，也可以是水力旋流器。所述初级预处理装置23可以是多介质过滤器，二级预处理装置24可以是保安过滤器，即精密过滤器。
本实施例所述制氢系统与海水淡化系统连接将淡化后的海水电解制氢。所述制氢系统包括制氢电解槽15、电力电子装置14、水气分离装置、气体干燥装置、氢气储存装置18，所述电力电子装置14与发电机13电性连接，所述电力电子装置14与制氢电解槽15电性连接，所述制氢电解槽15的海水输入口与淡水储存罐8的海水输出口连通，所述制氢电解槽15的氢气输出口与水气分离装置的进口连通，所述水气分离装置的出口与气体干燥装置的进口连通，所述气体干燥装置的出口与氢气储存装置18的进口连通。本发明所述制氢电解槽15可以是碱性电解槽，也可以是质子交换膜电解槽。
本发明所述制氢电解槽15与淡水储存罐8之间还可以设有淡水二次处理装置。本发明所述制氢系统可以根据电解槽对淡水水质要求，增加淡水二次处理装置，淡水二次处理装置可以是反渗透净化装置。
本发明先将叶轮2受到海流驱动捕获机械能，通过机组传动链相继传递给发电机13和海水液压泵4，减少能量的转换，避免了能量多级转换带来的额外损耗，提高对可再生能源的利用效率。
本发明的具体工作流程如下。
所述海水预处理装置的海水泵20将新鲜海水21从海水源19抽取至固液分离装置22中，等待浮沙等杂质沉淀后，将海水送入初级预处理装置23及二级预处理装置24中，除去水中胶体、微生物、有机质等杂质，达到反渗透膜组件6的进水水质要求，最后送入预处理海水储存罐25中等待后续淡化使用。
所述海流能机组的叶轮2受到海流1的作用，捕获海水动能转换为叶轮、机组传动链的机械能，发电机13及海水液压泵4与机组传动链3直接耦合，实现机械能的传递。海水液压泵4抽取海水储存罐25中的预处理海水12，并以反渗透膜组件6的工作要求压力，将高压海水5送入反渗透膜组件6中。淡水7穿过反渗透膜最终送入淡水储存罐8中，而剩余的高压浓海水9通过压力能回收装置10将能量传递给预处理后海水12，作为废弃海水11排入大海。预处理后海水获得压力能回收装置10提供的压力能后成为高压海水5，被送入反渗透膜组件6中。即所述海水液压泵4受叶轮2直接驱动，将预处理后的海水以符合反渗透膜设计的工作压力范围泵入反渗透膜组件6，实现海流能到压力能的转换，反渗透膜流出的高压浓海水送入压力能回收装置10，将压力能交换给预处理后海水并送入反渗透膜组件6中，实现对高压浓海水压力能的回收。通过反渗透膜的淡水送入淡水储存罐8，等待后续利用。
所述发电机13由机组传动链3直接驱动，将机械能转换为电能，经电力电子装置14调整后送入制氢电解槽15，制氢电解槽15使用淡水储存罐8中的淡水。电解得到的氢气16经水气分离装置及气体干燥装置17净化后送入氢气储存装置18中存储。
本发明所提出的基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，利用海流能作为能量供给，实现可再生能源的就地消纳，减少对当地电网的冲击。同时生产的绿色氢气可以用于工业生产、绿色交通、燃料电池发电等，减少化石燃料的使用。系统将海水淡化装置海水液压泵与海流能捕获装置叶轮主轴通过传动链直接耦合，避免了能量多级转换带来的额外损耗，提高对可再生能源的利用效率。海水淡化装置所生产的淡水可以直接供给电解水制氢电解槽，并为周边淡水紧缺区域提供淡水资源。
Claims (9)
1.一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：包括海流能捕获系统、海水淡化系统，制氢系统；
所述海流能捕获系统包括海流能机组，所述海流能机组包括捕获海流的叶轮，所述叶轮通过机组传动链相继与发电机、海水液压泵耦合连接，所述发电机与制氢系统连接将获得的能量输出三相电给制氢系统，所述海水液压泵与海水淡化系统连接将海水淡化系统的预处理后的海水加压后输送到反渗透膜组件进行海水淡化；
所述制氢系统与海水淡化系统连接将淡化后的海水电解制氢。
2.根据权利要求1所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：所述海流能捕获系统还包括海上安装平台，所述海流能机组安装于海上安装平台上。
3.根据权利要求1所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：所述海水液压泵为变排量泵，对海流能机组同一转速下海水淡化系统的海水压力能输入功率的主动控制。
4.根据权利要求3所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：叶轮转矩的控制过程如下：
对于一个翼型给定的叶轮的桨叶，其能量捕获系数曲线可通过叶素动量理论计算获得，存在一个最佳叶尖速比使得叶轮能量捕获系数Cp达到最大；叶尖速比λ定义为：
其中Ω表示叶轮转速，R表示叶轮半径，v表示海流流速；
海流能机组的捕获功率P与当前叶轮能量捕获系数Cp和流速有关：
其中P表示叶轮捕获功率，ρ表示海水密度，s表示叶轮扫流面积；
即对于每一个流速都有一个最大功率点，每个最大功率点都是叶尖速比达到最佳，能量捕获系数最大的情况；
忽略叶轮到负载能量传递的损耗，则有：
Ω＝Ωg/n
P＝TemΩg
令
则
可知，机组在最大能量捕获状态下运行，负载转矩和转速有关，将
作为转矩控制目标，测量机组输出功率、转速作为反馈信号，控制转矩跟随最优转矩实现系统的最大能量捕获。
5.根据权利要求1所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：所述海水淡化系统包括海水预处理装置、反渗透膜组件、安装于海流能机组内的海水液压泵、淡水储存罐，所述海水预处理装置的海水输出口与将预处理后海水增压的海水液压泵的输入口连接，所述海水液压泵的高压海水输出口与反渗透膜组件的进水口连接，所述反渗透膜组件的纯水出口与淡水储存罐连通。
6.根据权利要求5所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：所述海水淡化系统还包括压力能回收装置，所述反渗透膜组件的浓水出口与将浓水的压力能转换给预处理后海水的压力能回收装置连通，所述压力能回收装置的输入口与海水预处理装置的海水输出口连接，所述压力能回收装置的高压海水输出口与反渗透膜组件的进水口连接，所述压力能回收装置还设有废弃海水输出口。
7.根据权利要求5所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：所述海水预处理装置包括海水泵、固液分离装置、初级预处理装置、二级预处理装置、预处理海水储存罐，所述海水泵的海水输入口位于海水平面下，其海水输出口与固液分离装置的海水输入口连通，所述固液分离装置的海水输出口与初级预处理装置的海水输入口连通，所述初级预处理装置的海水输出口与二级预处理装置的海水输入口连通，所述二级预处理装置的海水输出口与预处理海水储存罐的海水输入口连通，所述预处理海水储存罐的海水输出口分别与海水液压泵、压力能回收装置的输入口连通。
8.根据权利要求1所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：所述制氢系统包括制氢电解槽、电力电子装置、水气分离装置、气体干燥装置、氢气储存装置，所述电力电子装置与发电机电性连接，所述电力电子装置与制氢电解槽电性连接，所述制氢电解槽的海水输入口与淡水储存罐的海水输出口连通，所述制氢电解槽的氢气输出口与水气分离装置的进口连通，所述水气分离装置的出口与气体干燥装置的进口连通，所述气体干燥装置的出口与氢气储存装置的进口连通。
9.根据权利要求8所述的一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统，其特征在于：所述制氢电解槽与淡水储存罐之间设有淡水二次处理装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011546469.7A CN112832943A (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011546469.7A CN112832943A (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112832943A true CN112832943A (zh) | 2021-05-25 |
Family
ID=75924377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011546469.7A Pending CN112832943A (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112832943A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115013271A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-09-06 | 东南大学 | 一种海洋温差能的多功能利用装置 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2342379A1 (en) * | 2001-03-28 | 2002-09-28 | Florencio Neto Palma | Ocean currents space station |
| JP2004068638A (ja) * | 2002-08-02 | 2004-03-04 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 海流発電装置 |
| US20050252214A1 (en) * | 2004-02-04 | 2005-11-17 | Lockheed Martin Corporation | Power generation system using a combustion system and a fuel cell |
| CN201109723Y (zh) * | 2007-09-10 | 2008-09-03 | 陈万源 | 海水淡化与发电的供给利用装置 |
| CN103011343A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-04-03 | 一重集团大连设计研究院有限公司 | 新型节能环保型海水淡化系统 |
| CN103206334A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-07-17 | 浙江大学 | 一种低速直驱液压型海流发电装置及其控制方法 |
| CN103256168A (zh) * | 2013-05-09 | 2013-08-21 | 浙江大学 | 一种离网型混合传动海流发电装置及其控制方法 |
| CN106762378A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 天津大学 | 一种折叠式潮流能发电与海水淡化一体集群 |
| CN107881526A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-04-06 | 王启先 | 一种潮流能海水制取氢气氧气装置 |
| CN108675402A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-10-19 | 大连合众金水科技有限公司 | 风能海水淡化系统 |
| CN111322204A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-06-23 | 秦皇岛正时乐液压设备有限公司 | 一种液压风机直接驱动海水淡化系统 |
-
2020
- 2020-12-24 CN CN202011546469.7A patent/CN112832943A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2342379A1 (en) * | 2001-03-28 | 2002-09-28 | Florencio Neto Palma | Ocean currents space station |
| JP2004068638A (ja) * | 2002-08-02 | 2004-03-04 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 海流発電装置 |
| US20050252214A1 (en) * | 2004-02-04 | 2005-11-17 | Lockheed Martin Corporation | Power generation system using a combustion system and a fuel cell |
| CN201109723Y (zh) * | 2007-09-10 | 2008-09-03 | 陈万源 | 海水淡化与发电的供给利用装置 |
| CN103011343A (zh) * | 2012-11-29 | 2013-04-03 | 一重集团大连设计研究院有限公司 | 新型节能环保型海水淡化系统 |
| CN103206334A (zh) * | 2013-04-03 | 2013-07-17 | 浙江大学 | 一种低速直驱液压型海流发电装置及其控制方法 |
| CN103256168A (zh) * | 2013-05-09 | 2013-08-21 | 浙江大学 | 一种离网型混合传动海流发电装置及其控制方法 |
| CN106762378A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 天津大学 | 一种折叠式潮流能发电与海水淡化一体集群 |
| CN107881526A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-04-06 | 王启先 | 一种潮流能海水制取氢气氧气装置 |
| CN108675402A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-10-19 | 大连合众金水科技有限公司 | 风能海水淡化系统 |
| CN111322204A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-06-23 | 秦皇岛正时乐液压设备有限公司 | 一种液压风机直接驱动海水淡化系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JARQUIN-LAGUNA A, GRECO F.: "Integration of hydraulic wind turbines for seawater reverse osmosis desalination", 《2019 OFFSHORE ENERGY AND STORAGE SUMMIT》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115013271A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-09-06 | 东南大学 | 一种海洋温差能的多功能利用装置 |
| CN115013271B (zh) * | 2022-04-22 | 2023-08-04 | 东南大学 | 一种海洋温差能的多功能利用装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104145420B (zh) | 可再生能源发电系统 | |
| CN103089533B (zh) | 潮流能增压海水淡化及发电装置 | |
| US6841893B2 (en) | Hydrogen production from hydro power | |
| CN102322403B (zh) | 一种海上发电系统 | |
| CN201221433Y (zh) | 一种双向六工况潮汐机组 | |
| LU500725B1 (en) | Comprehensive power generation hydrogen production and storage system based on offshore abandoned oil and gas platform | |
| CN108291522B (zh) | 从可再生能源生成能量的设备和方法 | |
| CN105871057A (zh) | 基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统及工作方法 | |
| CN101666287A (zh) | 一种双向六工况潮汐机组 | |
| CN106762378B (zh) | 一种折叠式潮流能发电与海水淡化一体集群 | |
| CN112572743A (zh) | 一种应用太阳能制氢的低温燃料电池混合多能动力系统 | |
| CN114142791B (zh) | 一种多能互补的船舶用全天候淡-热-电联供系统 | |
| CN112832943A (zh) | 一种基于海流能的淡-氢联供海水资源综合利用系统 | |
| CN212627177U (zh) | 一种海上风电能源基地制氢储能系统 | |
| CN205791782U (zh) | 基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统 | |
| CN218689312U (zh) | 一种基于重力储能的氢制氨系统 | |
| CN103423076A (zh) | 一种利用潮汐能发电和海水淡化联合装置 | |
| Tzen | Wind energy powered technologies for freshwater production: fundamentals and case studies | |
| CN115848574A (zh) | 一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统 | |
| US20230279569A1 (en) | Arrangement to optimize the production of hydrogen | |
| CN204058030U (zh) | 可移动式风力太阳能海水淡化集成系统 | |
| CN203911478U (zh) | 孤网运行的风力发电机组与海水淡化相结合的供配电结构 | |
| CN110565108A (zh) | 一种风光水联合制氢系统及制氢方法 | |
| CN220815876U (zh) | 海水发电装置的精进结构 | |
| CN108675402A (zh) | 风能海水淡化系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210525 |