CN112941544A - 一种近海制氢设施 - Google Patents
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Abstract
提供一种近海制氢设施，包括一座导管架式的主平台、三座导管架式水平轴的风电机组和连接主平台和风电机组的三座栈桥，主平台包括导管架基础、设于导管架基础上的甲板和设于甲板上的生产生活建筑，生产生活建筑的屋面上设有若干太阳能光伏板，内部设有能利用风电机组和/或太阳能光伏板产生的电能电解水以制得氢气的制氢模块；在风电机组中，第一风电机组通过第一栈桥连接在导管架基础的迎主风向的侧边的中部位置，第二风电机组通过第二栈桥连接在导管架基础的背主风向的侧边的一端，第三风电机组通过第三栈桥连接在导管架基础的背主风向的侧边的另一端，且第二栈桥、第三栈桥以及导管架基础的背主风向的侧边在一条直线上。
Description
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设施。
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。目前海上风电产出上岸难，需要就地消纳，但是在海上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，全球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，提出一种工程技术可行、经济性佳的海上设施，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设施。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种近海制氢设施，包括一座用于生产生活的导管架式的主平台、三座导管架式的水平轴风电机组，以及分别连接所述主平台和所述水平轴风电机组的三座栈桥，其中：所述主平台包括导管架基础、设置于所述导管架基础之上的甲板和设置于所述甲板上的生产生活建筑，所述生产生活建筑的屋面上设有若干太阳能光伏板，所述生产生活建筑内设有制氢模块，所述制氢模块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；在所述水平轴风电机组中，第一水平轴风电机组通过第一栈桥连接在所述导管架基础的迎主风向的侧边的中部位置，第二水平轴风电机组通过第二栈桥连接在所述导管架基础的背主风向的侧边的一端，第三水平轴风电机组通过第三栈桥连接在所述导管架基础的背主风向的侧边的另一端，且所述第二栈桥、所述第三栈桥以及所述导管架基础的背主风向的侧边在一条直线上，所述近海是指水深50米以内的海区。
优选地，每一座栈桥的跨度为20m～40m。
优选地，每一座栈桥与所述主平台和所述水平轴风电机组的连接方式是简支梁支撑形式。
优选地，所述主平台的导管架基础由两榀相同的桩基础框架结构形成，每一榀桩基础框架结构的每个侧面包括由二根直立柱、一根上弦杆和一根下弦杆围成的矩形以及二根交叉设置于所述矩形内的斜撑杆。
优选地，所述直立柱的外径大于所述上弦杆的外径；所述上弦杆的外径等于所述下弦杆的外径且大于所述斜撑杆的外径。
优选地，所述直立柱的外径为5m以上；所述上弦杆、所述下弦杆的外径为3～3.5m；所述斜撑杆的外径为2～2.5m。
优选地，当将所述主平台固定于海床时，所述主平台的上弦杆的下沿与海平面的距离至少为最大波高的1.2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电连接；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；所述制氢模块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所述淡水以制得氢气。
优选地，所述生产生活建筑内还包括：气体储备模块，所述中控和储电模块的电力输出还与所述气体储备模块电连接，所述气体储备模块用于将所述制氢模块制得的氢气进行临时储存；所述生产生活建筑为长方体结构；所述海水淡化模块和所述中控和储电模块并排设置于靠近迎主风向一侧，所述制氢模块、所述气体储备模块和所述生活模块并排设置于靠近背主风向一侧。
优选地，所述生产生活建筑的屋面上还设有直升机停机坪；所述导管架基础的背主风向的侧边的中部位置还设有护舷。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：
本发明的近海制氢设施中，导管架式的主平台和导管架式的水平轴风电机组的强度、稳性和运动性能很好，当主平台和水平轴风电机组用桩基固定在海床上时，在导管架的支撑下，近海制氢设施整体的运动幅度很小，且三座水平轴风电机组按特定的方式通过栈桥连接排布在主平台周围，既保证了风电机组叶片的旋转空间又不会使主平台的甲板过于巨大，且能最大程度地减少了三座水平轴风电机组之间的相互干涉和影响，尤其地，背风向侧的两座水平轴风电机组受到迎风向侧的水平轴风电机组的尾流的影响很小。
通过本发明的方案，近海大规模制氢的工程技术可行性、效率和经济性都有很大提升，具体地，具有如下优点：
(1)本发明的近海制氢设施综合考虑了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)主平台的导管架基础的强度、稳性和运动性能很好，当主平台用桩基固定在海床上时，在导管架基础的支撑下，其运动幅度很小。
(3)通过近海风能和太阳能制氢，可以有效降低制氢成本，获得显著的经济效益。
(4)进一步地，栈桥是简支梁支撑形式，使得主平台与水平轴风电机组之间的微小相对运动能够被较好地协调，即使在不利的海况下，也能正常发电、制氢。
(5)进一步地，本发明优化了近海制氢设施内各模块的空间配置，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)下的近海能源开发利用率，将风能和太阳能发的电在本平台上直接就地消纳使用，用来制氢，而没有远距离输电至岸上，因此也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。
(6)进一步地，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。
(7)进一步地，将各模块均置于生产生活建筑内，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。
(8)进一步地，采用多种方式储运氢能，可以为产业链下游企业提供更合适的选择。
本发明的近海制氢设施有机地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，固定于海床进行应用，并且，工作人员可以在该近海制氢设施上生活和从事检修等活动，也可以高度自动化而实现无人值守。
附图说明
图1是本发明一种实施例的近海制氢设施的立体结构示意图；
图2是图1的正视图；
图3是图1的左视图；
图4是本发明一种实施例的近海制氢设施中的主平台的立体结构示意图；
图5是图4的正视图；
图6是图4的左视图；
图7是图4的俯视图；
图8是本发明一种实施例的近海制氢设施中的生产生活建筑的内部结构示意图。
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。
在一种具体实施方式中，近海制氢设施包括一座用于生产生活的导管架式的主平台、三座导管架式的水平轴风电机组，以及分别连接所述主平台和所述水平轴风电机组的三座栈桥，其中：所述主平台包括导管架基础、设置于所述导管架基础之上的甲板和设置于所述甲板上的生产生活建筑，所述生产生活建筑的屋面上设有若干太阳能光伏板，所述生产生活建筑内设有制氢模块，所述制氢模块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；在所述水平轴风电机组中，第一水平轴风电机组通过第一栈桥连接在所述导管架基础的迎主风向的侧边的中部位置，第二水平轴风电机组通过第二栈桥连接在所述导管架基础的背主风向的侧边的一端，第三水平轴风电机组通过第三栈桥连接在所述导管架基础的背主风向的侧边的另一端，且所述第二栈桥、所述第三栈桥以及所述导管架基础的背主风向的侧边在一条直线上，所述近海是指水深50米以内的海区。
在一些实施例中，每一座栈桥的跨度为20m～40m。
在一些实施例中，每一座栈桥与所述主平台和所述水平轴风电机组的连接方式是简支梁支撑形式。
简支梁支撑形式的栈桥可以使得主平台与水平轴风电机组之间的微小相对运动能够被较好地协调，即使在不利的海况下，也能正常发电、制氢。
在一些实施例中，所述主平台的导管架基础由两榀相同的桩基础框架结构形成，每一榀桩基础框架结构的每个侧面包括由二根直立柱、一根上弦杆和一根下弦杆围成的矩形以及二根交叉设置于所述矩形内的斜撑杆。
导管架基础以直立柱作为主要的支撑立柱，且垂直于海平面设置，通过若干上弦杆、若干下弦杆、若干斜撑杆共同围成长方体形空间框架结构，直立柱起主要承重作用，上弦杆、下弦杆和斜撑杆共同起加强和提高整体性作用。
在一些实施例中，所述直立柱的外径大于所述上弦杆的外径；所述上弦杆的外径等于所述下弦杆的外径且大于所述斜撑杆的外径。
在一些实施例中，所述直立柱的外径为5m以上；所述上弦杆、所述下弦杆的外径为3～3.5m；所述斜撑杆的外径为2～2.5m。
在一些实施例中，当将所述主平台固定于海床时，所述主平台的上弦杆的下沿与海平面的距离至少为最大波高的1.2倍。
在一些实施例中，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电连接；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；所述制氢模块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所述淡水以制得氢气。
在一些实施例中，所述生产生活建筑内还包括：气体储备模块，所述中控和储电模块的电力输出还与所述气体储备模块电连接，所述气体储备模块用于将所述制氢模块制得的氢气进行临时储存。
在一些实施例中，所述生产生活建筑为长方体结构，所述海水淡化模块和所述中控和储电模块并排设置于靠近迎主风向一侧，所述制氢模块、所述气体储备模块和所述生活模块并排设置于靠近背主风向一侧。
在一些实施例中，所述生产生活建筑的屋面上还设有直升机停机坪；所述导管架基础的背主风向的侧边的中部位置还设有护舷。
以下结合附图，通过一个示例，对本发明进行进一步阐述。
如图1-6所示，近海制氢设施包括一座用于生产生活的导管架式的主平台1、三座导管架式的水平轴风电机组2，以及分别连接主平台和水平轴风电机组的三座栈桥3，其中：主平台1包括导管架基础11、设置于导管架基础11之上的甲板12和设置于甲板上的生产生活建筑13，生产生活建筑13的屋面上设有若干太阳能光伏板131，在三座水平轴风电机组中，第一水平轴风电机组21通过第一栈桥31连接在导管架基础的迎主风向的侧边的中部位置(在本例中，连接在第一栈桥31连接在导管架基础的迎主风向的侧边的中心位置)，第二水平轴风电机组22通过第二栈桥32连接在导管架基础的背主风向的侧边的一端，第三水平轴风电机组23通过第三栈桥33连接在导管架基础的背主风向的侧边的另一端，且第二栈桥32、第三栈桥33以及导管架基础的背主风向的侧边在一条直线上，每一座栈桥与主平台和水平轴风电机组的连接方式都是简支梁支撑形式，每一座栈桥的跨度为20m～40m，三座栈桥的长度可以相等，也可以不等。第二栈桥32、第三栈桥33、导管架基础的背主风向的侧边三者的长度之和显著大于水平轴风电机组的叶轮直径。
本例中，主平台的导管架基础11由两榀相同的桩基础框架结构形成，每一榀桩基础框架结构的每个侧面包括由二根直立柱111、一根上弦杆112和一根下弦杆113围成的矩形以及二根交叉设置于所述矩形内的斜撑杆114，也即，在该两榀相同的桩基础框架结构中，共有7个侧面，共有6根直立柱111，7根上弦杆112、7根下弦杆113和14根斜撑杆114。较优的是，每一榀桩基础框架结构的每个侧面由二根直立柱、一根上弦杆、一根下弦杆113以及二根交叉的斜撑杆焊接而成。两榀相同的桩基础框架结构形成的导管架基础是优选的方式，本发明的保护范围不限于两榀，在其他示例中，根据需要，也可以设计为一榀、三榀或更多榀结构。在本例中，甲板是矩形，其设置在上弦杆112围成的矩形平面内。
为了使导管架基础的稳定性更好并兼顾经济性，直立柱的外径大于上弦杆的外径，上弦杆的外径等于下弦杆的外径且大于斜撑杆的外径，其中，直立柱的外径为5m以上；上弦杆、下弦杆的外径为3～3.5m；斜撑杆的外径为2～2.5m。当将主平台固定于海床时，主平台的上弦杆的下沿与海平面的距离至少为最大波高的1.2倍。
如图8所示，生产生活建筑13内包括：中控和储电模块132、制氢模块133、海水淡化模块134、生活模块135和气体储备模块136，中控和储电模块132的电力输入分别与水平轴风电机组2和太阳能光伏板131电连接，电力输出分别与制氢模块133、海水淡化模块134、生活模块135和气体储备模块136电连接；水平轴风电机组2与中控和储电模块132之间的电能输送和人员行走等主要依靠栈桥3的搭载来实现。其中，海水淡化模块和所述中控和储电模块并排设置于靠近迎主风向一侧，制氢模块、气体储备模块和生活模块并排设置于靠近背主风向一侧，海水淡化模块和生活模块位于生产生活建筑内的两个对角位置，中控和储电模块和制氢模块位于另两个对角位置，气体储备模块位于制氢模块和生活模块之间。海水淡化模块134用于将海水淡化成淡水后输入到制氢模块133中用于制氢，制氢模块133利用水平轴风电机组和/或太阳能光伏板产生的电能电解淡水以制得氢气。气体储备模块136是可选的，用于将制得的氢气压缩成高压气态或者制成氢燃料电池等临时储存，之后可选择装瓶由驳船4运出。当不含气体储备模块136时，制得的氢气可直接通过海底管道5送出。
如图8所示，具体来说，中控和储电模块132内部设有一套控制台设备1321、两套变压系统1322、一套蓄电池组1323；当水平轴风电机组或所述太阳能光伏板产生的电能输入时，先通过一套变压系统进行变压，再输入蓄电池组中储存；蓄电池组中的电能通过另一套变压系统进行调压后，输入到制氢模块海水淡化模块、气体储备模块和生活模块。海水淡化模块134内部有过滤系统1341、海水淡化装置1342和蓄水池1343；过滤系统连接海水抽取管道6，将得到的海水进行过滤，再通入海水淡化装置，之后将制得的淡水通入蓄水池，蓄水池中的淡水一部分通入制氢模块，一部分用作生活和应急储备。制氢模块133内部设有电解制氢装置1331、提纯系统1332、临时储氢罐1333和临时储氧罐1334，电解制氢装置接收蓄水池通入的淡水进行电解制氢反应后，将制得的氢气和氧气通入提纯系统，再将提纯后的氢气和氧气分别通入临时储氢罐和临时储氧罐。气体储备模块136内部设有高压气态储存系统1361、和/或氢燃料电池储存系统1362、封装系统1363和海底管道入口装置1364，输出气体时，气体储备模块可以选择将制氢模块中制得的氢气通过高压气态和/或氢燃料电池等方式储存后，经由封装系统装入密封钢瓶或密封容器再由驳船4运出，或者通入海底管道入口装置，由海底管道13直接输送至岸上设施，如加氢站。生活模块135内部设有卧室区1351、客厅区1352、卫生间区1353、用餐区1354、影音区1355、运动区1356、棋牌区1357、绿化区1358等若干分区。
如图7所示，本例中，在生产生活建筑13的屋面上还设有直升机停机坪137，当风暴来临前，人员可乘直升机撤离设施，进入无人值守状态，在导管架基础的背主风向的侧边的中部位置还设有护舷14，便于船只停靠。
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)
1.一种近海制氢设施，其特征在于：包括一座用于生产生活的导管架式的主平台、三座导管架式的水平轴风电机组，以及分别连接所述主平台和所述水平轴风电机组的三座栈桥，其中：
所述主平台包括导管架基础、设置于所述导管架基础之上的甲板和设置于所述甲板上的生产生活建筑，所述生产生活建筑的屋面上设有若干太阳能光伏板，所述生产生活建筑内设有制氢模块，所述制氢模块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；
在所述水平轴风电机组中，第一水平轴风电机组通过第一栈桥连接在所述导管架基础的迎主风向的侧边的中部位置，第二水平轴风电机组通过第二栈桥连接在所述导管架基础的背主风向的侧边的一端，第三水平轴风电机组通过第三栈桥连接在所述导管架基础的背主风向的侧边的另一端，且所述第二栈桥、所述第三栈桥以及所述导管架基础的背主风向的侧边在一条直线上；
所述近海是指水深50米以内的海区。
2.如权利要求1所述的近海制氢设施，其特征在于：每一座栈桥的跨度为20m～40m。
3.如权利要求1所述的近海制氢设施，其特征在于：每一座栈桥与所述主平台和所述水平轴风电机组的连接方式是简支梁支撑形式。
4.如权利要求1所述的近海制氢设施，其特征在于：所述主平台的导管架基础由两榀相同的桩基础框架结构形成，每一榀桩基础框架结构的每个侧面包括由二根直立柱、一根上弦杆和一根下弦杆围成的矩形以及二根交叉设置于所述矩形内的斜撑杆。
5.如权利要求4所述的近海制氢设施，其特征在于：所述直立柱的外径大于所述上弦杆的外径；所述上弦杆的外径等于所述下弦杆的外径且大于所述斜撑杆的外径。
6.如权利要求4所述的近海制氢设施，其特征在于：所述直立柱的外径为5m以上；所述上弦杆、所述下弦杆的外径为3～3.5m；所述斜撑杆的外径为2～2.5m。
7.如权利要求4所述的近海制氢设施，其特征在于：当将所述主平台固定于海床时，所述主平台的上弦杆的下沿与海平面的距离至少为最大波高的1.2倍。
8.如权利要求1所述的近海制氢设施，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电连接；
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；
所述制氢模块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所述淡水以制得氢气。
9.如权利要求8所述的近海制氢设施，其特征在于：所述生产生活建筑内还包括：气体储备模块，所述中控和储电模块的电力输出还与所述气体储备模块电连接，所述气体储备模块用于将所述制氢模块制得的氢气进行临时储存；所述生产生活建筑为长方体结构；所述海水淡化模块和所述中控和储电模块并排设置于靠近迎主风向一侧，所述制氢模块、所述气体储备模块和所述生活模块并排设置于靠近背主风向一侧。
10.如权利要求1所述的近海制氢设施，其特征在于：所述生产生活建筑的屋面上还设有直升机停机坪；所述导管架基础的背主风向的侧边的中部位置还设有护舷。
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