CN114792992A - 一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统及方法。该水电联产系统包括海上可再生能源发电装置、电能智能分配系统、第一稳压器、第二稳压器、水泵、反渗透海水淡化装置、淡水箱、电解槽、燃料电池、储氢罐以及储氧罐。当海上可再生能源的发电量超过用户需求时，本系统可将富余电能转化为氢气或者碳氢燃料形式的化学能储存起来，当发电量不满足用户需求时，可将储存的化学能转化为电能补充电能缺口。本发明利用电能智能分配系统来合理分配电能用于海水淡化和电解水，可最大化利用海上可再生能源来满足电能和淡水的连续稳定供应，建立了一种完全独立的、不消耗化石能源的水电供给系统。

Description

一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统及方法
技术领域
本发明属于海上可再生能源综合利用领域，尤其涉及一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统及方法。
背景技术
有大量的离岸区域(海岛和海上作业平台)远离大陆，充足稳定的水资源和电能是长期驻守人员所必须的。目前，这些离岸区域上的电力主要采用柴油发电机提供，柴油是靠从大陆定期运输补给导致成本较高，且柴油发电存在高噪声、高碳排放和高污染排放等问题。
海岛淡水主要是通过自然获取、大陆引水及海水淡化三种方式实现，前两种方式很难低成本获取稳定充足的淡水资源，而海水淡化技术随着成本的降低而日渐普及。目前海水淡化技术主要包括多级闪蒸、多效蒸发、电渗析以及反渗透膜四种方法，多级闪蒸和多效蒸发海水淡化需要稳定的热能供应，电渗析法能耗较大且获取的水质较差，因此目前反渗透膜法是离岸区域海水淡化最佳的选择。
海岛周围蕴藏丰富的风能与光能等可再生能源，陆上风能和光能开发过程中存在破坏生态的局限性，开发海上风能和光能则可以避免类似的问题，但是风电和光电因其波动性较大很难并网，造成较大的能源浪费，因此，未来利用好海上风能和光能将具备巨大的商业化前景。
基于上述的背景，可以构思利用海上风能和光能等可再生能源来补给离岸区域所需的稳定电能和淡水资源，如何利用海上风电和光电淡化海水、电解淡水制氢和储氢是海上风能和光能利用的一个重要难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统及方法，其可以利用海上可再生能源发电，并将电应用于水电暖联产，给长期驻守人员提供基本的水电暖供应。
本发明是这样实现的，一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统，包括海上可再生能源发电装置、电能智能分配系统、第一稳压器、第二稳压器、水泵、反渗透海水淡化装置、淡水箱、电解槽、燃料电池、储氢罐以及储氧罐；
所述海上可再生能源发电装置用于将海上可再生能源转化为波动电能，一部分波动电能经所述第二稳压器稳压后直接输送到用户端，另一部分波动电能在所述电能智能分配系统控制下，分为两个输出支路，其中一个输出支路的波动电能经所述第一稳压器处理后得到稳定电能用于驱动所述水泵，另一个输出支路的波动电能输入电解槽直接电解水制氢；所述水泵用于将海水抽至所述反渗透海水淡化装置中；
所述反渗透海水淡化装置将海水淡化后，输送至所述淡水箱中，所述淡水箱按需协调用户以及电解槽的用水量，分为两个出水支路，其中一个出水支路的淡水输送给用户，另一个出水支路的淡水输送至所述电解槽；
所述电解槽用于电解水得至氧气以及氢气，所述电解槽输出的氧气存储于所述储氧罐中，其输出的氢气存储于所述储氢罐中；所述储氢罐中的氢气输送至所述燃料电池中，所述燃料电池通过化学反应将氢气转化为稳定电能，并将反应后产生的淡水回收到所述淡水箱中。
进一步的，所述海上可再生能源发电装置为风机发电装置、光伏板发电装置、潮汐能发电装置或潮流能发电装置中的一种或两种以上的组合。
进一步的，所述反渗透海水淡化装置采用反渗透膜法淡化海水。
为实现上述发明目的，还提供了一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应方法，该方法包括：
海上可再生能源发电装置将海上可再生能源转化为波动电能，一部分波动电能经第一稳压器处理后直接输送到用户端，富余的波动电能在电能智能分配系统控制下，一部分在第二稳压器处理后用于驱动水泵，另一部分输入电解槽直接电解水制氢；
反渗透海水淡化装置将水泵输入的海水处理为淡水，淡水通入淡水箱储存备用；
淡水箱用于储存淡水，一部分淡水通入电解槽后被电解为氢气和氧气，一部分淡水供工作人员生活使用；
电解槽电解水制氢和制氢，氢气和氧气分别储存于储氢罐以及储氧罐中；燃料电池将储氢罐中的氢气转化为稳定电能，并将产生的淡水回收到淡水箱中。
进一步的，所述水泵提供的泵功替换为风机直接提供，能减少中间步骤带来的能量损失。
进一步的，氢气直接压缩储存方式替换为先将氢气与二氧化碳通过氢化反应合成为有机液体燃料，以液态的形式储存，在需要电能时，再将液体燃料转化为氢气和二氧化碳，氢气在燃料电池中转化为电能，二氧化碳循环用于氢化反应。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1、当海上可再生能源的发电量(如风电和光电)超过用户需求时，将富余电能转化为氢气或者碳氢燃料形式的化学能储存起来，当海上可再生能源的发电量不满足用户需求时，将储存的化学能转化为电能补充电能缺口。
2、充分利用海上风能和光能这样的不稳定能源，建立一种完全独立的、不消耗化石能源的水电供给系统。
3、将反渗透海水淡化与可再生能源发电相结合，实现海水的高效低成本淡化。
4、利用电能智能分配系统来合理分配电能用于海水淡化和电解水，从而最大化利用海上可再生能源来满足电能和淡水的连续稳定供应。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参看图1，示出了本实施例提供的一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统，包括海上可再生能源发电装置1、电能智能分配系统2、第一稳压器3、第二稳压器4、水泵5、反渗透海水淡化装置6、淡水箱7、电解槽8、燃料电池9以及储氢罐a以及储氧罐b。
海上可再生能源发电装置1用于将海上可再生能源转化为波动电能，一部分波动电能经第一稳压器3稳压后直接输送到用户端，另一部分波动电能在电能智能分配系统2控制下，分为两个输出支路，其中一个输出支路的波动电能经第二稳压器4处理后得到稳定电能用于驱动水泵5，另一个输出支路的波动电能输入电解槽8直接电解水制氢；水泵5用于将海水抽至反渗透海水淡化装置6中。
反渗透海水淡化装置6将海水淡化后，输送至淡水箱7中，淡水箱7按需协调用户以及电解槽8的用水量，分为两个出水支路，其中一个出水支路的淡水输送给用户，另一个出水支路的淡水输送至电解槽8。
电解槽8用于电解水得至氧气以及氢气，电解槽8输出的氧气存储于储氧罐b中，其输出的氢气存储于储氢罐a中；储氢罐a中的氢气输送至燃料电池9中，燃料电池9通过化学反应将氢气转化为稳定电能，并将反应后产生的淡水回收到淡水箱7中。
在实际应用中，海上可再生能源发电装置1可以是风机发电装置、光伏板发电装置、潮汐能发电装置或潮流能发电装置中的一种或两种以上的组合。
本实施例还提供了一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应方法，该方法包括以下流程：
海上可再生能源发电装置1将海上可再生能源转化为波动电能，一部分波动电能经第二稳压器4处理后直接输送到用户端，富余的波动电能在电能智能分配系统2控制下，一部分在第一稳压器3处理后用于驱动水泵5，另一部分输入电解槽8直接电解水制氢。
反渗透海水淡化装置6将水泵5输入的海水处理为淡水，于本实施例中，反渗透海水淡化装置6采用反渗透膜法淡化海水，淡水通入淡水箱7储存备用。
淡水箱7用于储存淡水，一部分淡水通入电解槽8后被电解为氢气和氧气，一部分淡水供工作人员生活使用。
电解槽8电解水制氢和制氢，氢气和氧气分别储存于储氢罐a以及储氧罐b；燃料电池9将储氢罐a中的氢气转化为稳定电能，并将产生的淡水回收到淡水箱中。
在其他实施形式中，上述水泵5提供的泵功可替换为风机直接提供，能减少中间步骤带来的能量损失。
在其他实施形式中，氢气直接压缩储存方式可替换为先将氢气与二氧化碳通过氢化反应合成为有机液体燃料(甲醇或者甲酸)，以液态的形式储存，在需要电能时，再将液体燃料转化为氢气和二氧化碳，氢气在燃料电池中转化为电能，二氧化碳循环用于氢化反应。
综上所述，本实施例的水电联产系统具有如下技术效果：
1、当海上可再生能源的发电量(如风电和光电)超过用户需求时，将富余电能转化为氢气或者碳氢燃料形式的化学能储存起来，当海上可再生能源的发电量不满足用户需求时，将储存的化学能转化为电能补充电能缺口。
2、充分利用海上风能和光能这样的不稳定能源，建立一种完全独立的、不消耗化石能源的水电供给系统。
3、将反渗透海水淡化与可再生能源发电相结合，实现海水的高效低成本淡化。
4、利用电能智能分配系统2来合理分配电能用于海水淡化和电解水，从而最大化利用海上可再生能源来满足电能和淡水的连续稳定供应。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应系统，其特征在于，包括海上可再生能源发电装置、电能智能分配系统、第一稳压器、第二稳压器、水泵、反渗透海水淡化装置、淡水箱、电解槽、燃料电池、储氢罐以及储氧罐；
所述海上可再生能源发电装置用于将海上可再生能源转化为波动电能，一部分波动电能经所述第二稳压器稳压后直接输送到用户端，另一部分波动电能在所述电能智能分配系统控制下，分为两个输出支路，其中一个输出支路的波动电能经所述第一稳压器处理后得到稳定电能用于驱动所述水泵，另一个输出支路的波动电能输入电解槽直接电解水制氢；所述水泵用于将海水抽至所述反渗透海水淡化装置中；
所述反渗透海水淡化装置将海水淡化后，输送至所述淡水箱中，所述淡水箱按需协调用户以及电解槽的用水量，分为两个出水支路，其中一个出水支路的淡水输送给用户，另一个出水支路的淡水输送至所述电解槽；
所述电解槽用于电解水得到氧气以及氢气，所述电解槽输出的氧气存储于所述储氧罐中，其输出的氢气存储于所述储氢罐中；所述储氢罐中的氢气输送至所述燃料电池中，所述燃料电池通过电化学反应将氢气转化为稳定电能，并将反应后产生的淡水回收到所述淡水箱中。
2.如权利要求1所述的离岸水电供应系统，其特征在于，所述海上可再生能源发电装置为风机发电装置、光伏板发电装置、潮汐能发电装置或潮流能发电装置中的一种或两种以上的组合。
3.如权利要求1所述的离岸水电供应系统，其特征在于，所述反渗透海水淡化装置采用反渗透膜法淡化海水。
4.一种基于海上可再生能源制氢的离岸水电供应方法，其特征在于，包括：
海上可再生能源发电装置将海上可再生能源转化为波动电能，一部分波动电能经第二稳压器处理后直接输送到用户端，富余的波动电能在电能智能分配系统控制下，一部分在第一稳压器处理后用于驱动水泵，另一部分输入电解槽直接电解水制氢；
反渗透海水淡化装置将水泵输入的海水处理为淡水，淡水通入淡水箱储存备用；
淡水箱用于储存淡水，一部分淡水通入电解槽后被电解为氢气和氧气，一部分淡水供工作人员生活使用；
电解槽电解水制氢和制氢，氢气和氧气分别储存于储氢罐以及储氧罐中；燃料电池将储氢罐中的氢气转化为稳定电能，并将产生的淡水回收到淡水箱中。
5.如权利要求4所述的离岸水电供应方法，其特征在于，所述水泵提供的泵功替换为风机直接提供，能减少中间步骤带来的能量损失。
6.如权利要求4所述的离岸水电供应方法，其特征在于，氢气直接压缩储存方式替换为先将氢气与二氧化碳通过氢化反应合成为有机液体燃料，以液态的形式储存，在需要电能时，再将液体燃料转化为氢气和二氧化碳，氢气在燃料电池中转化为电能，二氧化碳循环用于氢化反应。
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