CN115977878A - 浮式海上风浪联合发电制氢平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮式海上风浪联合发电制氢平台，浮式基础包括三角形的平台甲板以及安装于其下方的一个系泊侧立柱、两个风机侧立柱；系泊侧立柱下方安装张紧式单点系泊系统；风机侧立柱内部为中空设计，并配备有压载水系统；平台甲板下方安装若干振荡浮子式波浪能发电装置；三角斜撑式塔架设置于平台甲板上方，用于安装下风向风机系统；下风向风机系统位于风机侧立柱上方；水电解制氢系统和整流与储电装置布置于平台甲板；整流与储电装置对风电与波浪能发电进行整流与储存，并为水电解制氢系统供电。本发明采用海水电解制氢就地消纳风电和波浪能发电，有效规避了弃风、弃电问题，还可解决日益增长的氢能需求；采用轻量化的浮式基础，减少了建造成本。

Description

浮式海上风浪联合发电制氢平台

技术领域

本发明涉及海洋可再生能源开发与利用技术领域，具体涉及一种风能-波浪能耦合互补发电制氢平台。

背景技术

氢能具有能量密度高、可循环利用和绿色环保等优点，现成为世界各国新能源产业发展的主要方向。然而，目前全球氢气生产原料仍以化石燃料为主，其主要原因是电解水制氢成本过高。传统的制氢方式没有解决碳排放问题，因此，利用海上可再生能源电解水制氢是实现氢能产业链零排放的可行之径。

风能发电是目前最为成熟的可再生能源，2021年，我国新增风电装机容量占所有新增可再生能源发电总量的一半以上。然而，当前在我国风力发电快速发展的背景下，却有大量的风电无法并网，出现了严重的弃风、弃电问题。同时，随着近海机位的日渐饱和，我国海上风电由近海浅海向深远海发展的趋势已经形成，漂浮式海上风电的发展为未来海上风电提供了更加广阔的发展空间，被广泛认为是解决深远海漂浮式风电和绿氢大规模制备的关键手段。据市场调研，目前固定式海上风电成本远远高于火电成本，漂浮式风电成本或更高，其本质原因在于过高的平台建造成本。因此海上风电的消纳问题与平台设计的降本增效是海上风电领域的关键挑战。

现有技术中，风力发电机组主要为上风向系统，并采用伺服模块进行主动偏航对风，其并未与其他结构形式进行联合优化，以摆脱对于伺服控制的依赖。风机塔架结构形式主要为竖直型塔筒，此种形式的塔架在风力的作用，塔基易受到较大的剪力与弯矩，进而影响到其疲劳性能。这在一定程度上加大了浮式平台的运维成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在风力发电的弃风、弃电，浮式发电平台建造成本过高，风机叶片依赖伺服系统的对风调控以及风机系统塔基受力不合理的不足，提供一种浮式海上风浪联合发电制氢平台，该平台是一种将张紧式单点系泊的浮式平台与下风向风机以及阵列式波能发电装置结合的耦合互补发电制氢平台，有效提高了海洋可再生能源的利用效率，降低平台建造与运维成本，同时采用海水电解制氢就地消纳风电和波浪能发电，使得风电无需并网，有效规避了弃风、弃电问题，在实现海上可再生能源开发的降本增效的同时，还可解决日益增长的氢能需求。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种浮式海上风浪联合发电制氢平台，包括浮式基础、张紧式单点系泊系统、阵列式波浪能发电系统、三角斜撑式塔架、下风向风机系统、水电解制氢系统、整流与储电装置；

所述浮式基础包括三角形的平台甲板以及安装于所述平台甲板下方的一个系泊侧立柱、两个风机侧立柱；一个系泊侧立柱下方安装所述张紧式单点系泊系统；两个风机侧立柱内部为中空设计，并配备有压载水系统，用于调节平台重心位置并与张紧式单点系泊系统互相配合实现平台整体的稳定平衡；所述阵列式波浪能发电系统包括若干个安装于所述平台甲板下方的振荡浮子式波浪能发电装置；所述三角斜撑式塔架设置于平台甲板上方，用于安装所述下风向风机系统，三角斜撑式塔架包括一根主斜撑和两根副斜撑，所述主斜撑底端与系泊侧立柱连接，顶端与风机机舱相连，所述两根副斜撑底端分别与两个风机侧立柱连接顶端与风机机舱相连；所述下风向风机系统包括所述风机机舱和风机叶片，下风向风机系统位于两个风机侧立柱的上方；所述水电解制氢系统和整流与储电装置均布置于平台甲板上；所述整流与储电装置对风电与波浪能发电进行整流与储存，并为所述水电解制氢系统供电。

上述方案中，所述张紧式单点系泊系统包括从上至下依次设置的旋转密封接头、转盘、张紧式锚链和水下固定基盘；所述旋转密封接头与系泊侧立柱底部连接，其下部连接有转盘，系泊侧立柱能绕其360°水平轴向旋转；所述转盘边缘配有若干根张紧式锚链，所述张紧式锚链底端与水下固定基盘相连，水下固定基盘与海底固定，张紧式锚链可提供足够的张力来平衡平台自身所产生的浮力。

上述方案中，所述阵列式波浪能发电系统包括六个振荡浮子式波浪能发电装置，呈三角式阵列分布，每个振荡浮子式波浪能发电装置上端通过撑杆与平台甲板连接。

上述方案中，所述水电解制氢系统包括依次相连的海水抽取装置、海水淡化与水电解制氢装置、分离与提纯装置、压缩与储能设备；所述海水抽取装置将海水送入所述海水淡化与水电解制氢装置，在海水淡化与水电解制氢装置中，海水脱盐产生淡水后送入电解水槽将淡水分离为氧气和氢气，随后纯度较低的原料气送入所述分离与提纯装置中实现氢气的提纯，最后利用所述压缩与储能设备对制备的氢气进行储存。

上述方案中，所述分离与提纯装置采用变压吸附原理将原料气送入吸附剂床层，氢以外的其余组分作为杂质被吸附剂选择性地吸附，而沸点低、挥发度最高的氢气不被吸附，以大于99％的纯度离开吸附床，从而达到与其它杂质分离的目的。

上述方案中，所述平台甲板为等边三角形，三个立柱分别位于等边三角形的三个顶点处。

上述方案中，所述两个风机侧立柱处于风机的左右两侧并对称布置，风机侧立柱采用多节圆柱与圆台交替互嵌式结构。

上述方案中，所述风机侧立柱底部设置有圆形垂荡板，用于减小平台整体垂荡运动响应。

上述方案中，所述系泊侧立柱与风机侧立柱，相邻立柱的上端与下端通过数个横撑连接，同时利用斜撑进行加固。

上述方案中，所述系泊侧立柱上端还配备有观测平台，可对周围海域信息进行监测，从而对浮式海上风浪联合发电制氢平台可作业窗口进行实时预报。

本发明的有益效果在于：

1、本发明是一种将张紧式单点系泊的浮式平台与下风向风机以及阵列式波能发电装置结合的耦合互补发电制氢平台，采用海水电解制氢就地消纳风电和波浪能发电，有效规避了弃风、弃电问题，有效提高了海洋可再生能源的利用效率，在实现海上可再生能源开发的降本增效的同时，还可解决日益增长的氢能需求。

2、本发明采用轻量化的浮式基础，通过平台多处结构的中空化以及桁架式的设计，使其更为轻量化，减少了建造成本；通过桁架式结构作为支撑，保证平台结构安全，采用可调节的浮筒压载水系统保障平台的重心稳性，同时在平台尾部部署两块内垂荡板以减小轻量化平台的垂荡运动；三角式浮筒基础布置，有效加强了风标效应。

3、本发明采用张紧式单点系泊，由于浮式平台纵向的非对称设计，使得平台重心与浮心并非处于同一垂线上，因此本发明选用了布置在平台一端的张紧式系泊，使平台重力、浮力以及系泊张力实现力矩平衡，从而达到稳定，使整体平台结构轻量化的同时保证了浮式平台运动性能。此外，单点式的回转系泊系统使得平台能更好的配合下风向风机，加强风标效应，使平台被动对风，节省控制成本。

4、本发明采用下风向风机系统，与传统上风向风机系统相比，风机叶片可顺着风向进行旋转，且风机整体布置在平台尾部加强风标效应，使得浮式平台整体自动进行偏航对风，节省控制成本。

5、本发明采用三角斜撑式塔架，将传统的单根竖向塔架替换为三根斜撑式塔架，节省成本，两根支撑塔架分别布置在平台尾部，一根主塔架布置在平台首部，牺牲了一部分风机的高度，但将原本大部分弯矩转变为主塔架的拉力，极大的改善了平台结构的受力分布情况，同时提供了一定的抗台性能。此外斜撑式塔架系统也能一定程度上减小塔架干扰流过叶片的气流形成的“塔影效应”，减小性能损失。

6、本发明采用波浪能振荡浮子发电系统，通过在浮式制氢平台下部布置波浪能浮子阵列，可为制氢平台提供垂向运动的阻尼，有效减小垂荡运动的幅值，为轻量化平台的安全与运行和风机的高效发电提供保障。同时，波能发电装置所产生电能将同风电整合，进而为制氢系统提供电能，此外，多能耦合互补发电使功率更加平稳，降低整流难度，保障整体系统运行。

7、本发明采用淡化-水解-提纯-压缩-储存制氢系统，将通过风能-波浪能发电并利用海水生产氢气。首先通过海水提升泵吸取海水，之后通过海水处理单元进行海水淡化，然后送入电解槽中，通过质子交换膜电解槽(PEM)将其分解为氢气和氧气，氧气排放，氢气经过提纯后通过压缩机压缩并储存，最后还可将氢气通过管道长距离运输。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明浮式海上风浪联合发电制氢平台的立体结构示意图；

图2为本发明浮式海上风浪联合发电制氢平台的侧视图；

图3为本发明浮式海上风浪联合发电制氢平台的俯视图；

图4为本发明浮式海上风浪联合发电制氢平台的仰视图。

图中：1-浮式基础；11-系泊侧立柱；12-风机侧立柱；121-垂荡板；122-压载水系统；13-横撑；14-斜撑；15-平台甲板；16-甲板护栏；17-观测平台；

2-张紧式单点系泊系统；21-旋转密封接头；22-转盘；23-张紧式锚链；24-水下固定基盘；

3-阵列式波浪能发电系统；31-撑杆；32-振荡浮子式波浪能发电装置；

4-三角斜撑式塔架；41-主斜撑；42-副斜撑；

5-下风向风机系统；51-风机机舱；52-风机叶片；

6-水电解制氢系统；61-海水抽取装置；62-海水淡化与水电解制氢装置；63-分离与提纯装置；64-压缩与储能设备；

7-整流与储电装置。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-4所示，为本发明实施例提供的一种浮式海上风浪联合发电制氢平台，包括浮式基础1、张紧式单点系泊系统2、阵列式波浪能发电系统3、三角斜撑式塔架4、下风向风机系统5、水电解制氢系统6、整流与储电装置7。

浮式基础1，作为其他系统的安装平台，并采用轻量化结构设计。浮式基础1包括三角形的平台甲板15以及分别安装于平台甲板15三个顶点下方的一个系泊侧立柱11、两个风机侧立柱12。平台甲板15主要承担对上部水电解制氢系统6各组块的支撑作用；系泊侧立柱11采用筒形结构，下方安装张紧式单点系泊系统2；风机侧立柱12内部为中空设计，并配备有压载水系统122，通过增减压载水的质量，用于调节平台重心位置并与张紧式单点系泊系统2互相配合实现平台整体的稳定平衡。两个风机侧立柱12处于风机的左右两侧并对称布置，风机侧立柱12采用多节圆柱与圆台交替互嵌式结构，其在保证结构轻量化的同时，可有效增大制氢平台排水体积并提高压载水系统122的可调节范围。为了提高浮式基础1整体结构强度，相邻立柱的上端与下端通过数个横撑13连接，同时利用斜撑14进行加固。此外，风机侧立柱12底部还配有圆形垂荡板121，可用于减小平台整体垂荡运动响应，提高平台的在深海环境下的耐波性。平台甲板15边缘处布置了甲板护栏16，保证了后期运营与维护的安全性。系泊侧立柱11上端还配备有观测平台17，可对周围海域信息进行监测，从而对浮式海上风浪联合发电制氢平台可作业窗口进行实时预报。整个浮式基础1多处采用中空化设计并采用桁架结构作为支撑，平台自身质量可大大减轻并有利于扩充上层甲板可用面积。

张紧式单点系泊系统2，包括从上至下依次设置的旋转密封接头21、转盘22、张紧式锚链23和水下固定基盘24；旋转密封接头21与系泊侧立柱11底部连接，其下部连接有转盘22，系泊侧立柱11可绕其360°水平轴向旋转；转盘22边缘配有三根张紧式锚链23，张紧式锚链23底端与水下固定基盘24相连，水下固定基盘24与海底固定，张紧式锚链23可提供足够的张力来平衡平台自身所产生的浮力，这使得平台自重可进一步减轻，保证浮式基础1的轻量化。

阵列式波浪能发电系统3，包括六个安装于平台甲板15下方的振荡浮子式波浪能发电装置32，呈三角式阵列分布，每个振荡浮子式波浪能发电装置32上端通过撑杆31与平台甲板15连接。当波浪经过平台时，阵列式波浪能发电系统3可对波浪能进行吸收，减小平台整体垂荡运动响应，保证整个浮式基础1能够更加平稳地绕单点系泊系统转动。同时波浪能发电可与风力发电整合，使整体发电功率更为稳定。

三角斜撑式塔架4，设置于平台甲板15上方，用于安装下风向风机系统5。三角斜撑式塔架4包括一根主斜撑41和两根副斜撑42，主斜撑41底端与系泊侧立柱11连接，顶端与风机机舱51相连，两根副斜撑42底端分别与两个风机侧立柱12连接顶端与风机机舱51相连，并呈对称式分布。由于塔架整体采用三角式稳定结构，相较于竖直筒形塔架，该结构在受到风载荷时可较大程度减弱节点处所受到的剪力和弯矩，改善塔架受力分布，提高塔架整体结构强度与疲劳性能。

下风向风机系统5，包括风机机舱51和三根风机叶片52。由于采用下风向式风机，风会先通过塔架再通过风轮，因此在风载荷的作用下并配合独有的张紧式单点系泊系统2，风机可充分利用风标效应，使浮式制氢平台绕系泊中心点转动，根据风浪流的方向调整浮式制氢平台迎向，实现风机的自动偏航对风。整个系统在充分利用风能资源的同时节省了主动控制成本。

水电解制氢系统6和整流与储电装置7均布置于平台甲板15上，水电解制氢系统6包括依次相连的海水抽取装置61、海水淡化与水电解制氢装置62、分离与提纯装置63、压缩与储能设备64。风力发电与波浪能发电通过整流与储电装置7进行整合与储存，维持各个制氢设备的正常运转。整个制氢流程中，首先利用海水抽取装置61将海水送入海水淡化与水电解制氢装置62，海水脱盐产生淡水后送入电解水槽，利用相关技术可将淡水分离为氧气和氢气。随后将纯度较低的原料气送入分离与提纯装置63中，采用变压吸附原理将原料气送入吸附剂床层，氢以外的其余组分作为杂质被吸附剂选择性地吸附，而沸点低、挥发度最高的氢气基本上不被吸附，以大于99％左右的纯度离开吸附床，从而达到与其它杂质分离的目的。最后则利用压缩与储能设备64对制备的氢气进行储存。

本发明的上述浮式海上风浪联合发电制氢平台，其中平台甲板15上方布置有水电解制氢系统6，可对风能-波浪能发电进行就地消耗，无需考虑风电并网难题，有效解决了风力发电的弃风、弃电问题。平台甲板15下方还布置有阵列式的振荡浮子发电装置，其在为水电解制氢系统6提供额外电力的同时，还可为平台提供垂向运动的阻尼，改善平台运动性能。其次，本发明针对浮式平台进行了轻量化处理，其表现在独特的张紧式单点系泊系统2以及轻量化的桁架支撑结构和压载水系统122，其中张紧式单点系泊系统2布置在与风机相对一侧的立柱下方，系泊绳与海底垂直相连，平台可利用自身产生的浮力与平台自身重力以及系泊绳预张力平衡，实现平台的单自由度轴向运动。桁架结构与浮式平台的正三角式浮筒立柱相连，独特的压载水系统122还可进行调节以保证平台重心稳性，整个设计在实现轻量化的同时可保证结构的安全性。此外，本发明采用下风向风机系统5，配合单点系泊系统可实现风机系统的自动偏航对风，免去了伺服控制模块的成本。最后，本发明采用独特的三角斜撑式塔架4，将传统的单根竖向塔架替换为三根斜撑式塔架，使得平台结构的受力分布得到了大幅改善，可有效降低整体的运维成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，包括浮式基础、张紧式单点系泊系统、阵列式波浪能发电系统、三角斜撑式塔架、下风向风机系统、水电解制氢系统、整流与储电装置；

所述浮式基础包括三角形的平台甲板以及安装于所述平台甲板下方的一个系泊侧立柱、两个风机侧立柱；一个系泊侧立柱下方安装所述张紧式单点系泊系统；两个风机侧立柱内部为中空设计，并配备有压载水系统，用于调节平台重心位置并与张紧式单点系泊系统互相配合实现平台整体的稳定平衡；所述阵列式波浪能发电系统包括若干个安装于所述平台甲板下方的振荡浮子式波浪能发电装置；所述三角斜撑式塔架设置于平台甲板上方，用于安装所述下风向风机系统，三角斜撑式塔架包括一根主斜撑和两根副斜撑，所述主斜撑底端与系泊侧立柱连接，顶端与风机机舱相连，所述两根副斜撑底端分别与两个风机侧立柱连接顶端与风机机舱相连；所述下风向风机系统包括所述风机机舱和风机叶片，下风向风机系统位于两个风机侧立柱的上方；所述水电解制氢系统和整流与储电装置均布置于平台甲板上；所述整流与储电装置对风电与波浪能发电进行整流与储存，并为所述水电解制氢系统供电。

2.根据权利要求1所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述张紧式单点系泊系统包括从上至下依次设置的旋转密封接头、转盘、张紧式锚链和水下固定基盘；所述旋转密封接头与系泊侧立柱底部连接，其下部连接有转盘，系泊侧立柱能绕其360°水平轴向旋转；所述转盘边缘配有若干根张紧式锚链，所述张紧式锚链底端与水下固定基盘相连，水下固定基盘与海底固定，张紧式锚链可提供足够的张力来平衡平台自身所产生的浮力。

3.根据权利要求1所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述阵列式波浪能发电系统包括六个振荡浮子式波浪能发电装置，呈三角式阵列分布，每个振荡浮子式波浪能发电装置上端通过撑杆与平台甲板连接。

4.根据权利要求1所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述水电解制氢系统包括依次相连的海水抽取装置、海水淡化与水电解制氢装置、分离与提纯装置、压缩与储能设备；所述海水抽取装置将海水送入所述海水淡化与水电解制氢装置，在海水淡化与水电解制氢装置中，海水脱盐产生淡水后送入电解水槽将淡水分离为氧气和氢气，随后纯度较低的原料气送入所述分离与提纯装置中实现氢气的提纯，最后利用所述压缩与储能设备对制备的氢气进行储存。

5.根据权利要求4所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述分离与提纯装置采用变压吸附原理将原料气送入吸附剂床层，氢以外的其余组分作为杂质被吸附剂选择性地吸附，而沸点低、挥发度最高的氢气不被吸附，以大于99％的纯度离开吸附床，从而达到与其它杂质分离的目的。

6.根据权利要求1所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述平台甲板为等边三角形，三个立柱分别位于等边三角形的三个顶点处。

7.根据权利要求1所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述两个风机侧立柱处于风机的左右两侧并对称布置，风机侧立柱采用多节圆柱与圆台交替互嵌式结构。

8.根据权利要求7所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述风机侧立柱底部设置有圆形垂荡板，用于减小平台整体垂荡运动响应。

9.根据权利要求1所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述系泊侧立柱与风机侧立柱，相邻立柱的上端与下端通过数个横撑连接，同时利用斜撑进行加固。

10.根据权利要求1所述的浮式海上风浪联合发电制氢平台，其特征在于，所述系泊侧立柱上端还配备有观测平台，可对周围海域信息进行监测，从而对浮式海上风浪联合发电制氢平台可作业窗口进行实时预报。

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