CN116260187A - 一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统 - Google Patents

一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统 Download PDF

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Abstract

一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统，包括海上超导风力发电系统，海上超导风力发电系统输出的电能通过海底集电电缆与液氢冷却管道系统的海底集电电缆汇集至海上平台，并经第一变压转换系统转换为稳定直流电；海上液氢制备系统利用一部分稳定直流电制备液氢，一部分液氢经过加压加冷系统后通入海底集电电缆与液氢冷却管道系统的液氢冷却管道依次为超导风机提供冷却，剩余液氢经超导接入系统与剩余稳定直流电一同通过采用主动气化控温技术的混合能源管道输送至超导接出系统，超导接出系统的电力经第二变压转换系统输送给国家电网，超导接出系统的液氢进行储存、运输及销售；本发明降低了海上超导风机冷却系统的投资成本。

Description

一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统。
背景技术
在可再生能源发电中，风力发电是世界上发展最快的能源技术。越大的风力发电机(风机)，捕获的风能越大，安装和维护成本越低。相比陆上，海上风电场由于安装空间限制小，平均风速高，变得越来越受欢迎。近年来，大功率风机已成为海上风机市场的主流需求。然而，大型风力发电机组主要由铜线、定子和转子铁芯构成，重量和体积较大，安装难度和维护成本成为关键问题，许多单位都试图开发一种容量更大、体积更小、重量更轻的风机。
超导风机重量轻、紧凑性好，且功率密度高，将其用于风力发电是目前发展的趋势。不同于常规风机，超导风机的正常运行需要提供低温冷却。对单个超导风机而言，可将制冷机等设备安装在转子轮毂上，将制冷工质储备罐以及压缩机等设备安装在风机外部，这种给单机配备独立冷却系统的方法不仅需要巨大的投资成本，且仍面临着许多技术难题。此外，海上风力发电的间歇性和强随机性给海上风电的安全可靠消纳带来诸多难题。而在未来，受电网扩张的制约，随着可再生能源在电网中渗透率的增加，海上风电场的发展可能受到阻碍，并可能经历严重的缩减或限制。另一方面，随着未来海上风电场离岸距离不断增加，长距离输电所产生的电力损耗也成为一个重点问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统，利用液氢循环冷却的方式简化海上超导风机的冷却系统以降低投资成本，同时借助超导混合能源管道得到电力、液氢两种产品，解决远海风电场扩容、弃电回收、电能储存等问题。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统，包括海上超导风力发电系统1，海上超导风力发电系统1输出的电能通过海底集电电缆与液氢冷却管道系统2的海底集电电缆汇集至海上平台，并经第一变压转换系统3-1转换为稳定直流电；海上液氢制备系统4利用一部分稳定直流电制备液氢，经过加压加冷系统5后，一部分液氢通入海底集电电缆与液氢冷却管道系统2依次为超导风机提供冷却，剩余液氢经超导接入系统6与剩余稳定直流电一同通过采用主动气化控温技术的混合能源管道7输送至超导接出系统8，超导接出系统8的电力经第二变压转换系统3-2输送给国家电网，超导接出系统8的液氢进行储存、运输及销售。
所述海上超导风力发电系统1包括海上超导风机11以及AC/DC/AC变换装置12，超导风机11所输出的电能经过AC/DC/AC变换装置12中的AC/DC变换器整流、DC/AC变换器逆变以及变压器升压后连入海底集电电缆与液氢冷却管道系统2，并与海上平台的第一变压转换系统3-1连接。
所述第一变压转换系统3-1包括AC/DC变换器31以及变压器32，由海底集电电缆与液氢冷却管道系统2汇集来的电能通过AC/DC变换器31转换为稳定直流电，再经变压器32提升电压，最后经超导接入系统6接入输往陆地的采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
所述海上液氢制备系统4包括依次相连的海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43，利用海上平台的稳定直流电制备液氢，经过加压加冷系统5后，一部分液氢通入海底集电电缆与液氢冷却管道系统2依次为超导风机11提供冷却，其余液氢通过采用主动气化控温技术的混合能源管道7输至超导接出系统8。
所述海底集电电缆与液氢冷却管道系统2包括集中式制氢+循环冷却和分布式制氢+单向冷却两种布局方案，两方案中海底集电电缆与液氢冷却管道相邻并行布置。
所述海底集电电缆与液氢冷却管道系统2采用集中式制氢+循环冷却布局方案，即循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统，包括海上平台21、海底集电电缆22以及液氢冷却管道23，依次相连的海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43在海上平台21上源源不断制备液氢，液氢增压泵51和氦气制冷机52相连，为制备的液氢加压加冷，然后将一部分液氢通入液氢冷却管道23依次为超导风机11提供冷却，并循环回到海上平台21，如果液氢在加压加冷系统5获得的压力和过冷度不足以支持其在液氢冷却管道23内进行完整的流动与冷却，需在中间增设液氢增压泵51与氦气制冷机52；超导风机11输出的电能经AC/DC/AC变换装置12后接入与液氢冷却管道23相邻并行的海底集电电缆22双向就近输送至海上平台21，然后接入AC/DC变换器31转换为稳定直流电，其中部分直流电与海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43的电能输入端连通，其余直流电经变压器32提升电压后接入采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2中海底集电电缆22与液氢冷却管道23相邻并行布置，海底集电电缆22采用双向环式结构，正常工作时，超导风机11所输出的电能沿着海底集电电缆22就近汇集至海上平台21；海底集电电缆22任意处出现故障时，故障点两侧的海底集电电缆22仍可将超导风机11输出的电能汇集至海上平台21；液氢冷却管道23采用与海底集电电缆22并行的方式，液氢从海上平台21通入液氢冷却管道23，在对超导风机11进行冷却后，最终返回至海上平台21；一个大型海上超导风场设计有一个或多个海上平台21，围绕着每个海上平台21，需要设置多个循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2以实现对所有超导风机11的冷却以及对电能的汇集。
所述海底集电电缆与液氢冷却管道系统2采用分布式制氢+单向冷却布局方案，即单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统，包括海上制液平台24、海底集电电缆22、液氢冷却管道23以及海上平台21，依次相连的海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43在海上制液平台24上源源不断制备液氢，所需的电能由海上制液平台24附近的超导风机11提供；液氢增压泵51和氦气制冷机52相连，为制备的液氢加压加冷，然后通入液氢冷却管道23依次为超导风机11提供冷却，并沿着液氢冷却管道23输送至海上平台21，如果液氢在加压加冷系统5获得的压力和过冷度不足以支持其在液氢冷却管道23内进行完整的流动与冷却，需在中间增设液氢增压泵51与氦气制冷机52；其余超导风机11所输出的电能接入海底集电电缆22单向输送至海上平台21，经AC/DC变换器31转换为稳定直流电，再经变压器32提升电压后接入采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2中海底集电电缆22与液氢冷却管道23尽可能相邻并行布置；海底集电电缆22采用枝-链式结构，降低投资成本，以投资成本最低为目标通过遗传算法来寻找相应的海底集电电缆22拓扑结构；液氢冷却管道23采取链式结构，液氢从海上制液平台24进入液氢冷却管道23，在对超导风机11进行冷却后，最终输送至海上平台21；由于海上制液平台24的位置限制，无法完全按照与海底集电电缆22相邻并行的方式布置液氢冷却管道23，采取的一种布置方案是在采用枝-链式结构的海底集电电缆22中寻找靠近尽可能多超导风机11的链式线路，并沿此线路布置液氢冷却管道23；另一种布置方案是不考虑海底集电电缆22现有的枝-链式结构，另寻新的链式线路来布置液氢冷却管道23，但所寻的链式线路应尽可能与更多的海底集电电缆22重合；一个大型海上超导风场设计有一个或多个海上平台21，围绕着每个海上平台21，需要设置多个以海上制液平台24为起点的单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2以实现对超导风机11的冷却以及对电能的汇集。
所述的超导接入系统6包括第一铜线电缆61、第一绝缘层62、液氢预冷箱63、液氢注入口64及入口处超导电缆65，用于完成第一铜线电缆61向入口处超导电缆65的转换，并作为混合能源管道中液氢的注入口；第一铜线电缆61与入口处超导电缆65在液氢预冷箱63中进行转换，液氢被用作预冷剂；制备的液氢在通过液氢增压泵51加压、氦气制冷机52过冷后通过液氢注入口64注入采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
采用主动气化控温技术的混合能源管道7沿管长方向分为普通段与控温段；占混合能源管道总长度80％-90％的前段为普通段，包括由内向外同轴布置的超导电缆、液氢输送通道74以及真空绝热保温层75；占混合能源管道总长度10％-20％的后段为控温段，包括由内向外同轴布置的超导电缆、液氢输送通道74、液氢主动气化辅助通道76以及真空绝热保温层75；其中，超导电缆包括由内到外同轴布置的铜骨架71、超导层72、电绝缘层与屏蔽层73，超导电缆和液氢输送通道74的截面尺寸全线相同，超导电缆始终架设在液氢输送通道74的中心位置，由电缆滑轮支撑；混合能源管道普通段的液氢输送通道74外为真空绝热保温层75，混合能源管道控温段的液氢输送通道74外依次为液氢主动气化辅助通道76和真空绝热保温层75，液氢输送通道74与液氢主动气化辅助通道76之间的管壁上开设有多个喷射孔77，每个喷射孔的喷射量为液氢输送通道74内液氢质量流量的1/100；液氢从液氢输送通道74通过喷射孔77喷入液氢主动气化辅助通道76后，自身压力降低，达到气化温度；此后，液氢会在液氢主动气化辅助通道76内的流动过程中主动气化，并释放自身潜热，不仅吸收外部环境通过真空绝热保温层75输入的热量，剩余冷量还降低液氢输送通道74内液氢的温度，从而达到控温的效果。
超导接出系统8包括出口处超导电缆81、氢气排放口82、液氢排放口83、氢气预冷箱84、第二绝缘层85及第二铜线电缆86，用于完成出口处超导电缆81向第二铜线电缆86的转换，并作为混合能源管道中液氢输送通道74和液氢主动气化辅助通道76的排放口；出口处超导电缆81与第二铜线电缆86在氢气预冷箱84中进行转换，液氢主动气化辅助通道76中的低温氢气被用作预冷剂。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明基于超导技术，提出了集海上风场集电、海上风电制备液氢、超导风机冷却与氢电混合能源输送于一体的海上超导风氢系统，利用超导风机输出的电能在海上平台集中制备液氢，然后通过与海底集电电缆相邻并行的液氢管道依次冷却超导风机，可以避免额外的海底施工并大大简化超导风机的冷却系统；同时，液氢冷却减少了氦气制冷机的需求数量，并且选用的超导材料可以是成本远低于高温超导材料的MgB2，大幅降低了海上超导风场的投资成本。
超导直流输电技术的直流损耗几乎为零，这使得电能在输送过程中可以最大限度地降低损耗，仅为传输功率的0.5％。因此，基于超导技术建立一条氢电混合管道来联合传输电力和液氢，不仅可以减少资本投资，还会降低运行成本，是海上风电与氢能产业集成的最佳输运方案，同时解决了远海风电场扩容、弃电回收、电能储存等问题。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统结构示意图。
图3为本发明循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统应用实例拓扑图。
图4为本发明单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统结构示意图。
图5为本发明单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统应用实例拓扑图。
图6为本发明超导接入系统结构示意图。
图7为本发明采用主动气化控温技术的混合能源管道结构示意图。
图8为本发明超导接出系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做详细描述。
如图1所示，一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统，包括海上超导风力发电系统1、海底集电电缆与液氢冷却管道系统2、第一变压转换系统3-1、第二变压转换系统3-2、海上液氢制备系统4、加压加冷系统5、超导接入系统6、采用主动气化控温技术的混合能源管道7以及超导接出系统8；海上超导风力发电系统1输出的电能通过海底集电电缆与液氢冷却管道系统2汇集至海上平台，并经第一变压转换系统3-1转换为稳定直流电；海上液氢制备系统4利用一部分稳定直流电制备液氢，经过加压加冷系统5后，一部分液氢通入海底集电电缆与液氢冷却管道系统2依次为超导风机提供冷却，剩余液氢经超导接入系统6与剩余稳定直流电一同通过采用主动气化控温技术的混合能源管道7输送至超导接出系统8，超导接出系统8的电力经第二变压转换系统3-2输送给国家电网，超导接出系统8的液氢进行储存、运输及销售。
如图1、图2、图4所示，所述海上超导风力发电系统1包括海上超导风机11以及AC/DC/AC变换装置12，超导风机11所输出的电能经过AC/DC/AC变换装置12中的AC/DC变换器整流、DC/AC变换器逆变以及变压器升压后连入海底集电电缆与液氢冷却管道系统2，并与海上平台的第一变压转换系统3-1连接。
所述海底集电电缆与液氢冷却管道系统2包括集中式制氢+循环冷却和分布式制氢+单向冷却两种布局方案，两方案中海底集电电缆与液氢冷却管道相邻并行布置。
所述第一变压转换系统3-1包括AC/DC变换器31以及变压器32，由海底集电电缆与液氢冷却管道系统2汇集来的电能通过AC/DC变换器31转换为稳定直流电，再经变压器32提升电压，最后经超导接入系统6接入采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
如图2所示，所述海上液氢制备系统4包括依次相连的海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43，利用海上平台的稳定直流电制备液氢，经过加压加冷系统5后，一部分液氢通入海底集电电缆与液氢冷却管道系统2依次为超导风机11提供冷却，其余液氢通过采用主动气化控温技术的混合能源管道7输送至超导接出系统8。
如图2所示，海底集电电缆与液氢冷却管道系统2采用集中式制氢+循环冷却布局方案，即循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统，包括海上平台21、海底集电电缆22以及液氢冷却管道23，依次相连的海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43在海上平台21上源源不断制备液氢，加压加冷系统5中液氢增压泵51和氦气制冷机52相连，为制备的液氢加压加冷，然后将液氢通入液氢冷却管道23依次为超导风机11提供冷却，并循环回到海上平台21，如果液氢在加压加冷系统5获得的压力和过冷度不足以支持其在液氢冷却管道23内进行完整的流动与冷却，需在中间增设液氢增压泵51与氦气制冷机52；超导风机11输出的电能经AC/DC/AC变换装置12后接入与液氢冷却管道23相邻并行的海底集电电缆22双向就近输送至海上平台21，然后接入海上平台21上的AC/DC变换器31转换为直流电，其中部分直流电可与海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43的电能输入端连通，其余直流电经变压器32提升电压后接入采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
如图3所示，循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2中海底集电电缆22与液氢冷却管道23相邻并行布置，可缩减海底作业的工作量；其中，海底集电电缆22采用双向环式结构，可显著提高集电系统的冗余度，正常工作时，超导风机11所输出的电能可沿着海底集电电缆22就近汇集至海上平台21；海底集电电缆22任意处出现故障时，故障点两侧的海底集电电缆22仍可将超导风机11输出的电能汇集至海上平台21；液氢冷却管道23采用与海底集电电缆22并行的方式，液氢从海上平台21通入液氢冷却管道23，在对超导风机11进行液氢冷却后，最终返回至海上平台21；一个大型海上超导风场可以设计有一个或多个海上平台21，围绕着每个海上平台21，需要设置多个循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2以实现对所有超导风机11的冷却以及对电能的汇集。
如图4所示，海底集电电缆与液氢冷却管道系统2采用分布式制氢+单向冷却布局方案，即单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统，包括海上制液平台24、海底集电电缆22、液氢冷却管道23以及海上平台21，依次相连的海水淡化装置41、PEM电解水制氢及提纯装置42以及氢液化装置43可在海上制液平台24上源源不断制备液氢，所需的电能由海上制液平台24附近的超导风机11提供；加压加冷系统5中液氢增压泵51和氦气制冷机52相连，可为制备的液氢加压加冷，然后通入液氢冷却管道23依次为超导风机11提供冷却，并最终输送至海上平台21，如果液氢在加压加冷系统5获得压力和过冷度不足以支持其在液氢冷却管道23内进行完整的流动与冷却，需在中间增设液氢增压泵51与氦气制冷机52；其余超导风机11所输出的电能接入海底集电电缆22单向输送至海上平台21，经AC/DC变换器31转换为直流电，再经变压器32提升电压后接入采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
如图5所示，单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2中海底集电电缆22与液氢冷却管道23尽可能相邻并行布置，可缩减海底作业的工作量；其中，海底集电电缆22采用枝-链式结构，可显著降低集电系统的投资成本，以投资成本最低为目标通过遗传算法来寻找合适的集电电缆拓扑结构；液氢冷却管道23采取链式结构，液氢从海上制液平台24进入液氢冷却管道23，在对超导风机11进行液氢冷却后，最终输送至海上平台21。由于海上制液平台24的位置限制，因此无法完全按照与海底集电电缆22相邻并行的方式布置液氢冷却管道23，可以采取的一种布置方案是，在采用枝-链式结构的海底集电电缆22中寻找靠近尽可能多超导风机11的链式线路，并沿此线路布置液氢冷却管道23，此方案的缺点是无法为风场内的所有超导风机11提供冷却，不能提供冷却的超导风机11需要安装独立的冷却系统，或者安装为普通风机；为了给更多的超导风机11提供液氢冷却，可以采取的另一种布置方案是，不考虑海底集电电缆22现有的枝-链式结构，另寻新的链式线路来布置液氢冷却管道23，但所寻的链式线路应尽可能与更多的海底集电电缆22重合，以最大限度降低海底作业成本，此方案的缺点是存在一些单独的海底集电电缆22或者液氢冷却管道23线路，不可避免地增加了海底敷设作业量。一个大型海上超导风场可以设计有一个或多个海上平台21，围绕着每个海上平台21，需要设置多个以海上制液平台24为起点的单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统2以实现对超导风机11的冷却以及对电能的汇集。
如图6所示，超导接入系统6包括第一铜线电缆61、第一绝缘层62、液氢预冷箱63、液氢注入口64及入口处超导电缆65，用于完成第一铜线电缆61向入口处超导电缆65的转换，并作为混合能源管道中液氢的注入口；为了达到转换过程中的低温条件，并减少混合能源管道入口处的热泄露，第一铜线电缆61与入口处超导电缆65在液氢预冷箱63中进行转换，液氢被用作预冷剂；海上平台制备的液氢在通过液氢增压泵51加压、氦气制冷机52过冷后通过液氢注入口64注入采用主动气化控温技术的混合能源管道7。
如图7所示，采用主动气化控温技术的混合能源管道7沿管长方向分为普通段与控温段；混合能源管道的前段(占总长度的80％-90％)为普通段，包括由内向外同轴布置的超导电缆、液氢输送通道74以及真空绝热保温层75；混合能源管道的后段(占总长度的10％-20％)为控温段，包括由内向外同轴布置的超导电缆、液氢输送通道74、液氢主动气化辅助通道76以及真空绝热保温层75；其中，超导电缆包括由内到外同轴布置的铜骨架71、超导层72、电绝缘层与屏蔽层73，超导电缆和液氢输送通道74的截面尺寸全线相同，超导电缆始终架设在液氢输送通道74的中心位置，由电缆滑轮支撑，这样布置可确保超导电缆始终处于液氢输送通道74内的最佳散热位置，并避免了因超导电缆位置变化而引起的液氢流动阻力增大的问题；混合能源管道普通段的液氢输送通道74外为真空绝热保温层75，混合能源管道控温段的液氢输送通道74外依次为液氢主动气化辅助通道76和真空绝热保温层75，液氢输送通道74与液氢主动气化辅助通道76之间的管壁上开设有多个喷射孔77，相邻喷射孔间隔一定的长度，每个喷射孔的喷射量约为液氢输送通道74内液氢质量流量的1/100；液氢从液氢输送通道74通过喷射孔77喷入液氢主动气化辅助通道76后，自身压力降低，达到气化温度；此后，液氢会在液氢主动气化辅助通道76内的流动过程中主动气化，并释放自身潜热，不仅可以吸收外部环境通过真空绝热保温层75输入的热量，剩余冷量还可以降低液氢输送通道74内液氢的温度，从而达到控温的效果。
所述的超导体72为成本更加低廉的MgB2，电绝缘层与屏蔽层73材料可以是玻璃、陶瓷及云母等无机材料，也可以是交联聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等有机材料；液氢输送通道74和液氢主动气化辅助通道76为不锈钢无缝钢管，真空绝热保温层75采用了高真空多层绝热技术，使用的材料是反射屏为0.006mm的铝箔，用0.1mm厚的玻璃纸作为隔垫，夹层中填充有活性炭吸附剂或分子筛可以吸附气体，从而保证真空绝热保温层内的真空度。
如图8所示，超导接出系统8包括出口处超导电缆81、氢气排放口82、液氢排放口83、氢气预冷箱84、第二绝缘层85及第二铜线电缆86，用于完成出口处超导电缆81向第二铜线电缆86的转换，并作为混合能源管道中液氢输送通道74和液氢主动气化辅助通道76的排放口；为了达到转换过程中的低温条件，并减少混合能源管道出口处的热泄露，出口处超导电缆81与第二铜线电缆86在氢气预冷箱84中进行转换，液氢主动气化辅助通道76中的低温氢气被用作预冷剂。
本发明的工作原理：
本发明基于超导技术将海上风力发电与氢能相集成，利用风能产生的电力在海上平台制备液氢，进而在低温液氢的支持下，实现海上超导风机的冷却以及液氢与电力的混合输送，解决了远海风电场扩容、弃电回收、电能储存等问题，同时实现了电力的低损耗传输。
本发明提出了海底集电电缆与液氢冷却管道相邻并行敷设的集成拓扑结构，将传统设计中的超导风机独立冷却系统改为集中式循环冷却，降低超导风机的成本，同时依托集电电缆路由布置液氢管道，减少了海底施工作业量。
本发明为减少混合能源管道的能源消耗，降低超导管道失超的风险，创新性地利用主动气化技术在混合能源管道的末端设计了控温段，通过在液氢输送通道的管壁上开设喷射孔的方式，使穿过喷射孔进入液氢主动气化辅助通道的液氢降低压力后达到气化温度，并释放自身潜热，这使其在吸收外部环境通过真空绝热保温层输入热量的同时，还可以降低液氢输送通道内液氢的温度，从而达到控温的效果。

Claims (10)

1.一种基于超导技术的海上风力发电与氢电联合输送系统，其特征在于：包括海上超导风力发电系统(1)，海上超导风力发电系统(1)输出的电能通过海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)的海底集电电缆汇集至海上平台，并经第一变压转换系统(3-1)转换为稳定直流电；海上液氢制备系统(4)利用一部分稳定直流电制备液氢，经过加压加冷系统(5)后，一部分液氢通入海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)的液氢冷却管道依次为超导风机提供冷却，剩余液氢经超导接入系统(6)与剩余稳定直流电一同通过采用主动气化控温技术的混合能源管道(7)输送至超导接出系统(8)，超导接出系统(8)的电力经第二变压转换系统(3-2)输送给国家电网，超导接出系统(8)的液氢进行储存、运输及销售。
2.根据权利要求1所述的联合输送系统，其特征在于：所述海上液氢制备系统(4)包括依次相连的海水淡化装置(41)、PEM电解水制氢及提纯装置(42)以及氢液化装置(43)，利用海上平台的稳定直流电制备液氢，部分液氢在经过加压加冷系统(5)后，通入海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)的液氢冷却管道依次为超导风机(11)提供冷却，其余液氢通过采用主动气化控温技术的混合能源管道(7)输送至超导接出系统(8)。
3.根据权利要求1所述的联合输送系统，其特征在于：所述海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)包括集中式制氢+循环冷却和分布式制氢+单向冷却两种布局方案，两方案中海底集电电缆与液氢冷却管道相邻并行布置。
4.根据权利要求3所述的联合输送系统，其特征在于：所述海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)采用集中式制氢+循环冷却布局方案，即循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统，包括海上平台(21)、海底集电电缆(22)以及液氢冷却管道(23)，依次相连的海水淡化装置(41)、PEM电解水制氢及提纯装置(42)以及氢液化装置(43)在海上平台(21)上源源不断制备液氢，加压加冷系统(5)中液氢增压泵(51)和氦气制冷机(52)相连，为制备的液氢加压加冷，然后将液氢通入液氢冷却管道(23)依次为超导风机(11)提供冷却，并循环回到海上平台(21)，如果液氢在加压加冷系统(5)获得的压力和过冷度不足以支持其在液氢冷却管道(23)内进行完整的流动与冷却，需在中间增设液氢增压泵(51)与氦气制冷机(52)；超导风机(11)输出的电能经AC/DC/AC变换装置(12)后接入与液氢冷却管道(23)相邻并行的海底集电电缆(22)双向就近输送至海上平台(21)，然后连接AC/DC变换器(31)转换为直流电，其中部分直流电与海水淡化装置(41)、PEM电解水制氢及提纯装置(42)以及氢液化装置(43)的电能输入端连通，其余直流电经变压器(32)提升电压后接入采用主动气化控温技术的混合能源管道(7)。
5.根据权利要求4所述的联合输送系统，其特征在于：循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)中海底集电电缆(22)与液氢冷却管道(23)相邻并行布置，海底集电电缆(22)采用双向环式结构，正常工作时，超导风机(11)所输出的电能沿着海底集电电缆(22)就近汇集至海上平台(21)；海底集电电缆(22)任意处出现故障时，故障点两侧的海底集电电缆(22)仍可将超导风机(11)输出的电能汇集至海上平台(21)；液氢冷却管道(23)采用与海底集电电缆(22)并行的方式，液氢从海上平台(21)通入液氢冷却管道(23)，在对超导风机(11)进行冷却后，最终返回至海上平台(21)；一个大型海上超导风场设计有一个或多个海上平台(21)，围绕着每个海上平台(21)，需要设置多个循环式海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)以实现对所有超导风机(11)的冷却以及对电能的汇集。
6.根据权利要求3所述的联合输送系统，其特征在于：所述海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)采用分布式制氢+单向冷却布局方案，即单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统，包括海上制液平台(24)、海底集电电缆(22)、液氢冷却管道(23)以及海上平台(21)，依次相连的海水淡化装置(41)、PEM电解水制氢及提纯装置(42)以及氢液化装置(43)在海上制液平台(24)上源源不断制备液氢，所需的电能由海上制液平台(24)附近的超导风机(11)提供；加压加冷系统(5)中液氢增压泵(51)和氦气制冷机(52)相连，为制备的液氢加压加冷，然后通入液氢冷却管道(23)依次为超导风机(11)提供冷却，并沿着液氢冷却管道(23)输送至海上平台(21)，如果液氢在加压加冷系统5获得的压力和过冷度不足以支持其在液氢冷却管道(23)内进行完整的流动与冷却，需在中间增设液氢增压泵(51)与氦气制冷机(52)；其余超导风机(11)所输出的电能接入与液氢冷却管道(23)并行的海底集电电缆(22)单向输送至海上平台(21)，经AC/DC变换器(31)转换为直流电，再经变压器(32)提升电压后接入采用主动气化控温技术的混合能源管道(7)。
7.根据权利要求6所述的联合输送系统，其特征在于：单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)中海底集电电缆(22)与液氢冷却管道(23)尽可能相邻并行布置；海底集电电缆(22)采用枝-链式结构；液氢冷却管道(23)采取链式结构，液氢从海上制液平台(24)进入液氢冷却管道(23)，在对超导风机(11)进行冷却后，输送至海上平台(21)；由于海上制液平台(24)的位置限制，无法完全按照与海底集电电缆(22)相邻并行的方式布置液氢冷却管道(23)，采取的一种布置方案是在采用枝-链式结构的海底集电电缆(22)中寻找靠近尽可能多超导风机(11)的链式线路，并沿此线路布置液氢冷却管道(23)；另一种布置方案是不考虑海底集电电缆(22)现有的枝-链式线路，另寻新的链式线路来布置液氢冷却管道(23)，但所寻的链式线路应尽可能与更多的海底集电电缆(22)重合；一个大型海上超导风场设计有一个或多个海上平台(21)，围绕着每个海上平台(21)，需要设置多个以海上制液平台(24)为起点的单向式海底集电电缆与液氢冷却管道系统(2)以实现对超导风机(11)的冷却以及对电能的汇集。
8.根据权利要求1所述的联合输送系统，其特征在于：所述的超导接入系统(6)包括第一铜线电缆(61)、第一绝缘层(62)、液氢预冷箱(63)、液氢注入口(64)及入口处超导电缆(65)，用于完成第一铜线电缆(61)向入口处超导电缆(65)的转换，并作为混合能源管道中液氢的注入口；第一铜线电缆(61)与入口处超导电缆(65)在液氢预冷箱(63)中进行转换，液氢被用作预冷剂；海上平台制备的液氢在通过液氢增压泵(51)加压、氦气制冷机(52)过冷后通过液氢注入口(64)注入采用主动气化控温技术的混合能源管道(7)。
9.根据权利要求1所述的联合输送系统，其特征在于：采用主动气化控温技术的混合能源管道(7)沿管长方向分为普通段与控温段；占混合能源管道总长度80％-90％的前段为普通段，包括由内向外同轴布置的超导电缆、液氢输送通道(74)以及真空绝热保温层(75)；占混合能源管道总长度10％-20％的后段为控温段，包括由内向外同轴布置的超导电缆、液氢输送通道(74)、液氢主动气化辅助通道(76)以及真空绝热保温层(75)；其中，超导电缆包括由内到外同轴布置的铜骨架(71)、超导层(72)、电绝缘层与屏蔽层(73)，超导电缆和液氢输送通道(74)的截面尺寸全线相同，超导电缆始终架设在液氢输送通道(74)的中心位置，由电缆滑轮支撑；混合能源管道普通段的液氢输送通道(74)外为真空绝热保温层(75)，混合能源管道控温段的液氢输送通道(74)外依次为液氢主动气化辅助通道(76)和真空绝热保温层(75)，液氢输送通道(74)与液氢主动气化辅助通道(76)之间的管壁上开设有多个喷射孔(77)，每个喷射孔的喷射量为液氢输送通道(74)内液氢质量流量的1/100；液氢从液氢输送通道(74)通过喷射孔(77)喷入液氢主动气化辅助通道(76)后，自身压力降低，达到气化温度；此后，液氢会在液氢主动气化辅助通道(76)内的流动过程中气化，并释放自身潜热，不仅吸收外部环境通过真空绝热保温层(75)输入的热量，剩余冷量还降低液氢输送通道(74)内液氢的温度，从而达到控温的效果。
10.根据权利要求1所述的联合输送系统，其特征在于：超导接出系统(8)包括出口处超导电缆(81)、氢气排放口(82)、液氢排放口(83)、氢气预冷箱(84)、第二绝缘层(85)及第二铜线电缆(86)，用于完成出口处超导电缆(81)向第二铜线电缆(86)的转换，并作为混合能源管道中液氢输送通道(74)和液氢主动气化辅助通道(76)的排放口；第二铜线电缆(86)与出口处超导电缆(81)在氢气预冷箱(84)中进行转换，液氢主动气化辅助通道(76)中的低温氢气被用作预冷剂。
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