CN116443198A - 一种浮式风电制氢平台系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮式风电制氢平台系统及其工作方法，浮式风电制氢平台系统包括浮体基础单元、风电机组单元、系泊单元和制储氢单元，浮体基础单元包括固定连接的上浮体组件和下浮体组件，上浮体组件包括多个上浮体，相邻上浮体的上部之间通过上横杆固定连接，各上横杆围成甲板的围框，制储氢单元设置于处于海面上方的甲板上，各上浮体顶端均设有上斜杆，且各上斜杆顶端固定于一起并形成浮顶，风电机组单元设置于浮顶，系泊单元与下浮体组件连接，风电机组单元与制储氢单元电连接，风电机组单元输出的电能用于传输到制储氢单元。本发明能解决传统漂浮式风电平台造价成本高和电力资源大规模送出的问题。
Description
技术领域
本发明属于海上新能源技术领域，具体涉及一种浮式风电制氢平台系统及其工作方法。
背景技术
海上风电在推进能源结构转型中发挥至关重要的作用，对于大规模深海风力资源开发，电力送出工程的造价随距离增加而大幅攀升，其中电力送出工程包括海底电缆、海上升压站、海上换流站等设备设施的制造与安装，另外由于用于输送电力的电缆登陆需要路由资源，而由于海上路由资源的制约，对海上风电项目的可行性造成一定的影响。
目前海上漂浮式风力发电基础上的风机机组主要为上风向风机和竖直塔筒式结构，主要通过风机机组主动转动以控制迎风方向，且海上漂浮式风力发电基础的形式包括单立柱式、三立柱式和四立柱式，其中单立柱式的基础需要深水环境，而目前三立柱式和四立柱式基础的重量大，主要为多点系泊，造价成本高。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提供一种浮式风电制氢平台系统及其工作方法，能解决传统漂浮式风电平台造价成本高和电力资源大规模送出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种浮式风电制氢平台系统，包括浮体基础单元、风电机组单元、系泊单元和制储氢单元，所述浮体基础单元包括固定连接的上浮体组件和下浮体组件，所述上浮体组件包括多个上浮体，相邻所述上浮体的上部之间通过上横杆固定连接，各所述上横杆围成甲板的围框，所述制储氢单元设置于处于海面上方的甲板上，各所述上浮体顶端均设有上斜杆，且各所述上斜杆顶端固定于一起并形成浮顶，所述风电机组单元设置于浮顶，所述系泊单元与下浮体组件连接，所述风电机组单元与制储氢单元电连接，所述风电机组单元输出的电能用于传输到制储氢单元。
进一步地，所述下浮体组件包括多个下浮体，相邻所述下浮体之间通过下横杆固定连接，各所述下浮体底端均设有下斜杆，且各所述下斜杆底端固定于一起并形成浮底，所述系泊单元为单点系泊单元，所述单点系泊单元与浮底连接。
进一步地，所述下浮体与上浮体的数目相等，每个所述下浮体处于相应上浮体的正下方并通过竖杆固定连接，各所述上斜杆的长度相等且各下斜杆的长度相等，所述浮顶处于浮底的正上方。
进一步地，还包括推进单元，所述推进单元包括多个与下浮体数目相等的推进部件，所述推进部件包括推进组件和回转组件，所述推进组件包括多个螺旋桨叶，多个所述螺旋桨叶分布于水平的推进轮毂上，所述回转组件包括呈L形的连接筒，所述连接筒的水平筒节段内固定有回转电机，所述回转电机的输出轴伸出水平筒节段，所述推进轮毂套设固定于回转电机的输出轴上，所述连接筒的竖直筒节段顶端与相应下浮体底端固定连接，所述推进单元用于带动浮体基础单元和风电机组单元绕单点系泊单元转动，以抵抗风浪流作用。
进一步地，各所述上斜杆的顶部和底部均设有人孔，并且内部均设有爬梯和第一电缆，底部的各所述人孔靠近甲板，顶部的各所述人孔与风电机组单元的发电机机舱连通，各所述上浮体内均设有第二电缆，各所述竖杆内均设有第三电缆，各所述下浮体内均设有第四电缆，各所述连接筒内均设有第五电缆，所述第一电缆顶端与风电机组单元的发电机机舱连接，所述第一电缆底端与相应第二电缆顶端连接，所述第二电缆底端与相应第三电缆顶端连接，所述第三电缆底端与相应第四电缆顶端连接，所述第四电缆底端与相应第五电缆顶端连接，所述第五电缆底端与回转电机连接，其中一根所述第一电缆底端还与制储氢单元连接。
进一步地，所述制储氢单元包括海水淡化设备、制氢设备、氢气液化设备和储氢设备，所述海水淡化设备的一端处于海面下，另一端与所述制氢设备的一端连接，所述制氢设备的另一端与氢气液化设备的一端连接，所述氢气液化设备的另一端与储氢设备的一端连接，所述储氢设备的另一端用于连接氢气外输设备。
进一步地，所述单点系泊单元包括万向节、系泊链和锚固，所述万向节的一端与浮底连接，另一端与系泊链顶端连接，所述系泊链底端与固定于海底的锚固连接。
进一步地，所述风电机组单元包括多个风机叶片，多个所述风机叶片通过风机轮毂设置在水平的风机转子上，所述风机转子配有发电机机舱。
进一步地，所述上浮体和下浮体均为浮箱，所述浮箱内部分布有多个腔体，其中部分所述腔体内设有压载水，用于调节所述浮体基础单元的吃水深度。
一种浮式风电制氢平台系统的工作方法，具体为：所述风电机组单元在风力作用下发电并将输出的电能传输到制储氢单元，所述制储氢单元利用所传输的电能将水电解为氢气和氧气，并将制备的氢气进行存储。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明的浮式风电制氢平台系统中浮体基础单元为无塔筒的漂浮式基础，重量小且造价成本相对较低，另外能利用风电机组单元产生的间歇性的海上风电就地电解水以制备氢气，并将氢气存储以备应用，能有效解决传统漂浮式风电平台造价成本高和电力资源大规模送出的问题。
本发明中，下浮体组件包括多个下浮体，相邻下浮体之间通过下横杆固定连接，各下浮体底端均设有下斜杆，且各下斜杆底端固定于一起并形成浮底，系泊单元为单点系泊单元，单点系泊单元与浮底连接，下浮体与上浮体的数目相等，每个下浮体处于相应上浮体的正下方并通过竖杆固定连接，各上斜杆的长度相等且各下斜杆的长度相等，浮顶处于浮底的正上方；这样浮体基础单元整体为对称结构，便于稳定地漂浮在海水中。
本发明中，各上斜杆的顶部和底部均设有人孔，并且内部均设有爬梯和第一电缆，底部的各人孔靠近甲板，顶部的各人孔与风电机组单元的发电机机舱连通，各上浮体内均设有第二电缆，各竖杆内均设有第三电缆，各下浮体内均设有第四电缆，各连接筒内均设有第五电缆，第一电缆顶端与风电机组单元的发电机机舱连接，第一电缆底端与相应第二电缆顶端连接，第二电缆底端与相应第三电缆顶端连接，第三电缆底端与相应第四电缆顶端连接，第四电缆底端与相应第五电缆顶端连接，第五电缆底端与回转电机连接，其中一根第一电缆底端还与制储氢单元连接；这样依次通过第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆和第五电缆，能将风电机组单元的发电机机舱产生的电能传输到回转电机，以便推进单元带动浮体基础单元和风电机组单元绕单点系泊单元转动，以抵抗风浪流作用，另外第一电缆设置于上斜杆内，第二电缆设置于上浮体内，第三电缆设置于竖杆内，第四电缆设置于下浮体内，第五电缆设置于连接筒内，这样第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆和第五电缆均未暴露在外界环境中，进而能延长使用寿命，而且通过其中一根第一电缆能将风电机组单元的发电机机舱产生的电能传输到制储氢单元，以便就地电解水以制备氢气。
附图说明
图1为本发明的浮式风电制氢平台系统的立体结构示意图；
图2为图1中其中一个推进部件的主视放大结构示意图；
图3为图2的侧视结构示意图；
图4为图1中制储氢单元的结构示意图。
图中附图标记说明：101、上浮体，102、上横杆，103、甲板，104、上斜杆，201、下浮体，202、下横杆，203、下斜杆，3、竖杆，4、风电机组单元，5、推进部件，501、螺旋桨叶，502、推进轮毂，503、连接筒，601、海水淡化设备，602、制氢设备，603、氢气液化设备，604、储氢设备，7、氢气外输设备，801、万向节，802、系泊链，803、锚固。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，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。
此外，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。
如图1所示，一种浮式风电制氢平台系统，包括浮体基础单元、风电机组单元4、系泊单元和制储氢单元，浮体基础单元包括固定连接的上浮体组件和下浮体组件，上浮体组件包括多个上浮体101，相邻上浮体101的上部之间通过上横杆102固定连接，各上横杆102围成甲板103的围框，制储氢单元设置于处于海面上方的甲板103上，各上浮体101顶端均设有上斜杆104，且各上斜杆104顶端固定于一起并形成浮顶，风电机组单元4设置于浮顶，系泊单元与下浮体组件连接，风电机组单元4与制储氢单元电连接，风电机组单元4输出的电能用于传输到制储氢单元。其中风电机组单元4包括多个风机叶片，多个风机叶片通过风机轮毂设置在水平的风机转子上，风机转子配有发电机机舱，其中下浮体组件处于海面下，其中甲板103为金属格栅式甲板103，金属格栅式甲板103可以减小浮体基础单元运动时的风阻。
本发明中浮体基础单元为无塔筒的漂浮式基础，重量小且造价成本相对较低，另外能利用风电机组单元4产生的间歇性的海上风电就地电解水以制备氢气，并将氢气存储以备应用，能有效解决传统漂浮式风电平台造价成本高和电力资源大规模送出的问题。
在一个实施例中，下浮体组件包括多个下浮体201，相邻下浮体201之间通过下横杆202固定连接，各下浮体201底端均设有下斜杆203，且各下斜杆203底端固定于一起并形成浮底，系泊单元为单点系泊单元，单点系泊单元与浮底连接；下浮体201与上浮体101的数目相等，每个下浮体201处于相应上浮体101的正下方并通过竖杆3固定连接，各上斜杆104的长度相等且各下斜杆203的长度相等，浮顶处于浮底的正上方，见图1。这样浮体基础单元整体呈对称布置，具有较好的结构稳定性，浮体基础单元的重心位置为几何中心位置，在风浪流环境作用下，受力状态更为平衡，可减少加强设计，避免反复不平衡受力所带来的疲劳损伤，便于稳定地漂浮在海水中。其中上斜杆104以及下斜杆203的倾斜角度均根据海域情况进行优化设计。优选地，四个上横杆102、四个下横杆202和四个竖杆3围成正方体结构。
在一个实施例中，如图1-3所示，浮式风电制氢平台系统还包括推进单元，推进单元包括多个与下浮体201数目相等的推进部件5，推进部件5包括推进组件和回转组件，推进组件包括多个螺旋桨叶501，多个螺旋桨叶501分布于水平的推进轮毂502上，回转组件包括呈L形的连接筒503，连接筒503的水平筒节段内固定有回转电机，回转电机的输出轴伸出水平筒节段，推进轮毂502套设固定于回转电机的输出轴上，连接筒503的竖直筒节段顶端与相应下浮体201底端固定连接，推进单元用于带动浮体基础单元和风电机组单元4绕单点系泊单元转动，以抵抗风浪流作用。其中下浮体201底部设有加强部，用于增强与连接筒503连接时的局部结构强度。
在风浪流等环境条件较为恶劣的情况下，通过控制回转电机以使回转电机带动相对应的多个螺栓桨叶转动，进而对相应的下浮体201产生推力，并通过控制回转电机的转速大小以控制对相应下浮体201的推力方向和推力大小，使浮体基础单元和风电机组单元4顺时针或逆时针绕单点系泊单元转动一定角度，以抵抗风浪流的作用，从而使得轻量化的浮式风电制氢平台系统能适应更为恶劣的海况，增加正常运行的时间，并增加发电量和制氢量。
在一个实施例中，各上斜杆104的顶部和底部均设有人孔，并且内部均设有爬梯和第一电缆，底部的各人孔靠近甲板103，顶部的各人孔与风电机组单元4的发电机机舱连通，各上浮体101内均设有第二电缆，各竖杆3内均设有第三电缆，各下浮体201内均设有第四电缆，各连接筒503内均设有第五电缆，第一电缆顶端与风电机组单元4的发电机机舱连接，第一电缆底端与相应第二电缆顶端连接，第二电缆底端与相应第三电缆顶端连接，第三电缆底端与相应第四电缆顶端连接，第四电缆底端与相应第五电缆顶端连接，第五电缆底端与回转电机连接，其中一根第一电缆底端还与制储氢单元连接。
这样依次通过第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆和第五电缆，能将发电机机舱产生的电能传输到回转电机，以便推进单元带动浮体基础单元和风电机组单元4绕单点系泊单元转动，以抵抗风浪流作用，另外第一电缆设置于上斜杆104内，第二电缆设置于上浮体101内，第三电缆设置于竖杆3内，第四电缆设置于下浮体201内，第五电缆设置于连接筒503内，这样第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆和第五电缆均未直接暴露在外界环境中，进而能延长使用寿命，而且通过其中一根第一电缆能将发电机机舱产生的电能传输到制储氢单元，以便就地电解水以制备氢气。
在一个实施例中，如图1和4所示，制储氢单元包括海水淡化设备601、制氢设备602、氢气液化设备603和储氢设备604，海水淡化设备601的一端处于海面下，另一端与制氢设备602的一端连接，制氢设备602的另一端与氢气液化设备603的一端连接，氢气液化设备603的另一端与储氢设备604的一端连接，储氢设备604的另一端用于连接氢气外输设备7，且其中一根第一电缆底端还与海水淡化设备601和制氢设备602电连接。其中海水淡化设备601在风电机组单元4输出的电能作用下直接将海水抽入并进行淡化处理，变为可以进行电解的淡化水并输送至制氢设备602，减少外部原料依赖，制氢设备602在风电机组单元4输出的电能作用下将淡化水电解为氢气和氧气，并将氢气输送至氢气液化设备603，其中制氢设备602使用质子交换膜制氢模式，提升对风电功率波动的适用性，氢气液化设备603将气态氢进行液化并将液态氢输送至储氢设备604，减小储氢设备604体积，有利于大规模氢能源储存，氢气外输设备7如氢气运输船将储氢设备604中的储氢罐直接吊装至船上，或采用液氢输出管道将甲板103上储氢设备604中的液态氢输送至船上的储氢设备604中，其中图4中箭头所指方向为氢气流向。
在一个实施例中，如图1所示，单点系泊单元包括万向节801、系泊链802和锚固803，万向节801的一端与浮底连接，另一端与系泊链802顶端连接，系泊链802底端与固定于海底的锚固803连接，其中锚固803为吸力筒式锚固803；这样浮体基础单元在推进单元的带动下能绕万向节801转动。
在一个实施例中，上浮体101和下浮体201均为浮箱，浮箱内部分布有多个腔体，其中部分腔体内设有压载水，用于调节浮体基础单元的吃水深度。另外浮箱内部分布的多个腔体便于在部分腔体破损时仍保持一定的浮力。
一种浮式风电制氢平台系统的工作方法，具体为：将浮式风电制氢平台系统中除单点系泊单元外的其他单元进行组装并运输至既定海域，并由单点系泊单元进行固定，调整浮箱内的压载水，以调节浮体基础单元的吃水深度，根据风向信号，通过推进单元带动浮体基础单元和风电机组单元4绕单点系泊单元转动一定角度，并转动至风电机组单元4的风机叶片正对风向后，风电机组单元4工作并将风能转化为电能，并将输出的电能传输到制储氢单元，制储氢单元利用所传输的电能将水电解为氢气和氧气，并将制备的氢气进行存储。
本发明的浮体基础单元为轻量化的无塔筒单点系泊式漂浮式基础，重量小且造价成本相对较低，另外本发明能利用风电机组单元4产生的间歇性的海上风电就地电解水以制备氢气，并将氢气进行存储并输送至应用终端，形成离网型海上风电制储运氢模式，能有效解决传统漂浮式风电平台造价成本高、发电间歇性和深远海风电资源大规模送出的问题。
本发明中浮体基础单元采用轻量化设计，可大幅降低设计、施工安装、操作和运维的成本，具体地，将传统的直立式塔筒简化为四根上斜杆104，可以有效降低高耸式结构对结构强度的要求，在轻量化的同时，降低风机机组单元与浮体基础单元之间的弯矩，并将传统的立柱基础简化为通过上横杆102连接的多个上浮体101以及通过下横杆202连接的多个下浮体201，且上浮体101与相应下浮体201通过竖杆3连接，使得整个浮体基础单元重量减小。
本发明一方面可以作为深远海风场的开发平台，另一方面可以作为海上能源补给站，本发明由于采用单点系泊单元，并采用可以反复收放的吸力筒式锚固803，并在推进单元的作用下，可以在不同海域进行布放，布置在海洋航道上或深海采矿区，可以作为海上能源补给站使用，输出持续稳定的氢能源，满足航道船舶动力和深海采矿船舶的能源供给需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：包括浮体基础单元、风电机组单元(4)、系泊单元和制储氢单元，所述浮体基础单元包括固定连接的上浮体组件和下浮体组件，所述上浮体组件包括多个上浮体(101)，相邻所述上浮体(101)的上部之间通过上横杆(102)固定连接，各所述上横杆(102)围成甲板(103)的围框，所述制储氢单元设置于处于海面上方的甲板(103)上，各所述上浮体(101)顶端均设有上斜杆(104)，且各所述上斜杆(104)顶端固定于一起并形成浮顶，所述风电机组单元(4)设置于浮顶，所述系泊单元与下浮体组件连接，所述风电机组单元(4)与制储氢单元电连接，所述风电机组单元(4)输出的电能用于传输到制储氢单元。
2.根据权利要求1所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：所述下浮体组件包括多个下浮体(201)，相邻所述下浮体(201)之间通过下横杆(202)固定连接，各所述下浮体(201)底端均设有下斜杆(203)，且各所述下斜杆(203)底端固定于一起并形成浮底，所述系泊单元为单点系泊单元，所述单点系泊单元与浮底连接。
3.根据权利要求2所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：所述下浮体(201)与上浮体(101)的数目相等，每个所述下浮体(201)处于相应上浮体(101)的正下方并通过竖杆(3)固定连接，各所述上斜杆(104)的长度相等且各下斜杆(203)的长度相等，所述浮顶处于浮底的正上方。
4.根据权利要求3所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：还包括推进单元，所述推进单元包括多个与下浮体(201)数目相等的推进部件(5)，所述推进部件(5)包括推进组件和回转组件，所述推进组件包括多个螺旋桨叶(501)，多个所述螺旋桨叶(501)分布于水平的推进轮毂(502)上，所述回转组件包括呈L形的连接筒(503)，所述连接筒(503)的水平筒节段内固定有回转电机，所述回转电机的输出轴伸出水平筒节段，所述推进轮毂(502)套设固定于回转电机的输出轴上，所述连接筒(503)的竖直筒节段顶端与相应下浮体(201)底端固定连接，所述推进单元用于带动浮体基础单元和风电机组单元(4)绕单点系泊单元转动，以抵抗风浪流作用。
5.根据权利要求4所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：各所述上斜杆(104)的顶部和底部均设有人孔，并且内部均设有爬梯和第一电缆，底部的各所述人孔靠近甲板(103)，顶部的各所述人孔与风电机组单元(4)的发电机机舱连通，各所述上浮体(101)内均设有第二电缆，各所述竖杆(3)内均设有第三电缆，各所述下浮体(201)内均设有第四电缆，各所述连接筒(503)内均设有第五电缆，所述第一电缆顶端与风电机组单元(4)的发电机机舱连接，所述第一电缆底端与相应第二电缆顶端连接，所述第二电缆底端与相应第三电缆顶端连接，所述第三电缆底端与相应第四电缆顶端连接，所述第四电缆底端与相应第五电缆顶端连接，所述第五电缆底端与回转电机连接，其中一根所述第一电缆底端还与制储氢单元连接。
6.根据权利要求4所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：所述制储氢单元包括海水淡化设备(601)、制氢设备(602)、氢气液化设备(603)和储氢设备(604)，所述海水淡化设备(601)的一端处于海面下，另一端与所述制氢设备(602)的一端连接，所述制氢设备(602)的另一端与氢气液化设备(603)的一端连接，所述氢气液化设备(603)的另一端与储氢设备(604)的一端连接，所述储氢设备(604)的另一端用于连接氢气外输设备(7)。
7.根据权利要求2所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：所述单点系泊单元包括万向节(801)、系泊链(802)和锚固(803)，所述万向节(801)的一端与浮底连接，另一端与系泊链(802)顶端连接，所述系泊链(802)底端与固定于海底的锚固(803)连接。
8.根据权利要求1所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：所述风电机组单元(4)包括多个风机叶片，多个所述风机叶片通过风机轮毂设置在水平的风机转子上，所述风机转子配有发电机机舱。
9.根据权利要求1所述的一种浮式风电制氢平台系统，其特征在于：所述上浮体(101)和下浮体(201)均为浮箱，所述浮箱内部分布有多个腔体，其中部分所述腔体内设有压载水，用于调节所述浮体基础单元的吃水深度。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种浮式风电制氢平台系统的工作方法，其特征在于，具体为：所述风电机组单元(4)在风力作用下发电并将输出的电能传输到制储氢单元，所述制储氢单元利用所传输的电能将水电解为氢气和氧气，并将制备的氢气进行存储。
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