CN117536785A - 一种深远海多种能量综合利用与转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深远海多种能量综合利用与转换系统，包括海上风力发电系统、阵列式高空风力发电系统、阵列式波浪能发电系统、阵列式洋流能发电系统和海上制氢系统；海上风力发电系统、阵列式高空风力发电系统、阵列式波浪能发电系统和阵列式洋流能发电系统均与海上制氢系统相连；海上制氢系统根据阵列式高空风力发电系统和阵列式波浪能发电系统的实时总功率，再将实时总功率与海上制氢系统的额定功率进行比较，再根据比较结果控制海上风力发电系统和阵列式洋流能发电系统的输出功率。本发明有效提高了海上制氢的氢能产量，无需长距离输电线路与大容量电池储能系统，实现了电能的就地消纳，并大幅降低了能源传输的成本。

Description

一种深远海多种能量综合利用与转换系统
技术领域
本发明主要涉及海上制氢技术领域，具体涉及一种深远海多种能量综合利用与转换系统。
背景技术
近年来，海上制氢技术发展迅速，已成为前沿研究方向。全球范围内已公布的电解水制氢项目储备总规模已达到3200万千瓦，其中约有一半来自海上制氢。由于取材便捷、制备过程清洁等优点，海上电解水制氢成为海上制氢的主流。随着可再生能源逐渐走向深远海，海上制氢也势必会朝着深远海化发展。
由于海岸线绵长，深远海可再生能源开发潜力巨大，除了常规风力发电利用的风能，高空风能、波浪能与洋流能也是深远海可再生能源的重要组成部分。目前将离地为6000米以上区域划分为高空，高空风能储量丰富、分布广泛、常年不息、风力稳定，相比于常规风电的不稳定性，采集高空风能可以进行高稳定、低成本的风力发电；波浪能具有能量密度高、分布面广等优点，是一种最易于直接利用且取之不竭的可再生能源；而洋流作为海水的主要运动形式，蕴含着大量能量，我国沿海洋流的理论平均功率高达1.4亿千瓦。对高空风能、波浪能与洋流能加以利用参与海上制氢，能够大幅提高氢能产量。
常规并网型深远海可再生能源会因其供电的不稳定性而对电网造成影响，同时离岸距离增加导致海底电缆成本与电能传输损失骤升。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种成本低、有效提高海上制氢的氢能产量的深远海多种能量综合利用与转换系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种深远海多种能量综合利用与转换系统，包括海上风力发电系统、阵列式高空风力发电系统、阵列式波浪能发电系统、阵列式洋流能发电系统和海上制氢系统；所述海上风力发电系统、阵列式高空风力发电系统、阵列式波浪能发电系统和阵列式洋流能发电系统均与所述海上制氢系统相连，用于将各自电能传输至所述海上制氢系统以进行电能制氢；所述海上制氢系统根据阵列式高空风力发电系统和阵列式波浪能发电系统的实时总功率，再将实时总功率与海上制氢系统的额定功率进行比较，再根据比较结果控制海上风力发电系统和阵列式洋流能发电系统的输出功率。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述阵列式高空风力发电系统包括多个高空风力发电机组，多个高空风力发电机组形成阵列；各所述高空风力发电机组均包括飞艇、高空浮动平台、风通道和高空风力发电机；所述飞艇通过系留绳固定在高空浮动平台上，所述风通道与高空浮动平台相连，所述高空风力发电机布置于所述风通道内。
所述风通道为两端相通的圆柱形且中间镂空。
所述阵列式波浪能发电系统包括多个波浪能发电机组，多个波浪能发电机组呈阵列布置；各所述波浪能发电机组均包括振荡浮子、连杆、机械传动装置、第一固定桩和波浪能发电机；所述振荡浮子漂浮在水面上，所述连杆的一端连接振荡浮子，所述连杆的另一端连接机械传动装置的一端，所述机械传动装置的另一端连接第一固定桩，所述波浪能发电机位于所述第一固定桩内；所述振荡浮子跟随海浪浮动，带动连杆运动，通过机械传动装置为波浪能发电机提供机械能进行发电。
所述阵列式洋流能发电系统包括多个洋流能发电机组，多个洋流能发电机组呈阵列布置；各所述洋流能发电机组均包括水轮发电机组、升降平台、第二固定桩和塔架；所述第二固定桩放置于海底平面上，所述塔架与第二固定桩相连，所述升降平台置于塔架上，所述升降平台两侧分别放置一个水轮发电机组；所述升降平台上下移动以使水轮发电机组追踪不同高度的洋流来提高发电量。
所述海上制氢系统包括制氢平台、海水电解单元、氢气液化单元和液氢储存单元，所述海水电解单元、氢气液化单元和液氢储存单元依次相连，并装设于制氢平台上。
所述海上制氢系统还包括备用电源模块，所述备用电源模块的输入端分别与海上风力发电系统、阵列式高空风力发电系统、阵列式波浪能发电系统和阵列式洋流能发电系统相连，所述备用电源模块的输出端分别与海水电解单元和氢气液化单元相连。
本发明还公开了一种基于如上所述的深远海多种能量综合利用与转换系统的控制方法，包括步骤：
1)获取海上风力发电系统的可用功率P1avi、阵列式洋流能发电系统的可用功率P4avi、阵列式高空风力发电系统的总发出功率P2、阵列式波浪能发电系统的总发出功率P3；
2)将P1avi+P4avi+P2+P3与海上制氢系统的最大功率P5max进行比较；若P1avi+P4avi+P2+P3＞P5max，则海上制氢系统功率出力最大；
3)获取海上制氢系统中备用电源模块的电能容量，若电能容量未满，则基于备用电源模块的额定功率确定输入功率若电能容量充满，则记备用电源模块的输入功率/>
4)计算P5max与P2、P3、之间的差值/>根据差值并依据比例分配原则向海上风力发电系统和阵列式洋流能发电系统发出功率指令。
优选地，所述海上风力发电系统和阵列式洋流能发电系统对应的功率指令分别为：
优选地，在步骤2)中，如果若P1avi+P4avi+P2+P3＜P5max，控制海上风力发电系统和阵列式洋流能发电系统发出最大功率；同时检测备用电源模块的电能容量，若电能容量未达到0，则通过备用电源模块补充海上制氢系统所需电功率；若备用电源模块的电能容量已达到0，则调整海上制氢系统的功率出力。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过调节海上风力发电系统、高空风力发电系统、波浪能发电系统、洋流能发电系统四大发电系统的功率出力，基于四大发电系统输出的电能，再通过输电系统汇集并传输给海上制氢系统，在海上制氢系统中将海水电解获得氢气、将氢气液化制备液氢并液化为液氢再运输到岸上，有效提高海上制氢的氢能产量，无需长距离输电线路与大容量电池储能系统，实现了电能的就地消纳，并大幅降低了能源传输的成本，解决了深远海可再生能源的低成本传输与存储的技术问题。
附图说明
图1为本发明的综合利用与转换系统在实施例的结构示意图。
图2为本发明的高空风力发电系统在实施例的结构示意图。
图3为本发明的阵列式波浪能发电系统在实施例的结构示意图。
图4为本发明的阵列式洋流能发电系统在实施例的结构示意图。
图5为本发明的海上制氢系统在实施例的结构示意图。
图6为本发明的控制方法在实施例的流程图。
图例说明：1、海上风力发电系统；11、海上离网型风力发电机组；111、塔架；112、叶片；2、阵列式高空风力发电系统；21、高空风力发电机组；211、飞艇；212、系留绳；213、高空浮动平台；214、风通道；215、高空风力发电机；3、阵列式波浪能发电系统；31、波浪能发电机组；311、振荡浮子；312、连杆；313、机械传动装置；314、第一固定桩；315、波浪能发电机；4、阵列式洋流能发电系统；41、洋流能发电机组；411、水轮发电机组；412、升降平台；413、第二固定桩；414、塔架；5、海上制氢系统；51、制氢平台；52、海水电解单元；53、氢气液化单元；54、液氢储存单元；55、备用电源模块；6、输电系统；61、海上风力发电控制系统；62、高空风力发电控制系统；63、波浪能发电控制系统；64、洋流能发电控制系统；65、电能汇集系统。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的深远海多种能量综合利用与转换系统，包括海上风力发电系统1、阵列式高空风力发电系统2、阵列式波浪能发电系统3、阵列式洋流能发电系统4和海上制氢系统5；海上风力发电系统1、阵列式高空风力发电系统2、阵列式波浪能发电系统3和阵列式洋流能发电系统4均与海上制氢系统5相连，用于将各自电能传输至海上制氢系统5以进行电能制氢；海上制氢系统5获取阵列式高空风力发电系统2和阵列式波浪能发电系统3的实时总功率，再将实时总功率与海上制氢系统5的额定功率进行比较，再根据比较结果控制海上风力发电系统1和阵列式洋流能发电系统4的输出功率。
本发明通过调节海上风力发电系统1、阵列式高空风力发电系统2、阵列式波浪能发电系统3、阵列式洋流能发电系统4四大发电系统的功率出力，基于四大发电系统输出的电能，再通过输电系统6汇集并传输给海上制氢系统5，在海上制氢系统5中将海水电解获得氢气、将氢气液化制备液氢并液化为液氢再运输到岸上，有效提高海上制氢的氢能产量，无需长距离输电线路与大容量电池储能系统，实现了电能的就地消纳，并大幅降低了能源传输的成本，解决了深远海可再生能源的低成本传输与存储的技术问题。
如图1所示，海上风力发电系统1由多台海上离网型风力发电机组11组成，能够提供稳定的电能；其中海上离网型风力发电机组11包括塔架111和叶片112；阵列式高空风力发电系统2由多台高空风力发电机组21组成，能够更高效地捕获与利用高空风能；阵列式波浪能发电系统3由多台波浪能发电机组31组成，能够利用海洋表面波浪所具有的动能与势能转换成机械能，带动波浪能发电机组31发电；阵列式洋流能发电系统4由多台洋流能发电机组41组成，通过海水流动推动水轮机发电；上述各发电系统分别通过输电系统6将电能传输给海上制氢系统5以进行制氢。
如图2所示，高空风力发电机组21均包括飞艇211、高空浮动平台213、风通道214和高空风力发电机215。飞艇211通过系留绳212固定高空浮动平台213，风通道214与高空浮动平台213相连，每一个风通道214中均放置一台高空风力发电机215。飞艇211配备有控制系统和平衡尾翼，气流变化时及时响应以使飞艇211时刻面对来流风向，提高发电效率。风通道214为两端相通的圆柱形，中间镂空，外壁较薄，可以减少风的扩散以提高风能流动的集中性，提高风机利用的风能质量。风通道214与高空风力发电机215的叶片均由轻质高强材料制成，减轻重量、提高强度的同时适应于高空中的低气压、低温工作环境。
如图3所示，波浪能发电机组31均包括振荡浮子311、连杆312、机械传动装置313、第一固定桩314和波浪能发电机315。振荡浮子311漂浮在水面上，振荡浮子311下方连接连杆312，连杆312下方连接机械传动装置313，机械传动装置313连接第一固定桩314，第一固定桩314放置与海底平面上，第一固定桩314内放置波浪能发电机315。振荡浮子311跟随海浪浮动，带动连杆312运动，通过机械传动装置313为波浪能发电机315提供机械能进行发电。
如图4所示，洋流能发电机组41均包括水轮发电机组411、升降平台412、第二固定桩413和塔架414。第二固定桩413放置于海底平面上，塔架414与第二固定桩413相连，升降平台412置于塔架414上，升降平台412两侧分别放置一个水轮发电机组411，升降平台412可通过控制系统实现上下移动，以让水轮发电机组411追踪不同高度的更强的洋流，提高发电量。
如图5所示，海上制氢系统5包括制氢平台51、海水电解单元52、氢气液化单元53和液氢储存单元54；海水电解单元52、氢气液化单元53、液氢储存单元54三者依次相连并装设于制氢平台51上。此外，制氢平台51上还设有备用电源模块55，海水电解单元52、氢气液化单元53的电源端与电能汇集系统65和备用电源模块55的输出端相连，备用电源模块55的输入端与电能汇集系统65相连。当发电量较低时，备用电源模块55可持续为海水电解单元52和氢气液化单元53供电，提升海水电解单元52、氢气液化单元53的持续工作能力，并为设备重启和恢复预留足够的电能。
具体地，海上风力发电系统1通过输电线路连接海上风力发电控制系统61，阵列式高空风力发电系统2通过输电线路连接高空风力发电控制系统62，阵列式波浪能发电系统3通过输电线路连接波浪能发电控制系统63，阵列式洋流能发电系统4通过输电线路连接洋流能发电控制系统64，各控制系统分别连接至电能汇集系统65，稳定为海上制氢系统5提供电能以进行制氢，再将液氢通过轮船等航海工具拖运至陆地上。
如图6所示，本发明实施例还提供了一种基于如上所述的深远海多种能量综合利用与转换系统的控制方法，包括：阵列式高空风力发电系统2与阵列式波浪能发电系统3通过智能控制系统进行最大功率追踪控制，海上制氢平台51的智能控制系统计算当前海水电解单元52、氢气液化单元53所需的电功率与高空风力发电系统1功率、阵列式波浪能发电系统3功率的差值，并向海上风力发电系统1、阵列式洋流能发电系统4发送功率追踪指令；具体步骤如下：
海上离网型风力发电机组11配置有测风雷达，洋流能发电机组31配置有洋流监测仪；智能控制系统根据所测环境信息(根据测风雷达和洋流监测仪得到)计算海上风力发电系统1的可用功率P1avi、阵列式洋流能发电系统4的可用功率P4avi，以及海上离网型风力发电机组11的可用功率Pwtavi，n、洋流能发电机组41的可用功率Pocavi，n；
高空风力发电机组21配置有测风雷达，振荡浮子式波浪能发电机组31配置有测波仪，智能控制系统根据所测环境信息(根据测风雷达和测波仪得到)对高空风力发电机组21、振荡浮子式波浪能发电机组31进行最大功率追踪控制，并计算阵列式高空风力发电系统2的总发出功率P2、阵列式波浪能发电系统3的总发出功率P3；
每次控制开始前，海上制氢智能控制系统将比较P1avi+P4avi+P2+P3与海上制氢系统5的最大功率P5max的大小；若P1avi+P4avi+P2+P3＞P5max，则海上制氢系统5功率出力最大；再进一步检测备用电源模块55的电能容量，若电能容量未满，则基于备用电源模块55的额定功率确定输入功率若电能容量充满，则记备用电源模块55的输入功率/>计算P5max与P2、P3、/>的差值/>并依据比例分配原则向海上风力发电系统1和阵列式洋流能发电系统4发出功率指令，分别为：
海上风力发电控制系统61和阵列式洋流能发电控制系统64接受功率指令后，也依据比例分配原则向各自系统的子发电机组发出功率指令，第n台海上离网型风力发电机组11的功率指令为：
第n台洋流能发电机组41的功率指令为：
其中N1、N4分别为海上离网型风力发电机组11、洋流能发电机组41的数量。
若P1avi+P4avi+P2+P3＜P5max，此时海上风力发电系统1和阵列式洋流能发电系统4发出最大功率，分别为：
其中pwtmax，i、pocmax，i分别为第i台海上离网型风力发电机组11、洋流能发电机组41在最大功率追踪下发出的功率；同时也需进一步检测备用电源模块55的电能容量；若电能容量未达到0，则通过备用电源模块55补充海上制氢系统5所需电功率，输出功率为：
若备用电源模块55的电能容量已达到0，则调整海上制氢系统5的功率出力为：
P5＝P1avi+P4avi+P2+P3 (8)
需要说明的是，高空风力发电系统1发出功率P2、阵列式波浪能发电系统3发出功率P3通常低于海上制氢系统5的最大功率P5max，因此不会出现海上风力发电系统1、阵列式洋流能发电系统4的功率指令较低甚至停机的情况。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种深远海多种能量综合利用与转换系统，其特征在于，包括海上风力发电系统(1)、阵列式高空风力发电系统(2)、阵列式波浪能发电系统(3)、阵列式洋流能发电系统(4)和海上制氢系统(5)；所述海上风力发电系统(1)、阵列式高空风力发电系统(2)、阵列式波浪能发电系统(3)和阵列式洋流能发电系统(4)均与所述海上制氢系统(5)相连，用于将各自电能传输至所述海上制氢系统(5)以进行电能制氢；所述海上制氢系统(5)根据阵列式高空风力发电系统(2)和阵列式波浪能发电系统(3)的实时总功率，再将实时总功率与海上制氢系统(5)的额定功率进行比较，再根据比较结果控制海上风力发电系统(1)和阵列式洋流能发电系统(4)的输出功率。
2.根据权利要求1所述的深远海多种能量综合利用与转换系统，其特征在于，所述阵列式高空风力发电系统(2)包括多个高空风力发电机组(21)，多个高空风力发电机组(21)形成阵列；各所述高空风力发电机组(21)均包括飞艇(211)、高空浮动平台(213)、风通道(214)和高空风力发电机(215)；所述飞艇(211)通过系留绳(212)固定在高空浮动平台(213)上，所述风通道(214)与高空浮动平台(213)相连，所述高空风力发电机(215)布置于所述风通道(214)内。
3.根据权利要求2所述的深远海多种能量综合利用与转换系统，其特征在于，所述风通道(214)为两端相通的圆柱形且中间镂空。
4.根据权利要求1或2或3所述的深远海多种能量综合利用与转换系统，其特征在于，所述阵列式波浪能发电系统(3)包括多个波浪能发电机组(31)，多个波浪能发电机组(31)呈阵列布置；各所述波浪能发电机组(31)均包括振荡浮子(311)、连杆(312)、机械传动装置(313)、第一固定桩(314)和波浪能发电机(315)；所述振荡浮子(311)漂浮在水面上，所述连杆(312)的一端连接振荡浮子(311)，所述连杆(312)的另一端连接机械传动装置(313)的一端，所述机械传动装置(313)的另一端连接第一固定桩(314)，所述波浪能发电机(315)位于所述第一固定桩(314)内；所述振荡浮子(311)跟随海浪浮动，带动连杆(312)运动，通过机械传动装置(313)为波浪能发电机(315)提供机械能进行发电。
5.根据权利要求1或2或3所述的深远海多种能量综合利用与转换系统，其特征在于，所述阵列式洋流能发电系统(4)包括多个洋流能发电机组(41)，多个洋流能发电机组(41)呈阵列布置；各所述洋流能发电机组(41)均包括水轮发电机组(411)、升降平台(412)、第二固定桩(413)和塔架(414)；所述第二固定桩(413)放置于海底平面上，所述塔架(414)与第二固定桩(413)相连，所述升降平台(412)置于塔架(414)上，所述升降平台(412)两侧分别放置一个水轮发电机组(411)；所述升降平台(412)上下移动以使水轮发电机组(411)追踪不同高度的洋流来提高发电量。
6.根据权利要求1或2或3所述的深远海多种能量综合利用与转换系统，其特征在于，所述海上制氢系统(5)包括制氢平台(51)、海水电解单元(52)、氢气液化单元(53)和液氢储存单元(54)，所述海水电解单元(52)、氢气液化单元(53)和液氢储存单元(54)依次相连，并装设于制氢平台(51)上。
7.根据权利要求6所述的深远海多种能量综合利用与转换系统，其特征在于，所述海上制氢系统(5)还包括备用电源模块(55)，所述备用电源模块(55)的输入端分别与海上风力发电系统(1)、阵列式高空风力发电系统(2)、阵列式波浪能发电系统(3)和阵列式洋流能发电系统(4)相连，所述备用电源模块(55)的输出端分别与海水电解单元(52)和氢气液化单元(53)相连。
8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的深远海多种能量综合利用与转换系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：
1)获取海上风力发电系统(1)的可用功率P1aVi、阵列式洋流能发电系统(4)的可用功率P4avi、阵列式高空风力发电系统(2)的总发出功率P2、阵列式波浪能发电系统(3)的总发出功率P3；
2)将P1avi+P4avi+P2+P3与海上制氢系统(5)的最大功率P5max进行比较；若P1avi+P4avi+P2+P3>P5max，则海上制氢系统功率(5)出力最大；
3)获取海上制氢系统(5)中备用电源模块(55)的电能容量，若电能容量未满，则基于备用电源模块(55)的额定功率确定输入功率若电能容量充满，则记备用电源模块(55)的输入功率/>
4)计算P5max与P2、P3、之间的差值/>根据差值并依据比例分配原则向海上风力发电系统(1)和阵列式洋流能发电系统(4)发出功率指令。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述海上风力发电系统(1)和阵列式洋流能发电系统(4)对应的功率指令分别为：
10.根据权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于，在步骤2)中，如果若P1avi+P4avi+P2+P3<P5max，控制海上风力发电系统(1)和阵列式洋流能发电系统(4)发出最大功率；同时检测备用电源模块(55)的电能容量，若电能容量未达到0，则通过备用电源模块(55)补充海上制氢系统(5)所需电功率；若备用电源模块(55)的电能容量已达到0，则调整海上制氢系统(5)的功率出力。
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