CN117941197A - 可再生能源供应系统、浮式海上太阳能发电站及可再生能源供应方法 - Google Patents

Abstract

可再生能源系统10利用浮式海上发电站100产生的电能生成氢气，以氢气为原料合成能量载体，储存能量载体，并将能量载体转换为预定的能源形式，供应给各个供应目的地设施。浮式海上发电站100由多个太阳能电池板110组成，每个太阳能电池板110在平面图中大致呈六边形，在平面图中将太阳能电池板110连接成蜂巢结构。每个太阳能电池板110可作为一个浮体，相邻的太阳能电池板110的电池板外壳可以在垂直方向上相对摆动，每个太阳能电池板110可以通过向电池板外壳注水和排水，下潜和漂浮到预定深度。

Description

可再生能源供应系统、浮式海上太阳能发电站及可再生能源 供应方法

技术领域

本发明涉及一种可再生能源供应系统、一种应用于该可再生能源供应系统的浮式海上太阳能发电站(以下简称“浮式海上发电站”)以及一种可再生能源供应方法。

背景技术

目前，全球变暖在全球范围内不断加剧，因此迫切需要建立不排放CO₂的可持续能源系统。为了实现所述可持续能源系统，必须解决以下三个挑战。

挑战(1)：生产足够数量的可再生能源，以替代国家和全球范围内所需的几乎所有一次能源。

挑战(2)：以低成本、高质量和稳定的方式向消费者供应所生产的可再生能源。

挑战(3)：有计划地捕获并清除大气中已经储存的大量CO₂。

关于挑战(3)，如果挑战(1)和挑战(2)得到解决，根据无碳技术的进展情况，预计自然界(森林和海洋)将吸收CO₂(18Gt-CO₂/年)，从大气中捕获CO₂的技术的实际应用将成为可能。因此，迫切需要解决挑战(1)和挑战(2)。

传统上，作为一种与可再生能源供应相关的技术，已知有一种利用太阳能发电装置产生的电能电解水以生成氢气，并将氢气供应给氢气利用设备的系统。(专利文献1：日本未审查专利申请公开号2020-58168)

此外，还有一些已知的系统，可在海上太阳能发电站发电，利用电力电解海水产生氢气，储存氢气，并利用氢气发电(专利文献2：日本未审查专利申请公开号2012-94363；专利文献3：日本专利第5754029号)。

此外，还已知一种系统，利用太阳能发电产生氢气，以氢气为原料合成氨，并以液化氨(能量载体)的形式储存，将液化氨、氨气或氨水运输到能源消耗区，并在能源消耗区将液化氨转化为氢气，将氢气供应给燃料电池汽车或燃料电池发电系统(专利文献4：日本未审查专利申请公开号2016-150890)。

发明内容

发明要解决的问题

然而，上述专利文献1至专利文献4中公开的技术难以解决第0002段中提到的挑战(1)和挑战(2)。这是因为专利文献1至专利文献4所公开的技术并没有假定实现大面积的浮式海上发电站，而大面积的浮式海上发电站对于建立一个能够生产大量可再生能源的系统以满足全国甚至全球范围的能源需求是必不可少的。

本发明提供了一种向各种供应设施稳定供应低成本、高质量能源的可再生能源供应系统，以及一种浮式海上太阳能发电站，以实现该系统在年平均日照充足的海域生产出足以替代全国乃至全球范围内几乎所有一次能源需求的足量可再生能源，并将生产出的可再生能源转化为能量载体，储存至预定量。本发明旨在为实现《巴黎协定》的目标发挥作用，该协定要求将全球平均气温比工业革命前水平的升幅限制在2℃以下，如有可能，限制在1.5℃以下。

解决问题的方法

为了解决第0002段和第0010段所述的问题，根据本发明的一个方面，提供一种可再生能源供应系统，通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，向所述设施供应能源。所述可再生能源供应系统包括以下内容：

一个或多个利用可再生能源发电的发电站；

一个或多个第一能量转换装置，用于稳定所述发电站产生的电能；

一个或多个第二能量转换装置，利用所述第一能量转换装置输出的电能产生氢气；或一个或多个第三能量转换装置，将所述第二能量转换装置输出的氢气转换为可稳定储存的能量载体；或一个或多个能量载体储存装置，储存所述第三能量转换装置转换的能量载体的预定量；

一个或多个能量转换供应装置，将从所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置或所述能量载体储存装置中的任何一个装置输出或取出的能量转换成适合一个或多个供应目的地设施的能量形式，以向所述设施供应能量；以及

一个或多个管理控制装置，用于管理和控制所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置和所述供应目的地设施中的至少部分或全部。

在根据本发明的一个方面的所述可再生能源供应系统中，所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置、所述管理控制装置以及所述供应目的地设施中的部分或全部都被分配了一个逻辑地址，用于基于TCP/IP的数据包通信，其中信息通过附加验证码的安全通信进行交换。所述验证码允许接收端至少验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性。

在根据本发明的一个方面的所述可再生能源供应系统中，所述能量载体是液化氨、甲基环己烷、液化氢或氢气中的至少一种。

在根据本发明的一个方面的所述可再生能源供应系统中，所述能量转换供应装置包括以下至少一项：

将所述第一能量转换装置输出的电能转换成预定直流电以向直流电源系统供电的功能；

将所述第一能量转换装置输出的电能转换成预定交流电以向交流电源系统供电的功能；

将所述第二能量转换装置输出的氢气转换成预定的液化氢，以向所述供应目的地设施供应液化氢的功能；

将所述第二能量转换装置输出的氢气加压至预定压力，以向所述供应目的地设施供应氢气的功能；

将所述第三能量转换装置输出的能量载体转换成不同能量载体，以向所述供应目的地设施供应不同能量载体的功能；

利用从所述能量载体储存装置中取出的能量载体产生预定的直流电，向直流电源系统提供直流电的功能；

利用从所述能量载体储存装置中取出的能量载体产生预定的交流电，向交流电源系统提供交流电的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换成预定的氢气，以对氢气进行加压，并将氢气供应给所述供应目的地设施的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换成预定的液化氢，以将液化氢供应给所述供应目的地设施的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换为预定能量载体，以向所述供应目的地设施供应能量载体的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体调整到预定流速和流压，以向所述供应目的地设施供应能量载体的功能；或

电力输出指示功能，当向所述供应目的地设施供应的能量过剩时或者按照预定计划，指示所述第一能量转换装置将从所述第一能量转换装置输出的部分或全部电能输出到所述第二能量转换装置。

所述发电站由浮式海上太阳能发电站组成。

所述可再生能源供应系统包括一个或多个发电站，所述发电站利用其他可再生能源发电，以消除所发电量的时变性和季节不均衡性，并降低所述能量载体储存装置所储存的预定量的上限。

利用其他可再生能源发电的发电站至少是以下其中之一：陆上太阳能发电站、系泊式海上或水上太阳能发电站、陆上海上风力发电站、系泊式海上风力发电站、浮式海上风力发电站、地热发电站或中小型水力发电站。

根据本发明的一个方面，提供一种浮式海上太阳能发电站，漂浮在接收太阳辐射超过预定年均值且水深大于预定水深的海域中。所述浮式海上太阳能发电站包括多个多边形太阳能电池板连接起来形成一个逻辑层次结构。所述多边形太阳能电池板包括以下至少一项：

太阳能发电功能，通过海底电缆产生和传输预定的直流电，太阳能电池板通过不同的电源路径连接器分别在所述逻辑层次结构的各层之间串联、或隔离串联、或并联、或树状结构并联连接；

控制功能，当自身太阳能电池板或相邻太阳能电池板出现故障时，通过未使用的电源路径连接器切换到其他太阳能电池板，形成旁路路径；

下潜和上浮功能，通过向太阳能电池板的电池板外壳内注水，将浮式海上太阳能发电站下潜到预定的下潜深度，并通过从太阳能电池板的电池板外壳内排水，使浮式海上太阳能发电站在下潜状态下上浮；

耦合功能，通过连接相邻的太阳能电池板形成浮式海上太阳能发电站，在每一侧或部分太阳能电池板上设有机械耦合器，允许相邻电池板外壳之间至少垂直摆动，并设有容纳部分或全部电源路径连接器、通信路径连接器和压缩空气管道连接器的耦合器；

减震功能，用于通过在太阳能电池板的部分或全部平面顶点处设置弹性减震部件，以吸收意外冲击，防止太阳能电池板因海面波动而上翘；

当前位置和方向测量功能，用于测量浮式海上太阳能发电站的当前位置和方向；

推进和转向功能，用于使浮式海上太阳能发电站固定在预定位置，并保持预定的方位或方向；

非发电期间的静止维护功能，用于在夜间或潜水时接收通过海底电缆传输的电能，利用所述推进和转向功能将浮式海上太阳能发电站固定在预定位置和方向上；

数据包通信功能，用于发送和接收根据第0012段所述逻辑层次结构分配了物理地址和逻辑地址的数据包；

安全通信功能，用于发送和接收带有验证码的数据包，验证码允许接收端验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性；

压缩空气生成功能，用于生成压缩空气，向电池板外壳注水和排水，将浮式海上太阳能发电站下潜至预定下潜深度，并通过压缩空气管道和压缩空气管道连接器将压缩空气供应给其他太阳能电池板的压缩空气罐；

浮式灯塔功能，利用灯光、无线电波或声波中的部分或全部，在浮式海上太阳能发电站周围显示自己的存在。

在根据本发明的一个方面的所述浮式海上太阳能发电站中，所述太阳能电池板在平面图上大致呈六边形，所述浮式海上太阳能发电站包括多个所述太阳能电池板，所述太阳能电池板相互连接，在平面图上形成蜂巢结构。

在根据本发明的一个方面的所述浮式海上太阳能发电站中，所述浮式海上太阳能发电站的建造包括：通过多台起重机将所述太阳能电池板从将所述太阳能电池板运输到预定海域的运输船上下放到海洋上；

根据附在所述太阳能电池板上的标识符和所述浮式海上太阳能发电站的配置信息，使用一个或多个专用于所述逻辑层次结构各层的运输和装配机器人，在所述逻辑层次结构各层同时组装作为所述逻辑层次结构各层组成部分的太阳能电池板或所述逻辑层次结构下层的一组太阳能电池板；

在组装过程中，通过向耦合器中注入预装在所述太阳能电池板中的压缩空气罐内的压缩干燥空气来擦除海水成分，并将所述太阳能电池板与预定的相邻太阳能电池板紧密连接。

根据本发明的一个方面，提供一种可再生能源供应方法，通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，以向所述设施供应能源。该方法包括以下步骤：

由一个或多个发电站利用可再生能源发电；

通过一个或多个第一能量转换装置稳定所述发电站产生的电能；

通过一个或多个第二能量转换装置利用所述第一能量转换装置输出的电能产生氢气，或通过一个或多个第三能量转换装置将所述第二能量转换装置输出的氢气转换为可稳定储存的能量载体，或将所述第三能量转换装置转换的能量载体储存在一个或多个能量载体储存装置中，储存量达到预定量；

将从所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置或所述能量载体储存装置中的任一装置输出或取出的能量转换成适合一个或多个供应目的地设施的能量形式，以通过一个或多个能量转换供应装置向所述设施供应能量；

通过一个或多个管理控制装置，管理和控制至少部分或全部所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置和所述供应目的地设施。

有益效果

根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统产生一定数量的可再生能源，以满足全国以及全球范围内对能源的总需求，该系统不排放CO₂，但其输出功率不稳定，无法大量和长期储存；该系统将可再生能源转化为足够数量的能量载体，最多可将能量载体储存六个月；通过将能量载体转化为适合供应目的地设施的能量形式，向供应目的地设施供应能源，这使得几乎所有的一次能源都是无碳的。此外，可再生能源供应系统通过管理控制装置的精细管理和控制，全年365天、每天24小时持续供应能源。

根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统可使用互联网上广泛使用的TCP/IP技术和资源，为每个组件(通信节点)分配一个逻辑(IP)地址，并可通过验证码提供安全通信，使接收端能够验证数据包来源的真实性(检查是否存在所谓的“欺骗”)和传输内容的完整性(检查是否存在“篡改”，也称为“完全性”)。这样就能防止网络恐怖袭击，例如，即使未经授权访问了可再生能源供应系统，也可迫使浮式海上电站下潜。此外，还可对通信内容进行加密，以防止窃听可再生能源供应系统的配置信息。然而，这样就很难发现未经授权的访问或不适当的控制信息的传输。

根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统可以使用液化氨、甲基环己烷、液化氢和高压氢气作为可稳定储存的能量载体，但这些载体可以舍弃，也可以根据供应目的地设施的特点进行选择。其中，液化氨或甲基环己烷具有较高的体积和质量能量密度，可以在室温下长期大量储存，例如可以储存长达半年之久，从而可以使发电量每天、每个季节以及在极端天气条件下都会有很大波动的可再生能源作为能源基础设施。

根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统通过将可再生能源转化为适合各供应目的地设施的能源形式，并高效、廉价、稳定地向各种供应目的地设施供应能源，从而实现各行业的无碳能源。所述供应目的地设施包括：

现有交流电力系统；

因输电效率高而在欧洲和其他地区迅速发展的高压直流电力系统(HVDC)；

火力发电站和其他设施中的NH₃单燃发电机和NH₃混燃发电机；

氢气发电机；

机场液化氢储罐，为使用高纯度液化氢燃料的飞机设计，计划于2035年投入使用；

为大型轿车、公共汽车和卡车的氢燃料电池车提供高纯度氢燃料的加氢站；

安装在港口的NH₃储罐，这些港口供使用NH₃单燃发动机航行的船只进港和离港；以及在钢铁行业使用氢气代替焦炭进行氢还原炼钢的高炉，该行业的CO₂排放量占所有行业的40％。

此外，根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统主要利用被认为是日本发电能力最高的浮式海上太阳能发电，与利用其他可再生能源的发电站相结合，增加可再生能源资源的多样性，消除可再生能源发电的时变性和季节不均衡性，同时提高能量载体相关设备(以下简称能量载体系统)的使用效率，并降低能量载体储存装置的储存容量上限，从而实现低成本能源的稳定供应。

此外，例如位于日本专属经济区(EEZ)最南端的冲之鸟岛和南鸟岛附近海域的年平均太阳辐射量约为日本陆地面积的1.5倍，根据本发明的一个方面，浮式海上太阳能发电站可在该岛周围约2％的专属经济区内生产相当于日本一次能源总需求的电能。此外，如果使用海底电缆以±250kV直流高压输电，则输电损耗可降至百分之几，这意味着所有无碳能源都可以在国内生产。

如果能在南北纬30度以内的赤道海域，跨越国界、专属经济区、公海等，就能使世界能源需求总量在未来很长一段时间内实现无碳排放，为防止全球变暖做出重大贡献。

此外，通过采用近似六边形、矩形、平行四边形或三角形的平面形状，使太阳能电池板平面填充(在一个表面上排列，没有间隙)，太阳能电池板可以尽可能密集地排列(最紧密的排列)。这样，浮式海上发电站的顶面，即朝向太阳的一面，就可以最大限度地由太阳能电池板的受光面构成。因此，浮式海上太阳能发电站的结构可以最大限度地提高发电效率。

例如，从最低逻辑层次开始进行串联连接、隔离串联连接和树状结构并联或并行连接，可在海上产生高压直流电，而无需采取过多的绝缘保护措施，并可将隔离串联连接所需的变压器减少到电池板外壳内可容纳的容量(约300kVA，重约1吨)。此外，树状结构并联可将输出电流从高达约6kA的大型聚合体限制到仅海底电缆和容纳海底电缆的太阳能电池板中，这就减少了太阳能电池板之间电源路径连接器中的电流，从而简化了耦合器的结构。

此外，当一块太阳能电池板发生故障时，通过未使用的耦合器或电源路径连接器自动切换到另一块太阳能电池板的控制功能会形成一条旁路，使浮式海上发电站能够保持并继续其太阳能发电功能。

如果浮式海上发电站漂浮在水深约50米以上的海域，即使发生东日本大地震级别的巨大海啸，也不会摧毁浮式海上发电站，因为海啸对发电站的影响微乎其微。

此外，在暴风雨天气期间，通过向电池板外壳注水，同时用压缩空气向浮筒充气，可使浮式海上发电站保持在预定的下潜深度(例如5-20米)；暴风雨过后，通过向电池板外壳注入压缩空气使浮式海上发电站排出外壳中的水，可使其浮出水面，这种下潜和上浮功能可以最大限度地减少台风和其他风暴的影响。

此外，允许太阳能电池板垂直摆动的机械连接功能和太阳能电池板顶端的减震功能也可以构成一个坚固的浮式海上太阳能发电站。

此外，浮式海上发电站还具有海流位置和航向测量功能、推进和转向功能(如浮式海上发电站外围的螺旋推进器)以及不发电时的静止维护功能。有了这些功能，浮式海上发电站就可以无论白天还是黑夜，在任何天气条件下都能固定在预定位置，并保持预定的方位或方向，而不会被洋流或强风卷走。

然后，根据逻辑层次结构为每个节点分配IP地址，从而减少数据包转发处理(路由)负荷，并在由100万块太阳能电池板组成的浮式海上发电站内提供高效的数据包通信环境。

根据本发明的一个方面，通过将浮式海上发电站中的太阳能电池板在平面上做成规则的六边形，并将多个太阳能电池板在平面上连接成蜂巢结构，因此，即使在受到海浪或与大型海洋生物碰撞等意外冲击时，冲击力也可以分散到六个方向上。此外，可使太阳能电池板垂直摆动的机械连接功能和太阳能电池板顶端的减震功能，使得建造极其坚固的浮式海上太阳能电站成为可能。此外，由于可以在规则六边形的两侧各设置一个耦合器，如果一块太阳能电池板出现故障，则可以更容易地形成旁路，通过未使用的耦合器或电源路径连接器切换到另一块太阳能电池板，从而进一步提高了浮式海上发电站的可靠性。

此外，如果在海上施工期间以每分钟一块太阳能电池板的速度将总共100万块太阳能电池板安装(或连接)到浮式海上太阳能发电站中，那么建造一座浮式海上发电站只需要不到两年的时间，而建造满足日本一次能源总需求的963座发电站则需要1800多年的时间。通过使用多个配备人工智能的运输和装配机器人同时并行组装这些电站，每座发电站的建设周期可缩短至90天，963座发电站的建设周期约为9年。

此外，海上组装需要格外小心，因为海水成分会在耦合器连接±250kV高压电线时渗入，导致浮式海上发电站投入运行后出现严重的绝缘击穿。在特定海域运输和组装太阳能电池板时，要事先在电池板壳体内的压缩空气罐中充入压缩干燥空气，在耦合时用所述压缩干燥空气吹除耦合器中的海水成分，然后将耦合器紧密连接，以防止耦合器绝缘击穿。

根据本发明的一个方面，可再生能源供应方法能够产生不排放CO₂、但输出功率不稳定且无法长期大量储存的可再生能源，其数量足以满足全国以及全球范围内的能源总需求，并将其转化为能量载体，储存起来，例如最多储存半年，然后再将其转化为适合供应目的地设施的能量形式并进行供应，从而使几乎所有的一次能源都可以实现无碳化。此外，通过管理控制装置的精细管理和控制，可再生能源供应系统全年365天、每天24小时运行，持续供应能源。

附图说明

图1示出了全球变暖的电磁波谱机制，这是本发明一实施例的可再生能源供应系统的科学依据，其中图1A是太阳和地球辐射能量波长分布的示意图，图1B是水蒸气窗口和CO₂的能量吸收波段的示意图。

图2示出了本发明一实施例的可再生能源供应系统的总能源生产目标的依据，其中图2A是世界一次能源消费趋势的示意图，图2B是日本一次能源消费趋势的示意图。

图3示出了本发明一实施例的可再生能源供应系统的目标值与日本可再生能源引进潜力和绿色增长战略的目标值之间的比较图。

图4示出了假定日本和世界为本发明一实施例的可再生能源供应系统的供应目的地，浮式海上太阳能发电站所在海域的年平均太阳辐射分布图。

图5示出了本发明一实施例的可再生能源供应系统的系统配置。

图6示出了本发明一实施例的可再生能源供应系统中使用的能源载体类型和特性的示意图。

图7示出了适合安装本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的专属经济区的示意图，假定日本为供应目的地。

图8示出了适合安装本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的海域周围岛屿的年平均日照时数的示意图。

图9示出了本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的配置和性能特征示意图。

图10示出了本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的关键太阳能电池板的示意图，其中图10A是关键太阳能电池板的平面图，图10B是关键太阳能电池板的截面图。

图11示出了本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的图10A中的耦合器的示意图，其中图11A是耦合状态下的水平截面图，图11B是未耦合状态下的垂直截面图。

图12示出了本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的示意图，其中图12A是浮式海上发电站的静止控制说明图，图12B是位于浮式海上发电站外围的太阳能电池板的垂直截面图。

图13是本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的纵向截面图，示出了浮式海上发电站的下潜状态。

图14示出了水深、海啸高度和海啸传播速度之间的关系，这是设定本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的安装区域水深的依据。

图15示出了根据本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的浮式海上发电站浮式灯塔结构的纵向截面图。

图16示出了根据本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的浮式海上发电站电力系统的分层结构图。

图17示出了根据本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的浮式海上发电站电力系统的布线电路图。

图18示出了根据本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的浮式海上发电站大型聚合体电力系统的树状结构并联连接的布线电路图。

图19是本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的概念图，示出了太阳能电池板之间的的串并联以及故障电池板的旁路路径。

图20是本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的概念图，示出了太阳能发电和非太阳能发电时太阳能电池板中的电流流向。

图21示出了根据本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的浮式海上发电站通信系统的逻辑层次结构的分层结构图。

图22示出了根据本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站使用多个运输和装配机器人同时并行建造浮式海上发电站的示意图。

图23示出了根据本发明一实施例建造浮式海上太阳能发电站所需的各工序组装情况和预计的发电站建造总时间的示意图。

图24示出了本发明一实施例的可再生能源供应系统的设备成本、建造、维护和运营成本、单位电价以及扩大规模带来的经济效应的估算模型的示意图。

图25示出了本发明一实施例的可再生能源供应系统的可再生能源发电量和单位电价估算实例的示意图。

附图元件说明：

10可再生能源供应系统(可再生能源供应系统)

100浮式海上太阳能发电站(浮式海上发电站)

110 太阳能电池板

110a 平面图中的顶点

110b 平面图中的边缘

110c 梁材料

110D带有Dr绝缘DC-DC转换器的太阳能电池板(Dr：备用装置)110E浮式海上发电站周围的太阳能电池板110P带压缩空气发生器的太阳能电池板110110T带浮式灯塔开口的太阳能电池板

111 弹性减震器

112 电池板外壳

112G 钢化玻璃

113 太阳能电池组件

114 透明绝缘填充物

115 压缩空气罐

116 电路箱

117近耦合自动耦合器(耦合器)

118 壳体

119 万向接头

120 密封件

121 连接螺栓

122 连接螺母

123 驱动机构

124 多功能连接器

125 通信路径连接器

126 电源路径连接器

127 压缩空气管道连接器

128 压缩空气喷嘴

129 管道

131 推进装置

132 舵装置

134 压缩空气供应通道

135 浮筒

136 浮式灯塔

136A 照明部分

136B 灯杆

136C 圆柱形主体

136D 配重

137 绳索

141双向隔离DC-DC转换器

142浮式灯塔开口

143全球卫星定位系统(GPS)接收器等

151⁺、151^-小型聚合体的串联电源路径(+：正极侧，-：负极侧)

152⁺、152^-中型聚合体的串联电源路径(+：正极侧，-：负极侧)

153^N+、153^N-汇流节点(+：正极侧，-：负极侧)

154^N+、154^N-汇流节点(+：正极侧，-：负极侧)

155地面(接地)

155^MC中型聚合体接地

155^SC小型聚合体接地

200 能量载体系统

210 第一能量转换装置

220 第二能量转换装置

230 第三能量转换装置

240 能量载体储存装置

250 能量转换供应装置

300 海底电缆

310⁺海底电缆正侧电源路径

310^-海底电缆负侧电源路径

400 海上风力发电站等

500 供应目的地设施

600 运输和装配机器人

610太阳能电池板运输和装配机器人

620小型聚合体运输和装配机器人

630中型聚合体装配机器人

640太阳能电池板清洁机器人

700管理控制装置

710用于浮式海上发电站的管理控制装置

720用于能量载体系统200的管理控制装置

730用于海底电缆的管理控制装置

740用于海上风力发电站等的管理控制装置

750用于供给目的地设施的管理控制装置

760用于运输和装配机器人的管理控制装置

761用于太阳能电池板运输和装配机器人的管理控制装置

762用于小型聚合体运输和装配机器人的管理控制装置

763用于中型聚合体运输和装配机器人的管理控制装置

BR 旁路路径

C1～C6 沙漠

D、D1二极管

d浮式海上发电站的安全潜水深度

f1 潮汐和风的作用力

f2 推力

F 推力

h浮式灯塔离海平面的高度

LC 大型聚合体

MC 中型聚合体

SC 小型聚合体

W 海水

S 海平面

J 日本

X 日本专属经济区

具体实施方式

发明背景

本发明旨在为工业革命后人类造成的全球变暖这一严峻而紧迫的问题提出技术解决方案。为此，在举例说明本发明的一个实施例之前，有必要解释一下，本发明是基于对包括气象学、国际法和各行各业在内的广泛领域的考虑以及科学依据而做出的。下文将解释全球变暖的科学依据、地球的能量平衡与全球变暖、全球和日本一次能源消费趋势、一次能源转换为可再生能源的潜力和挑战以及海上太阳能发电的潜力。

全球变暖的科学依据

根据IPCC(政府间气候变化专门委员会)第五次评估报告(2014年)，1880年至2012年间，全球平均气温(平均地表温度)上升了0.85℃。如果温室气体浓度在未来继续进一步上升，在最坏的情况下(RCP 8.5情景)，即到2100年温室气体将达到最高值，气温将上升2.6-4.8℃。即使将浓度保持在最低水平(RCP 2.6情景)，气温也将上升0.3-1.7℃。

2015年在巴黎召开的COP21(《联合国气候变化公约》第21次缔约方大会)上通过的《巴黎协定》，呼吁每个国家的目标是将全球平均气温较工业革命前水平的升幅控制在2℃以下，如有可能，控制在1.5℃以下。在2018年召开的IPCC COP24会议上，有报告指出，迫切需要采取措施在2030年前将CO₂排放量减少45％，并在2050年左右实现全球温室气体排放总量净零。

根据Ebru Kirezci等人的研究(《自然》，《科学报告》，10，11629，2020年)，在最坏的情况下(RCP 8.5)，到2100年，受强风暴、潮汐波和风暴潮导致的沿海洪水影响的陆地面积将比2015年增加48％，4.1％的人口(2亿8700万人)将受到影响，全球GDP资产(14.2万亿美元)将损失20％。此外，该研究还指出，现在每100年出现一次的暴雨、潮汐波和风暴潮，今后将以每10年一次的频率出现，这至少会给沿海地区造成巨大损失。

此外，根据Jorgen Randers等人的一项研究(《自然》，《科学报告》，10，18456，2020年)，即使温室气体排放可以立即降为零，到2500年，全球气温仍将比工业革命前水平上升3℃，海平面也将上升3米。这是因为已经释放的CO₂将在大气中存留数千年，并将继续使北极冰层和含碳永久冻土解冻。为了避免气温和海平面上升，所有人为温室气体排放必须在1960～1970年间降至零。该研究指出，为了限制对地球生态系统和人类社会的破坏性影响，在努力实现温室气体零排放的同时，每年必须从大气中捕获和清除超过3300万吨CO₂(以下简称33Gt-CO₂/年)。

顺便一提，碳补偿是指在努力减少日常生活和商业活动中排放的CO₂等温室气体后，通过植树造林等方式吸收仍在排放的温室气体。排放量和吸收量相等的状态被称为碳中和(实际上零或净零也大致同义)。CO₂捕获与封存(CCS)技术是从发电站、炼钢厂、炼油厂和水泥制造厂等产生的废气中分离和回收高浓度的CO₂，方法是将CO₂吸收到碱性溶液中，用油罐车或管道将CO₂运送到封存点，然后将CO₂注入几乎不会泄漏且可长期稳定封存的地层中。CO₂捕获、利用和封存(CCUS)技术旨在通过将回收的CO₂注入油田或天然气田来回收资源(天然气)，目前这些技术正在世界各地进行示范。

然而，为了通过植树造林等方式吸收CO₂，即通过植树造林吸收全球32.8Gt-CO₂/年(2017年)的排放量，必须增加新的大面积的植树造林，目前全球的吸收能力为18Gt-CO₂/年。相比之下，CCS和CCUS技术则被定位为通向未来可持续能源系统的桥梁，因为这些技术需要大量成本和能源来捕获和封存CO₂，而且封存地层有限。此外，考虑到第0038段中提到的每年必须从大气中清除超过33Gt-CO₂的情况，即使各大公司在节能方面通力合作，要实现碳中和也并非易事。可以毫不夸张地说，目前还没有实现《巴黎协定》目标的技术路径支撑。

著名科学杂志的一篇社论(《自然》，社论，592，8，2021)支持这一观点。换句话说，在2021年11月召开的COP26联合国气候变化大会之前，202个与会国中约有124个国家承诺在2050年前实现净零排放，但重要的是如何实现这一目标，以及有哪些可靠的监测系统。例如，碳可以作为一种商品在世界各地建立的许多碳交易市场上买卖。高排放国家可以声称已经实现了净零排放，但实际上并没有通过碳交易减少排放到大气中的碳总量。如果没有实现净零排放和提高透明度的具体方法，《巴黎协定》的目标将永远无法实现。

上述情况表明，建立一个几乎所有能源都不含碳、不排放CO₂的可持续能源系统，将为控制全球变暖做出重大贡献。实现这一目标的具体措施可归纳为以下三点，必须立即付诸行动。

(1)生产足够数量的可再生能源，以替代几乎所有的一次能源。

(2)建立一种机制(系统)，以低成本、高质量和稳定的方式向供应目的地设施供应波动较大的可再生能源。

(3)有计划地捕获和清除大气中已经储存的大量CO₂。

本发明以在日本的应用为例，提供了实现(1)和(2)的具体措施。对于(3)，通过(1)和(2)所带来的无碳化的进展，可望由自然界(森林和海洋)吸收CO₂(18Gt-CO₂/年)。此外，对被毁坏的森林进行植树造林，利用有机聚合物膜等技术捕捉大气中的CO₂，并廉价、可靠地将其清除的技术，有望早日实现商业化。

地球的能量平衡与全球变暖

太阳辐射出383YW(Yotta：10²⁴)的能量，其中十亿分之一，即174PW(Peta：10¹⁵)的能量到达地球，30％的能量被大气和云层反射回太空，19％的能量被大气和云层吸收。89PW，即51％的能量到达地球表面，为陆地和海洋供暖。到达大气层的太阳能能产生大气和水循环(风和雨)，并通过植物光合作用和其他过程成为许多生命活动和可再生能源的来源。使大气和陆地表面变暖的能量会以热量的形式在大气中停留一段时间，但最终会以远红外线辐射的形式重新辐射回太空，从而达到能量平衡。化石燃料产生的CO₂和甲烷等温室气体吸收了地球表面发出的部分远红外线辐射(RCP 8.5中为8.5W/m²)，从而改变了能量平衡的均衡状态，导致全球变暖。

从电磁波谱的角度来看，在绝对零度(-273.15℃)时，所有原子或分子都停止热振动，而在较高温度下，所有物质都会以电磁波谱的形式辐射能量。温度越高，电磁波谱的波长越短；反之，温度越低，波长越长。如图1A所示，太阳的表面温度为5,500℃，它辐射的近紫外线、可见光和近红外线能量的波长范围为0.1μm至3μm。另一方面，从太空中看，地球的有效温度为-20℃，它辐射的远红外线能量波长为4μm到60μm。

此外，所有大气气体都会吸收各自特定波段的能量。如图1B所示，水蒸气(图中用H₂O表示)是一种天然温室气体，它在很宽的波长范围内强烈吸收电磁波谱。然而，水蒸气窗口，即波长介于7.5μm和19.5μm之间的波段(图中的水蒸气窗口)是透明的，并通过向太空释放同一波段的远红外线能量来辐射冷却地球。换句话说，水蒸气窗口在维持地球能量平衡状态方面发挥着重要作用。

全球和日本一次能源消费趋势

如图2A所示，随着经济增长，全球一次能源消耗量以年均2.5％的速度持续增长。特别是自2000年以来，亚太地区新兴经济体的能源消耗增长显著，发达国家(经合组织国家)在全球能源消耗中所占的份额从1965年的70.5％下降到2018年的40.9％。而从能源种类来看，石油消费量年均增长2.5％，煤炭消费量年均增长1.9％，天然气消费量年均增长3.3％，合计占2018年一次能源消费总量的84.7％。其余非化石能源中，水电占6.8％，核电占4.4％，可再生能源仅占4.0％的小部分。如果这种状况持续下去，温室气体浓度将继续上升，对地球造成灾难性的破坏。

另一方面，如图2B所示，随着第一次和第二次石油危机以及东日本大地震之后节能工作的推进，日本的能源消耗自2005年达到峰值以来一直呈下降趋势。然而，虽然石油消费量减少了，但煤炭和天然气消费量却增加了，截至2017年，日本对化石能源的依赖度为91.0％，远远高于西方国家(美国为81.9％，英国为78.5％，德国为80.2％，法国为49.0％)。2020年12月，日本经济产业省制定了“2050年实现碳中和的绿色增长战略”，日本终于开始将可再生能源作为主要电力来源，但正如下文所述，在技术方面，日本仍然落后于国外同行。

基于上述情况，假设由于日本的低出生率和人口老龄化，未来的能源消耗不会增加，因此2018年可再生能源生产的目标值设定为TPESj(日本一次能源总供应量；20EJ/年＝5.5PWh/年)，如图2B中向下箭头所示。下文将根据这一目标值进行讨论。

一次能源转换为可再生能源的潜力和挑战

环境省于2020年3月发布的《日本可再生能源引进潜力》是一份以实现零碳城市和促进可再生能源主流化为目的的报告，该报告基于2009财政年度以来的研究，根据以下分类对可再生能源的数量进行了估算：可利用量(在现有技术水平下可以利用的)、引进潜力(在可利用量中，除去因各种限制而无法利用的能源资源量)、情景引进潜力(如果设定与商业利润相关的收购价格，预计可以实现的发电量)。图3是一个表格，显示了上述估算结果(节选)、《绿色增长战略》的目标值和TPESj目标值之间的比较。该表格具体显示了根据本发明一实施例的可再生能源供应系统的总能源生产目标与环境省的《日本可再生能源引进潜力》和经济产业省的《绿色增长战略》分别于2020年发布的目标值的比较。

在引入潜力方面，虽然太阳能和风能发电量合计为7369TWh/年(占TPESj的134％)，高于TPESj，然而，在购买价格Ⅰ时，总量为1015TWh/年(占TPESj的18％)；在购买价格Ⅱ时，总量为1519TWh/年(占TPESj的28％)；在购买价格Ⅲ时，总量为2516TWh/年(占TPESj的48％)。

《绿色增长战略》中规定的2040年海上风电目标仅为139TWh/年(占总量的2.5％)。此外，海上风力发电的上网电价约为日本当前工业电价(约为17日元/kWh)的两倍。据说日本的电价约为欧洲和美国的2倍，因此，如果在图3所示的情况下风力发电成为主要电力来源，日本的电价将约为欧洲和美国的4倍，将给工业带来沉重负担，严重削弱其竞争力。

相比之下，由于风力环境良好以及积极应对全球变暖，截至2019年，欧洲海上风力发电量达到2851TWh，计划到2030年将海上风力发电量扩大到2019年的约8倍，到2050年扩大到25倍。一些标书已经以低于6日元/kWh的价格中标。

海上太阳能发电的潜力

在图3中，对风力发电的发电量进行了陆上和海上估算，但对太阳能发电的发电量仅进行了陆上估算。由于发电量的估算方法尚未公开，因此无法使用相同的方法估算海上太阳能发电的引入潜力，但我们根据公开数据进行了以下估算。

图4是利用地球静止气象卫星收集的数据绘制的地球表面年平均太阳辐射分布图，包括1991年至1993年三年期间的天气和昼夜变化情况。请注意，该图为灰度图，因此很难辨别太阳辐射与图下部颜色之间的对应关系，以及地球表面年平均日照的分布情况。引自https://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/，其中年平均太阳辐射分布图以彩色显示。

为了证实该图的正确性，我们在日本气象厅发布的太阳辐射数据库查看系统中搜索了南鸟岛和其他地区的年平均太阳辐射量，发现图中数据与日本气象厅的数据基本一致。从图中可以看出，南北纬30°区域内的大部分海洋(以下简称赤道海域)和陆地地区的年平均太阳辐射量高达220W/m²或更高。图中标注在C1至C6沙漠上的黑色圆圈(●)分别代表太阳能发电3TW所需的陆地面积(Σ●＝91万km²)，其中假设太阳能电池转换率为8％。图中右下方显示的年平均发电量为18TWe(TWe中的“e”表示电力)，这意味着假定年发电量为160PWh。如果将这一发电量换算成图2A中的100万吨石油当量(Mtoe)，则为14,000Mtoe，与图2A中红色向下箭头所示的2018年世界一次能源总供应量(TPESw)相当。沙漠通常是荒凉而炎热的地区，强风使土壤难以固定，许多地区荒凉炎热，岩石裸露，由于温度过高，太阳能发电的性能下降明显，因此沙漠不适合太阳能发电。即使按照前面对图4中分布图的解释，也不建议在沙漠中进行太阳能发电。

另一方面，从图4可以看出，日本(图中用J表示)的年平均太阳辐射为130-180W/m²，但幸运的是，日本拥有世界上独一无二的专属经济区(EEZ)，北回归线右侧标有X的椭圆形海域内，年平均太阳辐射高达220-260W/m²。这意味着，这一地区的海上太阳能发电具有高产出和取之不尽的能源潜力。顺便一提，假设平均太阳辐射为240W/m²，转换效率为16％，那么在椭圆X内一个黑圈(●)大小的区域(约2.7万km²，约占周围EEZ的2％)进行海上太阳能发电，将产生与TPESj同等数量的无碳能源。《联合国海洋法公约》规定，专属经济区对自然资源和自然能源拥有“主权权利”，对建立人工岛屿和设施、环境保护和养护以及海洋研究拥有“管辖权”，因此在专属经济区进行海上太阳能发电应该没有问题。

此外，从图中可以看出，赤道海域的潜力(海域面积)足以容纳上述91万km²的面积，因此，如果对《联合国海洋法公约》和其他条约进行修订，使海上太阳能发电能够在国家、专属经济区框架以外的海域和公海上进行，并与风力发电和其他能源结合使用，那么不难想象，世界上所有的一次能源需求(将继续增加)都可以通过无碳的可再生能源来满足。顺便一提，由于太阳能电池组件背面的温度可以保持在海水温度，因此在91万km²的赤道海域所产生的太阳能发电量约为相同面积沙漠发电量的两倍，即大约是2018年全球一次能源消耗量的两倍。即使能源消耗继续以每年平均2.5％的速度增长，预计到2050年左右，该地区的太阳能发电量也能满足估计的一次能源需求(2TPESw)。即使2050年后全球一次能源消耗量继续增加，可再生能源资源的潜力仍然充足。但浮式海上发电站覆盖的海洋面积越大，日照不足的海洋面积就越大，从而导致浮游植物减少。这一点将在下文第0138和0177段的基于环境评估的一个实施例中加以说明。

下面，将结合附图描述本发明的可再生能源供应系统和浮式海上太阳能发电站的实施例。

可再生能源供应系统的整体结构

图5所示的可再生能源供应系统10包括一个能量载体系统200，能量载体系统200包括一个或多个浮式海上太阳能发电站100、一个或多个第一能量转换装置210、一个或多个第二能量转换装置220、一个或多个第三能量转换装置230、一个或多个能量载体储存装置240的部分或全部和一个或多个能量转换供应装置250；以及一个或多个海底电缆300、一个或多个海上风力发电站400；以及一个或多个管理控制装置700，用于管理和控制可再生能源供应系统10，其中包括供应目的地设施500。

可再生能源供应系统10可配备一个或多个使用不同可再生能源资源的发电站，例如一个或多个海上风力发电站400。

一个或多个可再生能源供应系统10的规模可扩大到提供几乎全部或部分足以满足某一特定地区(例如一个或多个国家)或全球范围内的一次能源总需求的能源。

可再生能源供应系统10并不局限于第0053段中提到的配置。例如，在可再生能源供应系统10专门向钢铁工业或机场等特定行业供应能源的情况下，如果供应目的地设施500包括相当于第二能量转换装置220、相当于第三能量转换装置230或相当于能量载体储存装置240中的任何一个或多个等效装置，则可再生能源供应系统10可以不包括这些装置。

此外，举例来说，如果供应目的地设施500是电力系统，则第一能量转换装置210和能量转换供应装置250作为一个集成装置实现，当电力系统中发生电力波动(例如因发电站事故导致的电力故障、电压下降和频率下降)时，该集成装置可作为自启动高压变电站发挥作用，通过控制交流电压、有功功率控制和无功功率供应来控制电力波动，从而避免大规模电力故障(停电)。

一个或多个浮式海上发电站100可以按比例放大，从而通过使用可再生能源发电来满足一个国家或某个地区或某个行业所需的几乎全部或部分总能源需求。

每个浮式海上发电站100产生的电能通过一条或多条海底电缆300传输到第一能量转换装置210。海底电缆300可包括用于传感器信息和控制信号分组通信的光纤，以及用于向放大器供电的小型输电电缆，放大器用于放大在光纤中衰减的信号。

海底电缆300被配置为高压直流海底电力传输电缆，如下所述，在电缆长度为1000km的情况下，高压直流输电的传输损耗可降至约3％。有了这样的性能，例如可以在日本周边海域(北回归线附近的日本专属经济区)安装浮式海上发电站100，并如下文第0113段所述，铺设海底电缆300向该国传输电力。

第一能量转换装置210稳定多座浮式海上发电站100通过海底电缆300传输的电能，能量转换供应装置250可进行能量转换(如电压转换和直流/交流转换)，以满足直流电源系统或交流电源系统(即供应目的地设施500之一)各自的标准，将电能供应给各自的系统。能量转换供应装置250还可将剩余电能传输给第二能量转换装置220。第一能量转换装置210的一个具体例子是所谓的功率调节器，它通过对锂离子电池或铅酸电池进行充放电来稳定功率波动。假设第一能量转换装置210的能量转换效率约为95％。

第二能量转换装置220利用从第一能量转换装置210传输来的电能生产氢气。第二能量转换装置220产生的氢气供应给第三能量转换装置230。第二能量转换装置220的一个具体例子是氢气发生器，它通过直流电电解水或海水来产生氢气。假设第二能量转换装置220的能量转换效率约为80％。

第三能量转换装置230利用第二能量转换装置220产生的氢气作为原料或原料的一部分合成能量载体。能量载体包括高压氢气(H₂)、液化氢(LH₂)、液化氨(NH₃)和甲基环己烷(MCH)，如图6所示。从长期大量储存的角度来看，液化氨适合作为能量载体，因为其体积和质量能量密度高，而且作为化肥原料的历史悠久，但也可以根据供应目的地设施500的特点，使用可在环境温度和压力下储存的MCH、高压氢气或液化氢。

第三能量转换装置230的一个具体例子是NH₃合成器。假设NH₃合成器的能量转换效率约为90％。图6示出了本发明一实施例的可再生能源供应系统中使用的能源载体类型和特性。

能量载体储存装置240按预定量储存由第三能量转换装置230合成的能量载体，例如最多可储存半年的量。例如，如果将一半的TPESj储存在NH₃中，则需要大约694GL的储罐。NH₃的特性与LPG(液化石油气)相似，因此LPG储罐可通过翻新改装成NH₃储罐。虽然截至2017年，日本LPG储罐的总容量仅为150万吨(2.7ML)，但随着可再生能源供应系统10的实施，最终所有液化天然气LNG储罐(17GL)、核电站、石油储罐(81GL)和煤炭积聚地都将不再需要，如果将这些场所转换为NH₃储罐，则可获得大量储罐安装空间。

下一节将讨论在浮式海上发电站100的安装阶段，在向电网输送电能的同时，氢气应以何种速率转化为NH₃并储存至TPESj/2。假设从安装开始，可再生能源发电量每年等量增加d，α％的发电量转化为NH₃并储存起来，n年后发电量达到TPESj，储存量同时达到TPESj/2，根据等比数列方程可得

dn＝TPESj

n(n+1)α/2＝TPESj/2

由此可知

α＝1/(n+1)

其中，n＝1时α＝50％，n＝9时α＝10％。也就是说，如果建设计划的年发电量达到TPESj/2，并在建设开始9年后竣工，那么在建设期间，年发电量(电能)的10％将转换为能量载体并储存起来，以应对日照和季节变化。竣工后，生产和需求将达到平衡，并对每日和季节性波动做出反应。从12月到次年2月，当能源需求大于生产时，能源载体储备向用户供应的能源量会增加；从5月到10月，当能源生产大于需求时，转换为能源载体并储存起来的剩余电量会增加。即使由于气候异常或其他原因导致供需失衡，通过储能罐之间的互联，也应该能够应对半年左右的能源储备。然而，有必要根据过去和未来能源需求的统计数据、开始运行后的运行性能数据，以及利用风能等其他可再生能源发电的特点及其在总发电量中所占比例，制定和更新适当的能源载体储备。

根据供应目的地设施500(如电力系统)的需求量与浮式海上发电站100的产量(当产量小于需求量时，根据时间和天气的变化以及历史电力需求和产量数据进行估算或预测)之间的差额，将储存在能量载体储存装置240中的能量载体取出，并通过管道输送到能量转换供应装置250。

能量转换供应装置250将能量载体转换为适合供应目的地设施500的能量形式来供应能量。

例如，能量转换供应装置250利用从能量载体储存装置240中取出的能量载体生成预定的直流电，并将电能传输到直流电源系统(HVDC)，该系统是供应目的地设施500之一。同样，能量转换供应装置250利用从能量载体储存装置240中取出的能量载体生成预定交流电，并将电能传输至交流电源系统，该系统是供应目的地设施500之一。

能量转换供应装置250的具体例子包括燃烧NH₃的发电机和燃气轮机联合循环(GTCC)发电机，通过将燃气轮机和蒸汽轮机结合在一起，利用燃气轮机的余热分解NH₃以提取氢气，并在氢气燃烧器中燃烧，可以产生热效率超过60％的电能。顺便一提，即使是使用煤或石油作为燃料的现代火力发电，其热效率也超过40％，甚至LNG的热效率也超过50％。

从第一能量转换装置210输出的电能可直接输出到能量转换供应装置250，该装置将电能转换为预定的直流电，并将其传输到直流电源系统(HVDC)，即供应目的地设施500之一。同样，能量转换供应装置250可将第一能量转换装置210直接输出的电能转换为预定交流电，并将其传输至交流电源系统，即供应目的地设施500之一。

当供应目的地设施500的电力系统中供应的电能超过需求的电能时，可以指示第一能量转换装置210将差值输出到第二能量转换装置220。反之，当供应电能低于需求电能时，能量转换供应装置250可以从能量载体储存装置240中提取能量载体并将其转换(产生)为预定电能，并如第0063段所述将其供应给目的地设施500的电力系统。

第二能量转换装置220输出的高纯度氢气可在第三能量转换装置230中转换为液化氢(-253℃)，并储存在能量载体储存装置240中。能量转换供应装置250可以将从能量载体储存装置240取出的能量载体(液化氢)调整到预定的流速和流压，以便将其供应给其中一个供应目的地设施500，例如液化氢储罐，该储罐设置在以液化氢为燃料的飞机起降的机场。

液化氢燃料飞机的例子包括，例如，法国空中客车公司根据“ZEROe”概念正在开发的由改进型燃气涡轮发动机提供动力的喷气式客机(将于2035年投入使用)、由涡轮螺旋桨发动机提供动力的螺旋桨飞机以及由燃料电池驱动的六引擎发动机提供动力的螺旋桨飞机。

液化氢可提取的能量是相同重量喷气燃料的4倍，但由于燃料必须保持在-253℃，因此需要更多的容器重量和空间。不过，由于海拔1万米处的温度为-55℃，且飞行时间限制在12小时左右，因此对冷却性能的要求并不像在地面上那么高。

第二能量转换装置220输出的高纯度氢气可直接输出到能量转换供应装置250，后者将其转换成预定温度(冷却至-253℃)的液化氢，并将液化氢供应到机场(供应目的地设施500之一)的液化氢储罐。

能量转换供应装置250可将第二能量转换装置220输出的高纯度氢气加压至预定压力，并通过管道或罐车将其输送至氢站的高压氢气储罐等供应目的地设施500之一。预计未来电动汽车(EV)将广泛应用于城市小汽车等小型车辆，而大型客车和卡车等柴油车辆将被氢气燃料电池汽车(FCV)或氢气发动机汽车取代。顺便一提，丰田MIRAI燃料电池系统汽车的氢气燃料电池重32千克，输出功率为174马力，续航里程为850km。如果连接两个MIRAI的氢气燃料电池，其马力相当于大型卡车柴油发动机的马力，如果连接三个，则可以驱动大型拖车和快速公交车，而重量只有大型卡车柴油发动机的三分之一。

第三能量转换装置230输出的能量载体(NH₃)可由能量转换供应装置250转换成不同的能量载体，如高压氢气、液化氢或MCH，并供应给供应目的地设施500。

能量转换供应装置250还可以将从能量载体储存装置240取出的能量载体(NH₃)转换成预定的氢气，对其进行加压，并通过管道或罐车将其运输到例如氢站的高压氢气储罐，即供应目的地设施500之一。

前述示例与将第二能量转换装置220输出的高纯度氢气加压后供应给氢站的情况的区别如下，虽然使用能量载体储存装置240降低了安装在氢站的高压储氢罐的容量，但这需要在能量转换供应装置250或氢站的高压储氢罐前端增加氢气提纯功能，以制造适合氢燃料电池的高纯度氢气，从而增加了成本。

能量转换供应装置250还可以将从能量载体储存装置240中取出的能量载体(NH₃)转换成预定的液化氢，并将其供应给机场提供的液化氢储罐，即供应目的地设施500之一。本实施例与上述第二能量转换装置220输出的高纯度氢气由能量转换供应装置250转换成液化氢并供应给液化氢储罐的情况的区别如下：虽然使用能量载体储存装置240会减少机场提供的液化氢储罐的容量，但这需要在能量转换供应装置250中加入氢气提纯功能，以制造适合氢燃料电池的高纯度氢气，从而增加了成本。

能量转换供应装置250还可将从能量载体储存装置240取出的能量载体转换为预定的能量载体，以便将其供应给供应目的地设施500。

能量转换供应装置250还可将从能量载体储存装置240取出的能量载体(NH₃)调整为预定流量和流量压力，以便将其供应到NH₃储罐，即供应目的地设施500之一，该储罐位于以NH₃为燃料发动机的船舶进出的港口。

接下来，第0075至0077段将介绍可再生能源供应系统在钢铁行业实现零碳钢中的应用，钢铁行业的CO₂排放量占所有行业总排放量的40％(截至2016年)。钢铁行业是汽车和工业机械等其他行业的支柱。在炼铁过程中，铁矿石(Fe2O3)和燃料兼还原剂焦炭(C)被送入高炉，通过多个工序提取生铁。这些过程用下面的集合反应方程式表示。

1/2·Fe₂O₃+C+1/4·O₂→Fe+CO₂

这表明，炼钢过程中会排放出CO₂，其分子含量与铁的分子含量相当。

另一方面，以零碳钢为目标的氢还原炼钢使用氢气代替焦炭，其反应方程式为

1/2·Fe₂O₃+3/2·H₂→Fe+3/2·H₂O

这样就可以在不排放CO₂的情况下提取生铁。然而，焦炭的kWh当量价格与目前制氢所需的工业用电价格之间存在约10倍的差距(或欧洲和美国电价的数倍)，因此使用工业用电生产零碳钢会导致钢铁价格飞涨，并对整个行业产生重大影响。如果氢气的供应价格能达到目前焦炭价格和CCS/CCUS成本的总和，钢铁行业就可以实现无碳发展。

实现这一结果的具体过程如下：

(a)如果直流电源系统与交流电源系统并联运行，则直流电源被引入炼钢厂，氢气在第二能量转换装置220中产生，产生的氢气在第三能量转换装置230中被转换(加压)为能量载体之一的高压氢气，并储存在能量载体储存装置240中。然后从能量载体储存装置240中取出高压氢气，由能量转换供应装置250调节氢气的流速和流压，并供应给供应目的地设施500中的高炉。

(b)来自浮式海上发电站100的海底电缆300在炼钢厂上岸，第一能量转换装置210和第二能量转换装置220产生氢气，产生的氢气通过第三能量转换装置230转换成能量载体之一的高压氢气，并储存在能量载体储存装置240中。高压氢气从能量载体储存装置240中取出，通过能量转换供应装置250调节氢气的流速和流压，然后将氢气供应给高炉。如果产生剩余电能，则将其传输(出售)给电力系统。如果连续暴风雨天气导致浮式海上发电站100供电不足，且炼钢厂内能量载体储存装置240的库存低于一定量，则可利用炼钢厂外的NH₃能量载体储存装置240通过管道输送NH₃，并利用高炉余热将NH₃分解为能量。然后，能量转换供应装置250将NH₃转化为氢气，并将氢气送入高炉。

而水电解获得氢气所需的电量理论值为39.6Wh/g-H₂)，如果(a)或(b)中第二能量转换装置220的能量转换效率为80％，则国内生铁产量77.4Mt-Fe(2018年)需要4.2Mt-H₂用于还原，需要208TWh的电量用于生产还原氢。这相当于36.4个浮式海上发电站的发电量，详见下文。假设在日本和国外引入可再生能源供应系统后，直流电单价为5日元/kWh，则还原用氢的生产成本为1.04万亿日元，相当于钢铁行业16.3万亿日元(2018年)市场规模的约6.4％。顺便一提，假设生产77.4Mt-Fe所需的焦炭进口成本约为5860亿日元(中国焦炭价格：约35200日元/t-coke)，CO₂的CCS成本约为3780亿日元(超过1Mt/年，6186日元/t-CO₂)，则总成本约为0.96万亿日元，几乎与还原用氢的生产成本相同。

浮式海上发电站100、第一至第三能量转换装置210-230、能量载体储存装置240、能量转换供应装置250、海底电缆300、海上风力发电站400和供应目的地设施500的部分或全部由一个或多个管理控制装置700管理和控制。下文第0118、0122、0136、0141、0143至0146段将详细介绍管理控制装置700。

尽管前面已经描述了有关可再生能源供应系统10的多个实施例，但本发明并不局限于这些实施例。例如，可再生能源供应系统10中的可再生能源不仅包括图5中所示的浮式海上太阳能发电站100和海上风力发电站400，还包括陆上风力发电站、陆上太阳能发电站、地热发电站、中小型水力发电站等，图中未示出。

所谓“可再生能源”，是指来源于太阳能、地球物理或生物资源的能源资源，可根据自然规律以快于其利用率的速度得到稳定或经常性的补充。因此，正如本发明的可再生能源供应系统10所实现的那样，如果不受先入为主的观念的束缚，扩大可再生能源的使用范围，那么人类将能够在未来许多年里取之不尽、用之不竭、成本低廉且稳定地使用无碳能源。此外，增加可再生能源资源利用的多样性将消除可再生能源发电的时变性和季节不均衡性，提高能量载体系统200的利用效率，并将能量载体储存装置240的最大储存容量从6个月(TPESj/2)减少到例如4个月(TPESj/3)，从而实现更经济、可持续和稳定的能源供应。

可再生能源供应系统10并不局限于前述实施例，除了前文所述的各种发电装置外，还可以包括能量转换装置210-230、能量载体储存装置240、可具有各种功能的能量转换供应装置250，或者集成能量转换装置210、能量转换供应装置250，以及液化氨或高压氢气等多种能量载体的组合不胜枚举，并不局限于上述实施例。根据供应目的地设施500的特点灵活组合，提供多种选择，是可再生能源供应系统10试图取代所有一次能源供应所必须具备的特点之一。

浮式海上太阳能发电站的配置

假设本发明的可再生能源供应系统10安装在日本，向其供应可再生能源，下面将介绍浮式海上发电站100的一个应用实例。

本发明可再生能源供应系统10的“总能源需求”目标值为TPESj(20EJ＝5.5PW)，该目标值是根据上述图2B所示的报告设定。

为了达到该目标值，必须考虑浮式海上发电站100的安装位置与其年平均太阳辐射分布之间的关系。如图4所示，日本J地区的年平均太阳辐射为130-180W/m²，而北回归线附近的日本专属经济区(X所示的椭圆范围内)的年平均太阳辐射高达220-260W/m²。因此，在这一海域安装浮式海上发电站100可以产生高输出的太阳能发电。

图7示出了日本的专属经济区，在北纬30度以南的广阔海域，年平均太阳辐射较高，有许多岛屿可作为建立维护基地的候选地。图8示出了适合安装本发明一实施例的浮式海上太阳能发电站的海域周围岛屿的年平均日照时数，假定所产生的能量将供应给日本。图8示出了日本气象厅公布的气象数据。其中显示，南鸟岛全年日照率为32％，是日本平均水平的1.5倍。虽然没有气象数据，但图4显示冲之鸟岛的日照率预计会更高。虽然从冲之鸟岛到大隅半岛的直线距离为1,293km，从南鸟岛到房总半岛的直线距离为1,813km，但海底电缆造成的传输损耗很小，约为4-5％。仅在距离这两个岛屿200海里的范围内，就有超过86万km²的海域，其中大部分海域的水深超过200米，这意味着在专属经济区内的面积是生产TPESj所需的面积的31倍多。如下文第0108段所述，在浮式海上发电站100上设置浮式灯塔136可确保船只的安全，而不会影响其航行。今后，有必要对《可再生能源海域利用法》和其他法律进行修订，并在对周围海域的天气、海况、渔业和航行路线进行详细研究后选择推广区域。

图9示出了浮式海上发电站100的一个实施例的配置和性能特征，其中每个浮式海上发电站有100万块太阳能电池板软连接形成蜂巢结构，以分散和吸收海浪和风造成的复杂冲击力。该浮式海上发电站具有合理的三层结构，包括：由100块太阳能电池板串联组成的小型聚合体、100块绝缘串联的小型聚合体组成的中型聚合体、100块树状结构并联或并联的中型聚合体组成的大型聚合体(这些连接关系在下文中称为串联-串联-并联连接)，从而使年平均发电功率达到652MW/台。

这一发电能力相当于一台大型燃气轮机联合循环(GTCC)发电机。浮式海上发电站100占地面积为28.1km²，年发电量为5.71TWh。根据图9中的表格，如果仅靠浮式海上发电站100来满足所有TPESj，则需要963台机组。这些装置的总面积约为2.7万km²(约为四国面积的1.4倍)，才能生产出相当于日本所需的全部一次能源。产生的能量通过总长约1,500km的海底电缆传输到陆地上的能量载体系统200。如第0056段所述，直流输电几乎没有电容损耗或介质损耗，因此每1000km的输电损耗极低，仅为3％。

在图9中，240W/m²被用作规定的年平均太阳辐射量，但如果项目可行，也可以使用较低的年平均太阳辐射量。例如，在上网电价制度下，即使年平均太阳辐射量较低，项目也是可行的，如果可再生能源供应系统10的引进推广到世界其他地区，由于下文第0148至0149段所述的规模经济效应，系统成本会降低，即使海上年平均太阳辐射量较低，项目也是有利可图的。

太阳能电池组件的转换效率和发电量

目前仍在研究和开发各种材料和形式的太阳能电池，包括硅基单晶/多晶/非晶、化合物、多接面和量子点类型，其中一些电池的转换效率超过47％。由于布线空间和其他要求，太阳能电池组件的转换效率比电池转换效率略低不到30％。目前，在工业应用中广泛使用的多晶硅电池转换效率约为20％，但将其制成组件后，转换效率约为14.3％。转换效率是指在参考测量条件(25℃)下的效率，输出功率会随着组件背面温度的升高而降低，降幅为输出温度系数(晶体系统为-0.4％/℃)。

上述8％的沙漠转换效率是在使用多晶硅并假设日照期间背面平均温度为41℃的情况下实现的。相比之下，北回归线附近的年平均海面温度约为26.2℃。如果将浮式海上发电站100中太阳能电池组件的背面温度保持在海水温度，转换效率的年平均降幅约为0.5％。

由于目前正在进行各种研发工作以提高太阳能电池的转换效率，并假设在不久的将来工业太阳能电池的转换效率将提高约12％(电池转换效率为22.4％)，因此图9中的太阳能电池组件转换效率μ_sc被设定为16％(其中组件温度为25℃)。

JIS C8918规定了晶体太阳能电池组件的产品标准标签，定义了参考条件(组件温度：25℃，光谱分布：AM1.5，参考太阳辐射：E_std＝1000W/m²)，因此测量条件相同。在上述参考条件下，标称最大输出功率P_max(kW)、系统容量C_sys(kW)和年发电量EE_yr(kWh/m²/天)将通过以下公式计算得出。

P_max＝μ_sc×A_p×E_std

C_sys＝P_max×N_p

EE_yr＝V_sys×E_avg×L_f×365天÷E_std

其中，A_p是电池板的受光面积(m²)，N_p是电池板的数量，E_std是年平均太阳辐射(kWh/m²/天)，L_f是损耗系数。

组件温度为25℃，这意味着转换效率是在背面温度为25℃时测量的。在陆地上，组件温度可能会比室外温度高20-40℃，由此产生的损耗将作为损耗因子计算。AM1.5是表示有多少阳光穿过大气层的数值，相当于42°的太阳能高度角，是日本的标准值。对于参考太阳辐射量E_std，假定AM1.5时的太阳辐射量为1000W/m²。顺便一提，在太阳能高度角为90°时，即AM1.0，太阳辐射量为1100W/m²。

全天空太阳辐射量是太阳直接照射到地面的光线(直接太阳辐射)和被大气中的粒子散射或反射后照射到地面的光线(散射太阳辐射)的水平分量之和，全天空太阳辐射是通过水平安装的高温计测量的。NEDO的太阳辐射数据库浏览系统提供了日本837个地点29年(1981-2009年)的平均太阳辐射数据，利用该系统搜索南三岛的年平均全天空太阳辐射量，结果显示，当太阳能电池朝南安装时，年平均全天空太阳辐射量最大值为234W/m²，平均值为216W/m²，最小值为210W/m²，与图4中的年平均全天空太阳辐射量几乎相同。而太阳能电池组件的平均最佳倾斜角度(每月最佳倾斜角度的平均值)为20.6°，直接太阳辐射分量约为84％，散射太阳辐射分量约为14％。因此，如果将太阳能电池组件安装在倾斜角为20.6°、朝向正南的位置，南鸟岛的平均太阳辐射量可增加约4％。

冲之鸟岛(不在日本气象厅覆盖范围内)比南鸟岛更靠近赤道，根据图4估算，冲之鸟岛附近的年平均全天空太阳辐射E_avg为240W/m²，最佳倾斜角度为15°。

上述损耗系数L_f是由太阳能电池组件温度升高导致输出下降、所谓的功率调节器的转换损耗、布线和电路中的损耗、太阳能电池板受光表面的污垢以及太阳能电池的老化劣化等因素造成的，日本太阳能协会(JPEA)的标签指南规定，该系数约为0.7至0.8。相比之下，浮式海上发电站100的输出功率受温度上升的影响较小(年平均损耗约为3％)，太阳能电池板的受光表面经常由清洁机器人进行清洁(年平均损耗约为1％)，太阳能电池老化造成的损耗预计在20年内平均约为3％，海底电缆损耗预计约为5％，图9中的损耗系数L_f被设为0.85。由于所谓的功率调节器是由能量载体系统200中的第一能量转换装置210执行的，因此在估算浮式海上发电站100的损耗系数时不包括这一因素。

太阳能电池板结构

如图5、图10A、图12A和图19所示，浮式海上发电站100包括多个太阳能电池板110，每个太阳能电池板110在平面上呈基本规则的六边形，在平面中连接成蜂巢结构。

每个太阳能电池板110都具有漂浮物的功能，可以通过向电池板外壳112注水下潜到预定的水下深度，也可以通过将水从电池板外壳112中排出而漂浮起来。

如图10A和图10B所示，相邻的太阳能电池板110被配置为每边尺寸L为3米，宽度尺寸L1为5.2米，宽度尺寸L2为5.7米，包括下文第0090段所述的弹性减震部件111，厚度尺寸L3为60厘米。相邻太阳能电池板110之间的距离尺寸L4为50厘米。

构成图10B所示各太阳能电池板110的众多太阳能电池组件的配置高度例如为10厘米，并以朝向水平方向约15°的倾斜角相邻排列。

构成太阳能电池板110的电池板外壳112上设有若干沿平面方向布置的正交梁材料110c，作为结构构件。

相邻的太阳能电池板110通过设置在每个太阳能电池板110平面视图中顶点110a处的弹性减震部件111弹性地相互接触，从而使太阳能板110弹性地连接在一起，以便在垂直方向上相互摆动。

在这种情况下，图10B中的箭头a和b表示当太阳能电池板110受海面波浪或其他因素影响而相互摆动时，弹性减震部件111通过偏转吸收相邻太阳能电池板110产生的力的状态。

如图10A所示，在相邻的太阳能电池板110中，电池板外壳112彼此机械连接，电池板外壳112中的电气元件通过设置在每个太阳能电池板110平面视图边缘上的近耦合自动耦合器(有时称为“耦合器”)117彼此电连接。

近耦合自动耦合器117设置在每个太阳能电池板110的两侧，但太阳能电池板110E除外，它们布置在浮式海上发电站100的外围，每个太阳能电池板110设置有六个近耦合自动耦合器117，并在平面的各个方向上与相邻的其他太阳能电池板110软连接。

如图10B所示，太阳能电池板110的电池板外壳112顶部覆盖有带防反射涂层的钢化玻璃112G，在其下方以约15°的倾斜角铺设有若干太阳能电池组件113。如下所述，太阳能电池组件113承受最大±2.6kV的接地(海平面)电压。玻璃具有约10kV/mm的高绝缘强度，但为了防止盐分渗入钢化玻璃112G之间的接缝以及钢化玻璃112G与电池板外壳112之间的接缝而导致绝缘击穿，可在钢化玻璃112G和太阳能电池组件113之间填充透明绝缘填充物114。此外，还可在太阳能电池组件113的背面放置高导热绝缘树脂(未显示)，以将太阳能电池组件113的背面温度保持在海水温度。

电池板外壳112的结构设计允许海水W流入和排出。在电池板外壳112的底部，有一个储存压缩空气的压缩空气罐115和一个容纳控制电路(未显示)的电路箱116。

电路箱116中的控制电路执行以下控制程序：

将太阳能电池组件113产生的电能传输到相邻的太阳能电池板110；

接收从陆地传输来的电能，并将其传输到相邻的太阳能电池板110，以便在不发电时(如夜间)维持浮式海上发电站100的运行；

控制近耦合自动耦合器117；

在相邻太阳能电池板发生故障时，切换与其他相邻太阳能电池板的电源路径耦合器的连接；

以及与管理和控制浮式海上发电站100的管理控制装置710交换管理和控制指令，管理控制装置710在下文第0118、0124和0143段中描述。

除压缩空气罐115和电路箱116外，电池板外壳112底部的空间用作收集海水W的水箱。为了防止海水W在倾斜方向上移动，以及由于海浪等因素导致太阳能电池板110倾斜而破坏整个浮式海上发电站100的平衡，可以在电池板外壳112的底部设置带多个小孔的隔板或可伸缩隔板等，以控制海水W的移动。

如图11A和图11B所示，近耦合自动耦合器117包括第一耦合器117A和第二耦合器117B。第一耦合器117A和第二耦合器117B具有形状和尺寸相同的壳体118A和118B，壳体118A和118B的底部设有万向接头119A和119B，万向接头119A和119B与太阳能电池板110可摆动地软连接，耦合器117A和117B的顶端设有密封件120A和120B，用作盖板和填料。

如图11B所示，在壳体118A和118B的内部，连接螺栓121A和121B以及连接螺母122A和122B的布置方式为连接螺栓121A和121B以及连接螺母122A和122B在连接方向的宽度方向上相互错开。换句话说，当两个壳体118A和118B的顶端面对面时，第一耦合器117A的连接螺栓121A面向第二耦合器117B的连接螺母122B，而第二耦合器117B的连接螺栓121B面向第一耦合器117A的连接螺母122A。

壳体118A和118B内部设有驱动机构123A和123B，用于驱动连接螺栓121A和121B正转和反转。壳体118A和118B的顶端相互对接，驱动机构123A和123B正转连接螺栓121A和121B，使连接螺栓121A和121B与连接螺母122A和122B拧在一起。这样，第一和第二耦合器117A和117B之间就实现了紧密的自动连接。

太阳能电池板的耦合操作如下。太阳能电池板110A和110B由下文第0132、0134和0137段所述的运输和装配机器人600提升至例如海平面以上约1.5米处，以便耦合在一起。近耦合自动耦合器117A和117B的密封件120A和120B覆盖着近耦合自动耦合器117A和117B，以防止海水成分渗入，直到耦合之前。密封部件120A和120B被打开，以便在耦合太阳能电池板110A和110B时打开相机快门(未显示)，与此同时，从压缩空气喷射喷嘴128B中喷射出干燥的压缩空气，这些压缩空气已预先填充在太阳能电池板110B的压缩空气罐115B中，由运输和装配机器人600新近运输。然后，密封件120A和120B在吹走海水成分的同时被紧密连接，以防止盐分残留在近耦合自动耦合器117的内部，该耦合器包括电源路径连接器126A和126B，以及通信路径连接器125A和125B。这种耦合操作可防止电源路径连接器126A和126B以及近耦合自动耦合器117的绝缘击穿，因为直流高压电流高达±250kV。

当太阳能电池板110F因太阳能电池板110故障而被移除时，驱动机构123A和123B反转连接螺栓121A和121B，自动断开第一耦合器117A与第二耦合器117B的连接，同时密封件120A和120B被密封，以防止海水成分渗入近耦合自动耦合器117A和11B。驱动机构123A和123B由电路箱116中的控制电路控制。

如图11A所示，多功能连接器124A和124B设置在壳体118A和118B内。随着连接螺栓121A和121B以及连接螺母122A和122B拧在一起并紧固，两个多功能连接器124A和124B被配置为相互连接。

多功能连接器124A和124B包括通信路径连接器125A和125B、电源路径连接器126A和126B，以及压缩空气管道连接器127A和127B，当连接螺栓121A、121B和连接螺母122A、122B拧在一起并紧固时，第一耦合器117A侧的通信路径连接器125A和第二耦合器117B侧的通信路径连接器125B相互连接、第一耦合器117A侧的电源路径连接器126A和第二耦合器117B侧的电源路径连接器126B相互连接，同时第一耦合器117A侧的压缩空气管道连接器127A和第二耦合器117B侧的压缩空气管道连接器127B相互连接。

如图11B所示，管道129A和129B分别从壳体118A和118B中伸出。第一耦合器117A的管道129A与太阳能电池板110A相连，第一耦合器117A的万向接头119A与太阳能电池板110A相连。第二耦合器117B的管道129B与太阳能电池板110B相连，第二耦合器117B的万向接头119B与太阳能电池板110B相连。

通过万向接头119A和119B，可以灵活地将各个太阳能电池板110连接在一起，因此可以有效地释放垂直方向上由海浪、风和雨水等引起的应力。

第一耦合器117A的多功能连接器124A的通信路径连接器125A、电源路径连接器126A和压缩空气管道连接器127A通过第一耦合器117A的管道129A连接或耦合到太阳能电池板110A内的通信路径、电源路径和空气管道，第一耦合器117A的万向接头119A与之相连。

第二耦合器117B的多功能连接器124B的通信路径连接器125B、电源路径连接器126B和压缩空气管连接器127B通过第二耦合器117B的管道129B连接或耦合到太阳能电池板110B内的通信路径、电源路径和空气导管，第二耦合器117B的万向接头119B与之连接。

多功能连接器124A和124B的电源路径连接器126A和126B构成电源路径的一部分，用于电连接相邻太阳能电池板110的电源路径。多功能连接器124A和124B具有控制电路(未显示)，当相邻太阳能电池板110发生故障时，控制与其他相邻太阳能电池板110的电源路径的连接切换，如下文第0117至0018段和图19所述。

多功能连接器124A和124B的通信路径连接器125A和125B构成通信路径的一部分，用于连接相邻太阳能电池板110的通信路径，以实现数据包通信，并用于与各种传感器的电气连接以及控制信息的通信。

多功能连接器124A和124B的压缩空气管道连接器127A和127B连接相邻的电池板和压缩空气供应通道134。一旦浮式海上发电站开始运行，压缩空气供应通道134就会从太阳能电池板110的电池板外壳112内排出海水W，并为浮筒135充气提供压缩空气。

在恶劣天气条件下，水被注入电池板外壳112，浮式海上发电站由此潜入海面以下。但是，当浮式海上发电站浮出海面时，需要利用压缩空气罐115中的压缩空气将海水从电池板外壳112中排出，因此压缩空气管道连接器127A和127B也用于向压缩空气罐115中充气。

压缩空气由配备压缩空气发生器(未显示)的一个或多个太阳能电池板110P产生，并通过压缩空气管道和压缩空气管道连接器127A和127B不时补充到每个太阳能电池板110的压缩空气罐115中。

此外，最大电压为±250kV的电源路径和电源路径连接器126A和126B，需要使用绝缘强度高的绝缘体，例如绝缘强度为60kV/mm或更高的特氟龙绝缘膜，因为盐分和其他因素引起的泄漏电流是致命的。

当浮式海上发电站100安装在海面上时，将受到洋流、海浪和包括台风在内的强风的影响，因此作用在浮式海上发电站100上的拉力、压缩力和冲击力预计会非常大。但如第0089段所述，浮式海上发电站100在平面上形成六角形蜂巢结构，无论是作为单个太阳能板110还是作为一个整体(即下文所述的“大型聚合体”)，因此从外部施加的应力可以分散在六个方向上。并且与例如连接在铁路车辆上的“汽车耦合器”不同，浮式海上发电站100的构造与“汽车耦合器”相比更为简单，因为它不需要传递很大的力来拉动汽车。图11A中标有135的是下文第0106、0162段所述的浮筒。

使浮式海上发电站保持静止

如图12A和图12B所示，浮式海上发电站100外围的太阳能电池板110E配有推进装置131和舵装置132。黑潮是日本沿岸经常流动的洋流，其最大流速为7米/秒。当浮式海上发电站100安装在日本沿海海域时，会受到黑潮流速和台风等强风的影响。因此，为了使浮式海上发电站100保持静止，有必要产生能够抵消洋流流速和强风的推力。

从这个角度来看，浮式海上发电站100能够通过推进装置131获得能够抵消洋流的推力，因此，推进装置131和舵装置132被配置为对浮式海上发电站100进行群控，以保持浮式海上发电站100在预定位置和方向上静止，抵消潮汐流、洋流和风浪造成的作用在海面方向上的力的影响。

作为推进装置131，本实施例中采用了螺旋推进器，但也可以采用喷水系统。不过，在低速情况下，螺旋推进器比喷水系统能提供更大的推力。

例如，控制浮式海上发电站100的太阳能电池板110通过其他太阳能电池板110发送的传感器信息生成整个浮式海上发电站100的群控信息，其中包括洋流的流速和方向、风力和风向、来自如下文第0108、0145、0158、0169段所述的全球卫星定位系统(GPS)接收器143的位置信息(见图15)、倾斜/晃动/冲击信息、水深信息、监控摄像头信息、空气温度/海水温度/海水箱内部温度/太阳能电池组件背面温度信息等，并将这些信息发送给负责产生推力的太阳能电池板110E。

根据通过近耦合自动耦合器117接收到的群控信息，每个太阳能电池板110E驱动推进单元131和舵单元132朝预定方向产生推力，产生的推力抵消潮汐流、洋流和风浪造成的力，从而使浮式海上发电站100固定在预定位置，并保持预定方位或方向。将浮式海上发电站100保持在预定方位或方向上是指提供方位控制，使太阳能电池组件的倾斜面朝南(如果浮式海上发电站100安装在南半球一侧，则朝北)，或提供轨道控制，使太阳能组件的倾斜面朝向阳光照射方向。

在这种情况下，图12A示出了浮式海上发电站100的状态，在该状态下，针对图中左上方至右下方的水流和风造成的力f1，主要位于浮式海上发电站100左上方外围的多个太阳能电池板110E分别驱动推进装置131和舵装置132，产生推力f2(图中用黑色箭头表示)，浮式海上发电站100整体产生推力F，可抵消水流和风引起的推力f1，从而使浮式海上发电站100固定在预定位置，并保持预定方位或方向。

图12A中带白色箭头的太阳能电池板110E是不驱动推进装置131和舵装置132的太阳能电池板110E。

如图12A所示，整个浮式海上发电站100在平面中形成六边形，整体上形成蜂巢结构，因此，如果推进装置131产生推力，推力会分布到浮式海上发电站100上。因此，由相互连接的太阳能电池板110构成的浮式海上发电站100不会因推力集中在浮式海上发电站100的某一部分而坍塌。

图12A示出了太阳能电池板110E放置在浮式海上发电站100外围的一个实施例。推进装置131和舵装置132可安装在浮式海上发电站100内部的太阳能电池板110上，浮式海上发电站100由100万块电池板组成。此外，在图12A中，推力f2是沿拖曳浮式海上发电站100的方向施加的，但推力f2也可以沿推动浮式海上发电站100从后向前的方向施加，就像船舶一样。

浮式海上发电站的暴风雨和海啸应对策略

台风等在风区形成的波浪相互重叠，呈现出一种不规则性，使人无法辨别离岸波浪的峰值线，在远离风区的海域会突然出现波长较长的“浪涌”。这些风力产生的波被称为“波浪”，周期从几秒到几十秒不等，波长从几十米到几百米不等，波高有时可达20米。波能与波高的平方成正比，但在波长的1/2深度处，波能衰减到表面波能的4％左右，影响极小。

如前文第0083、0090、0091和0094段所述，太阳能电池板110与相邻太阳能电池板110无固定点软连接，因此当波长为太阳能电池板110长度的两倍时，垂直振荡会产生波浪共振，如果共振持续，可能会损坏太阳能电池板110。然而，在前文所述的一个实施例中，太阳能电池板110的长度为5.2米至6米，即波长是太阳能电池板110长度的几倍至十几倍，这样就不会产生共振，浮式海上发电站100在波浪的作用下，上下摆动的周期为几秒至十几秒。

然而，在巨型台风期间，也会出现高度、周期和方向不规则的波浪，因此可能会有波高约20米的大破浪袭击浮式海上发电站100。此外，强风也有可能使浮式海上发电站100的部分外围倒转。根据东京大学名誉教授、海滨和海岸环境方面的著名研究人员佐藤信治的说法，为了防止这些因素造成的损坏，估计下潜到相当于最大波浪高度20米的深度d是安全的。不过，根据浮式海上发电站100的结构和强度，即使在水深较浅的潜水深度也可以避免损坏。不会被巨型台风损坏的安全下潜深度d是根据以下参数得出的，包括浮式海上发电站100和太阳能电池板110的结构设计(例如蜂巢结构)、大型风洞实验设施的导波槽实验以及实际海域巨型台风下的实际测量数据。在本发明中，采用d＝5～20m的安全潜水深度作为规定的潜水深度。

具体而言，如图13所示，通过将海水W倒入几乎所有太阳能电池板110的电池板外壳112中，浮式海上发电站100被配置为可潜入预定潜水深度d。换句话说，如图11A和图15所示，用于在下潜过程中保持太阳能电池板110的恒定深度d的浮筒135通过提供给近耦合自动耦合器117的绳索137连接到近耦合自动耦合器117内的绳索卷绕器(未显示)。

因此，在控制注水量的同时，使用浮筒135将浮式海上发电站100停在海平面以下d的深度。在本发明的一个实施例中，绳索137的最大长度尺寸是以这样一种方式配置的，即浮式海上发电站100在海面以下d的深度处停止。

因此，当每个太阳能电池板110开始注水下潜时，压缩空气从压缩空气供应通道134注入浮筒135，与此同时，绳索卷绕器解锁。如图13所示，浮筒135上升至海面S，并将浮式海上发电站100保持在预定的下潜深度d。

当浮式海上发电站100升至水面时，执行与前述相反的操作。也就是说，将压缩空气注入太阳能电池板110的电池板外壳112，以排出海水W，并将绳索137卷起，使浮筒135安装在近耦合自动耦合器117中。

浮筒135不一定需要设置在所有的太阳能电池板110上，可以根据安全潜水深度d，以一定间隔设置在多个太阳能电池板110上，以防止绳索137相互缠绕。绳索137可以使用弹性绳索，以吸收海浪的剧烈运动。

此外，著名海啸研究专家、东北大学的今村文彦教授认为，海啸有两种不同的速度。一种是海啸传播速度，如图14所示，它与水深的平方根成正比。如果是巨型海啸，水深5000米时的传播速度为800公里/小时，水深10米时的传播速度为36公里/小时。这不是水粒子的运动速度，不会对物体产生力。另一种是水粒子运动速度，其能量与波高的平方成正比。在5000米深的海域中，海啸的波高只有1米左右，因此对漂浮物的负荷可以忽略不计。然而，在水深10米的海域，海啸高度达9米，在陆地上甚至超过10米，会造成巨大破坏。当海啸高度约为水深时，波浪开始碎裂，在足够深的近海(深度超过50米)，海面上下移动的周期为10分钟左右，波长为几千米到几百千米，但对浮动物没有明显的作用力。

因此，在可能因地震引发巨型海啸的海域，如日本海域，将浮式海上发电站100安装在水深50米以上的海域，可以防止巨大海啸造成的破坏。在过去没有巨大海啸袭击记录的海域，可将浮式海上发电站100安装在浅于50米的海域。

浮式海上发电站上的浮式灯塔

重要的是，要让附近航行的船只知道浮式海上发电站100的存在，以确保航行安全，并防止因与船只碰撞而损坏浮式海上发电站100。在浮式海上发电站100外围附近的几个位置(未图示)，靠近图15所示的太阳能电池板110T的中心处有一个圆环状的浮式灯塔开口142，在该开口处设置一个浮式灯塔136。为了配置浮式灯塔136的结构，使照明部分136A从海面的高度h保持不变，而不管浮式海上发电站100是浮出水面还是沉入水下(就像瓶子1/3装满水并漂浮在水中的状态)，浮式灯塔136包括具有浮力的圆柱形主体136C、配重136D、灯杆136B、照明部分136A和GPS接收器143。照明部分136A可以随时发射用预定代码调制的无线电波，该代码包括浮式海上发电站100的标识符和当前位置，在夜间，如图15所示，照明部分136A可以用预定代码调制LED，使其发光。当有船只靠近时，照明部分136A可发出警报，提醒船只执行防撞操作。如果照明部分136A的高度约为h＝10米，则视距为12km，面积为450km²，这对于边长为5km、面积为26km²的浮式海上发电站100来说，覆盖范围足够大。

通过在浮式海上发电站100外围附近安装的多个浮式灯塔136的顶部各安装一个GPS接收器143，并对接收器143输出的数据进行统计处理，即使浮式海上发电站100暴露在强风中，也能日夜、在暴风雨天气和潜水时准确测量其当前位置和方位。通过将这些测量数据反馈给上述推进装置131和舵装置132，可使浮式海上发电站100保持在预定的位置和方向上。

浮式海上发电站电力系统的分层结构

浮式海上发电站100的电力系统的分层结构通过图16至图19进行说明。图16示出了从太阳能电池板110到小型聚合体SC、中型聚合体MC、大型聚合体LC和能量载体系统200的逻辑层次结构的一个实施例，显示了每个分层的最大电压、最大电流和最大输出功率(见图9)。图17示出了浮式海上发电站100的具体布线电路。图18示出了大型聚合体LC的一个实施例，中型聚合体MC以树状结构并联，在两个层次上有10个分支。此外，图19示出了图17的布线电路与构成蜂巢结构的太阳能电池板之间的电源路径，表明如果每个耦合器117原则上为一个电路提供一个电源路径连接器126，则可以实现图17所示的布线。

如图16所示，浮式海上发电站100包括由100个太阳能电池板110串联而成的小型聚合体SC、由100个小型聚合体SC双向隔离串联而成的中型聚合体MC和由100个中型聚合体MC并联而成的大型聚合体LC。双向隔离的“双向”是指发电站可以处理两个方向的电流：当太阳能发电时，将产生的电能传输到陆地一侧的能量载体系统200；当不发电时，如夜间，则接收能量载体系统200传输的电能。“隔离”是指小型聚合体SC和中型聚合体MC是电绝缘的，具体来说，中型聚合体MC的最大电压为±250kV，而小型聚合体SC的最大电压为±2.6kV，也就是说，太阳能电池组件113将被施加±2.6kV的最大电压，但不会被施加±250kV的电压。

图16和图17显示了太阳能电池板110在没有过多绝缘保护的情况下，通过由太阳能电池板110、小型聚合体SC、中型聚合体MC和大型聚合体LC组成的分层结构串联-串联-并联连接时的最大电压和最大电流。

构成太阳能电池板110的众多太阳能电池组件113与地面(海平面)绝缘，通过在小型聚合体SC内串联和在中间电位点接地(接地)155^SC，将最大电压限制在±2.6kV。在小型聚合体SC内，最大电流61A流向所有太阳能电池板110，但在太阳能电池板110内，电流分布在许多太阳能电池组件113之间，因此最大电流61A不会流向单个太阳能电池组件113。

在中型聚合体MC中，小型聚合体SC的输出通过太阳能电池板110D(见图19)与双向隔离DC-DC转换器141(见图17)隔离串联，使用的电源路径连接器126与小型聚合体SC中的串联连接不同，最大电压为±250kV，但电流保持不变，为61A。双向隔离DC-DC转换器141将直流电转换为交流电(DC/AC转换)，然后用隔离变压器隔离小型聚合体SC和中型聚合体MC，并将交流电返回直流电(AC/DC转换)，转换效率约为96％。隔离变压器的容量为5.2kV×61A＝320kVA，重约1吨。电池板外壳112的最大浮力约为10吨，就其尺寸而言，隔离变压器可容纳在电池板外壳112内。中型聚合体MC内的电源路径连接器126将采用与小型聚合体SC内的连接器不同的高压绝缘措施。

由于并联了100个中型聚合体MC，因此大型聚合体LC的最大输出电压为±250kV，与中型聚合体MC相同，但最大输出电流增加了100倍，达到6.1kA。

顺便一提，假设JISC 3001标准软铜线(导电率97％)的导体电阻为17.8Ω·mm²/km，直流两线制导线中的压降可通过以下公式计算：

E＝(35.6×L×I)/(1000×S)

其中，E是两根导线之间的压降(V)，L是导线的长度(m)，I是电流(A)，S是导线(导体)的横截面积(mm²)。

如图17和图19所示，在中型聚合体MC的输出电源路径153^±(±表示正负极侧均适用)在太阳能电池板110^N±中的汇流节点154^N±(准确地说，正极侧应称为汇流节点，负极侧应称为发散节点，但它们统称为汇流节点)处以双分支树状结构并联连接的情况下，然后连接到海底电缆310^±，中型聚合体MC内的电源路径152^±和153^±(L＝5,300m，I＝61A)及电源路径154^±(L_avg＝1,700m，I_avg＝1kA)分别使用S＝30mm²及S＝100mm²连接，±250kV电压降导致的最大功率损耗约为0.45％，而S＝100mm²及S＝300mm²时，最大功率损耗约为0.15％。

在图17和图19中，汇流节点154^N±的下层是单层并联的，但如果通过并联连接增加每次汇流时的导体横截面积，则可以用较少的导体材料(如铜)减少功率损耗。

另一方面，在图18所示的形成10个分支、两级层次结构的树状结构并联连接实施例中，10个中型聚合体MC的输出通过电源路径152^±和153^±(L_avg＝5,400m，I＝61A)在汇流节点153^N±处捆绑，然后从10个汇流节点153^N±再通过电源路径154^±(L_avg＝1,100m，I_avg＝610A)在汇流节点154^N±处捆绑，并连接到海底电缆310^±。

在这种情况下，分别使用S＝30mm²和S＝100mm²时，最大功率损耗降低到约0.13％，而S＝100mm²和S＝300mm²时，最大功率损耗降低到约0.04％，约为两条分支损耗的1/4。

顺便一提，要将每千公里海底电缆300的功率损耗控制在3％左右，需要S＝1,460mm² 但是，要确保有足够的铜来传输世界上的一次能源，可能会导致铜价进一步上涨。Ranga Dias等人已经对使用氢、碳和硫等普通元素的室温(15℃)超导体进行了研究，有望早日实现商业化(《自然》，新闻，586，349，2020)。

图19示出了基于图17布线电路的浮式海上发电站100上的电源路径，该发电站具有蜂巢结构，由每个由2×8＝16块太阳能电池板110组成的小型聚合体SC、每个由4个小型聚合体SC组成的中型聚合MC和由4个中型聚合体MC组成的大型聚合体LC构成，假设所有近耦合自动耦合器117都具有一条线路的电源路径连接器126。

在小型聚合体SC中，正极侧(未示出)的8个太阳能电池板110组成的太阳能电池组件和负极侧的8个太阳能电池板110组成的太阳能电池组件分别以电源路径151⁺和151^-单程连接，并在标有黑点(●)的中间电位点接地155^SC，两端均与太阳能电池板110D相连，太阳能电池板110D上设有双向隔离DC-DC转换器141。太阳能电池板110D与垂直相邻的太阳能电池板110D连接时使用的耦合器与小型聚合体SC串联时使用的耦合器不同，正极侧通过电源路径152⁺隔离串联，并在中型聚合体的接地155^MC处折回，负极侧通过电源路径152与太阳能电池板110D隔离串联，正极侧末端通过电源路径153⁺和154⁺与海底电缆300的正极侧电源路径310⁺连接，负极侧末端通过电源路径153^-和154^-与海底电缆300的负极侧电源路径310^-连接。

在图17和图18中，布线电路图显示154^N+或310⁺和154^N-或310^-上下分离，但在图19中蜂巢结构上绘制的电源路径布线电路图中，电源路径在中型聚合体的接地155^MC处折回，154^N+或310⁺和154^N-或310^-集中设置，以缩短浮式海上发电站100内部的电源路径，或避免电源路径与海底电缆300^±分离。

图19示出了小规模实施的一个实施例，小型聚合体SC采用2×8＝16块太阳能电池板110，中型聚合体MC采用4×小型聚合体SC，大型聚合体LC采用4×中型聚合体MC。即使在由100万块电池板组成的浮式海上发电站100的实施例中，小型聚合体SC采用5×20＝100块太阳能电池板110，中型聚合体MC采用100×小型聚合体SC，大型聚合体LC采用100×中型聚合体MC。如果在中型聚合体MC内的接地155^MC处将通往MC正负极侧的电源路径折回，则154^±、110^N±和310^±可以如图19所示，集中位于上部中心位置。这样，浮式海上发电站100的海底电缆300就不需要容纳相距超过5km的310⁺和310^-。

在图19中，由于双分支树状结构连接中的分支(汇合点)数量较少，因此电源路径连接器126可以不重叠连接，但捆绑10个电源路径154^±的太阳能电池板110^N±的电源路径连接器126需要为多个路径提供电源路径连接器。树状结构可以是四至八个层次的多层结构，每个电源路径连接器126可容纳一条电源路径。

以上是由太阳能电池板110组成的浮式海上发电站100的逻辑层次结构中的串联-串联-并联示例，该浮式海上发电站100在功率为100的基础上，由小型聚合体SC、中型聚合体MC和大型聚合体LC组成逻辑层次结构，也可以形成独立的逻辑分层区块，并根据需要设置每个区块的最大输出电压和电流。这些都是设计方面的考虑因素，在实际应用中，可根据隔离直流连接装置和海底电缆的容量和成本，从而进行优化。

故障太阳能电池板的自动重新路由

每个太阳能电池板110通过六个近耦合自动耦合器117相互连接，每个近耦合自动耦合器117包含一个电源路径连接器和一个通信路径连接器，每个连接器用于一条路径。

如图19所示，如果一个太阳能电池板110在运行过程中发生故障，引起故障的另一个太阳能电池板110F将自动检测到故障的发生，并将故障通知相关的太阳能电池板110。或者，与发生故障的太阳能电池板110F电连接的相邻太阳能电池板110会检测到故障，并将故障通知相邻太阳能电池板110。

接到前述通知后，向故障太阳能电池板110F供电的太阳能电池板110的控制电路主动确定如图19所示的旁路路径(旁路电路)BR，将结果通知相邻太阳能电池板110，并切换至旁路路径BR。

在确定该旁路路径BR时，电路箱116中的控制电路决定不使用正在传输电能的近耦合自动耦合器117，而是通过另一个不工作的近耦合自动耦合器117与其他相邻的太阳能电池板110互联。换句话说，由于每个独立的太阳能电池板110都配有六个近耦合自动耦合器117，因此在发生故障时，独立的太阳能电池板110会自动寻找除该状态下连接的两个近耦合自动耦合器117之外的其他近耦合自动耦合器117，以形成新的供电路径。

在图19中的故障太阳能电池板示例中，由于图中所示太阳能电池板110数量较少，为避免图面复杂，仅描述了位于图右上方的太阳能电池板110F的旁路路径BR，但实际上，发电站包括100万块太阳能电池板110，其中大部分太阳能电池板110的太阳能电池组件113是串联连接的，即仅使用了两个耦合器117。因此，即使在使用了六个耦合器117中的五个的情况下，如配备了双向隔离DC-DC转换器141的太阳能电池板110D(见图17)，如果太阳能电池板110D的备用太阳能电池板110Dr提前安装在离太阳能电池板110D相隔两三个电池板的地方，则在发生故障时，电源路径可以重新路由到太阳能电池板110Dr。

发生故障时向旁路路径的切换可由太阳能电池板110自主执行，如前所述，也可与下文所述的管理控制装置710共同执行。但是，管理控制装置710或管理控制装置700至少应收到故障已发生且路径已切换为旁路路径的通知。作为回应，管理控制装置700会从最近的维护基地派出配备有替换太阳能电池板110的运输和装配机器人610，以替换出现故障的太阳能电池板110F。

太阳能发电和向浮式海上发电站供电

太阳能电池板110在白天产生的电能沿着图20中箭头A所示的电流流向直接传输到陆地一侧，并向每个太阳能电池板110的电路箱116中的控制电路、各种执行器和诊断电路供电。

另一方面，在夜间或恶劣天气下，发电站不发电并下潜到海面以下时，直流电流从能量载体系统200通过海底电缆300沿箭头C的方向(与箭头A的方向相反)传输到浮式海上发电站100，以驱动太阳能电池板110的控制电路和诊断电路，使执行器能够正常工作。在这种情况下，浮式海上发电站100作为能量转换供应装置250的供应目的地设施500之一运行。

如图20所示，在供电路径中设有二极管D，但在太阳能电池G输出侧没有设置二极管D1，而是由控制电路根据太阳能电池的发电状态控制断路器(例如IGBT：绝缘栅双极晶体管)的接通和断开。

浮式海上发电站通信系统的分层结构

图21示出了可再生能源供应系统10的一个实施例中通信系统的逻辑层次结构。

可再生能源供应系统10中的通信系统是基于TCP/IP的数据包通信系统，其中128位长IPv6地址空间的一部分被分层分配给用于标识浮式海上发电站100的地址、用于标识大型聚合体LC的地址、用于标识中型聚合体MC的地址、用于标识小型聚合体SC的地址以及用于标识太阳能电池板110的地址。根据每个组件在可再生能源供应系统10中的层级位置，为可再生能源供应系统10的每个组件分配一个标识符或物理地址(MAC地址)和一个逻辑地址(IP地址)。

可再生能源供应系统10中必须管理和控制的对象(以下简称“通信节点”)，例如，仅一个浮式海上发电站100就有100万个通信节点，而IPv4无法容纳满足TPESj的全部963个可再生能源供应系统10中的所有节点(10⁹)。

顺便一提，在暴风雨天气时，如果几乎所有的通信节点同时使用第0146段所述的SNMP Trap命令向管理控制装置700发送例如100字节的通知信息，尽管信息总量约为200MB，但也可能造成严重拥塞，导致通信故障。因此，本实施例的可再生能源供应系统10采用基于TCP/IP的数据包通信方式，将128位长的IPv6地址空间按照通信节点的逻辑层次结构(树状结构)分层分配，从而解决地址不足的问题。

IPv6的IFID(接口标识符)通常由生产过程中分配的MAC地址生成，但在转发过程中会出现随机性，因此不适合高效处理。当单个系统中存在大量通信节点时，如果在IFID中分层定义地址空间，则可以减小路由表的大小并减轻处理负荷，如图21中“IPv6地址空间分层分配示例”所示。

此外，本实施例中的可再生能源供应系统10通过以下方式避免拥塞并实现高效通信：为每个大型聚合体LC、中型聚合体MC和小型聚合体SC确定主通信节点，每个通信节点向其所属的小型聚合体SC的主通信节点发送数据包(根据暴风雨天气等情况，在随机时间后发送)，主通信节点根据需要聚合数据包，例如，将发往管理控制装置710的数据包转发至中型聚合体MC的主通信节点或大型聚合体LC的主通信节点。

例如，从管理控制装置710发送的针对特定太阳能电池板110的耦合器117的控制信息包，也会以桶中继的方式在主通信节点之间沿地址层级转发，以便可靠、高效地送达目的地。

此外，无论可再生能源供应系统是否连接到互联网，只要使用TCP/IP协议，网络攻击的威胁就始终存在。例如，就本实施例的浮式海上发电站100而言，网络攻击可能导致发电站被迫处于下潜状态，或使能量载体系统200失灵。由于可再生能源供应系统10被配置为在全国甚至全球范围内供电，人们总是担心这种情况会导致全国或全球危机。

因此，本实施例的可再生能源供应系统10可通过以下方式确保能源安全，防止网络攻击：采用带有验证码(数字签名)的安全通信，其中接收方根据公钥基础设施验证数据包发送方的真实性(以检查是否存在所谓的“欺骗”)和数据包传输内容的完整性(以检查是否存在“篡改”，也称为完全性)，该基础设施可保证公钥密码学和数字签名中使用的公钥与该公钥的所有者之间的对应关系。

更严格地说，例如，每个通信节点都集成了一个防篡改(一种设备、装置或软件难以从外部分析、读取或篡改内部结构或记录数据的状态)安全模块TPM(可信平台模块)，并利用TPM提供的用于TPM识别的EK密钥(认可密钥)、用于签名的AIK密钥(证明身份密钥)和用于加密的STK密钥(储存密钥)，各通信节点的EK公钥，以及由供应商提供的磁盘映像(记录在硬盘上的从头至尾的数据)。在接收节点侧，可通过在规定的认证机构(图略)登记硬盘上记录的数据或机器学习数据(如果是人工智能)的哈希值，验证各通信节点的真实性以及各通信节点生成和传输的管理目标信息和控制信息的完整性。

虽然真实性和完整性验证是可再生能源供应系统10安全保证的基础，但也可能存在网络攻击威胁，这些威胁可能会通过真实性和完整性验证而逃脱。下文第0146至0147段将讨论应对措施。

浮式海上发电站的建造

在如第0128段所述的可再生能源供应系统10的一个实施例中，浮式海上发电站100的组装和建造工作属于常规工作。如图22所示，浮式海上发电站100是通过同时并行组装建造的，其中配备人工智能的运输和装配机器人600至630与运输和装配机器人管理控制装置760至763协同工作。

也就是说，在太阳能电池板110被装上大型运输船并运送到海上施工现场后，利用船上的多台起重机将太阳能电池板110下放到海面上。此后，在太阳能电池板运输和装配机器人管理控制装置761的引导和控制下，多个太阳能电池板运输和装配机器人610同时并行地将多个太阳能电池板110连接起来，根据每个太阳能电池板110的标识符和预先准备好的浮式海上发电站100的配置图，组装成一个小型聚合体SC。

装配时，一个或多个待连接的太阳能电池板110被运输和装配机器人610提升至海拔约1.5米的高度，并通过运输和装配机器人610的多轴多维辊道(未示出)对自动耦合器117的位置关系进行微调。在待连接太阳能电池板110释放的同时释放密封件120，并从压缩空气喷射喷嘴128中喷出事先在待连接太阳能电池板110的压缩空气罐115中充入的干燥压缩空气，从而避免海水成分附着在自动耦合器117和电源路径连接器126等内部。在确保没有残留海水成分附着在自动耦合器117和电源路径连接器126等内部后，将自动耦合器117紧密连接(图11A和11B)。这些都是在与待连接的多个太阳能电池板110、运输和装配机器人610以及运输和装配机器人管理控制装置761的协调下自主完成的。

然后，在运输和装配机器人管理控制装置762的引导和控制下，多个小型聚合体SC由多个小型聚合体运输和装配机器人620运输，同时装配中型聚合体；在运输和装配机器人管理控制装置763的引导和控制下，多个中型聚合体MC由中型聚合体运输和装配机器人630运输，同时装配大型聚合体LC。

在这些组件中，通过运输和装配机器人620或630将待连接的太阳能电池板110吊到海平面以上约1.5米处，对自动耦合器117的位置关系进行微调，当位置关系在预定的精度范围内时，同时释放密封件120，并注入干燥的压缩空气以连接耦合器117。

海底电缆300的铺设与浮式海上发电站100的建造同时进行。在施工期间和施工结束后，海底电缆由海底电缆管理控制装置730进行管理和控制。

如图23所示，各组件的同时组装工作可在短时间内建造出浮式海上发电站100。图23示出了根据本发明的一个实施例建造浮式海上太阳能发电站所需的各工序组装情况和预计的发电站建造总时间。

图中显示，总共使用1000个太阳能电池板运输和装配机器人610来组装小型聚合体SC，如果平均每个太阳能电池板110需要15分钟，则总共100万个太阳能电池板110可在250小时内组装成1万个小型聚合体SC。如果使用总共100个小型聚合体运输和装配机器人620来组装中型聚合体MC，平均每个小型聚合体SC需要180分钟，则总共10000个小型聚合体SC可在300小时内组装成100个中型聚合体MC。此外，如果使用一个中型聚合体运输和装配机器人630来组装大型聚合体LC，平均每个中型聚合体MC需要240分钟，则可以在400小时内将100个中型聚合体MC组装成一个大型聚合体LC。

如果在上一道工序完成1/4后再开始下一道工序(例如，在小型聚合体的组装工序完成1/4后再开始中型聚合体的组装)，则每个浮式海上发电站的总建造时间为538小时，但假设每天工作10小时，可作业天气率为60％，则建造工作可在90天内完成。如表5所示，为确保TPESj的发电量，需要建造963个浮式海上发电站，但假设有26个建造点同时建造，则建造工作将在9.1年内完成。

在这种情况下，多种类型的配备人工智能的机器人610-640被用作运输和装配机器人600，既用于施工本身，也用于施工后的维护(例如清洁)。人工智能用于在输入当前条件时，根据以往经验对未知事件做出快速判断，目前已在自动驾驶和机器人领域得到实际应用。

机器人收集大量数据进行学习，如这些太阳能电池板110和浮式海上发电站100在各种情况下(如施工过程、天气、海况、太阳能电池板的相互定位、故障发生等)的各种传感器和摄像头信息。利用这些数据，可以通过在HPC(高性能计算)环境中执行机器学习(深度强化学习)来实现配备人工智能的机器人，以获得最大化的回报(例如，最小化太阳能电池板110的组装时间)，并将学习到的数据实施到机器人600中。如下文第0137、0143、0148至0149和0171段所述，在管理控制装置700或运输和装配机器人管理控制装置760的控制下，使用运输和装配机器人600建造浮式海上发电站100，这使得运输和装配机器人600能够相互配合或协作工作，从而实现更高效的建造。

建造完成后，在管理控制装置760的管理和控制下，运输和装配机器人610可自主更换在运行过程(未显示)中出现故障的太阳能电池板110F。太阳能电池板运输和装配机器人的管理控制装置761将装有替换太阳能电池板110的运输和装配机器人610置于目标浮式海上发电站100和发电站内的太阳能电池板110F的正下方，并引导其下潜。在确认太阳能电池板110F的标识符和相邻太阳能电池板110的标识符，并排出太阳能电池板110F相邻的六个太阳能电池板110和围绕六个太阳能电池板110的十二个太阳能电池板110的电池板外壳112中的海水后，运输和装配机器人610将太阳能电池板110F和相邻的六个太阳能电池板110提升到海平面以上约1.5米处。连接太阳能电池板110F和相邻太阳能电池板110的六个耦合器117被释放并移除，运输和装配机器人610通过多轴多维辊道将捕获的太阳能电池板110F向侧面移动。

然后通过多轴多维辊道将替换的太阳能电池板110移动到太阳能电池板110F的原始位置，并与相邻的太阳能电池板110连接，同时微调与待连接的相邻太阳能电池板110的三维定位关系。连接完成后，将装有太阳能电池板110F的运输和装配机器人610浸入水中并排空，然后再次将海水注入排空的外壳112中，并由运输和装配机器人管理控制装置761确认操作是否正常。在将确认结果报告给负责管理和控制整个浮式海上发电站100的管理控制装置710并经装置710批准后，完成一系列更换操作。运输和装配机器人610以及管理控制装置760在这些操作中使用的管理和控制指令将在后面从第0141段开始描述。

浮式海上发电站的环境评估

图9的配置示例中，每个浮式海上发电站100需要28.1km²的面积，如果这些发电站分布在北纬30度以南的专属经济区海域内，浮式海上发电站100的覆盖面积将不足2％。浮式海上发电站100下方缺少阳光，浮游植物的减少不可避免，以浮游植物为食的鱼类和其他生物也会受到影响。有必要通过多年的试运行来确定浮式海上发电站100将产生何种影响，以及浮式海上发电站100的适当安装方法。

解决浮式海上发电站100下方阳光不足问题的措施包括：(A)将相邻太阳能电池板110之间的距离从50厘米增加到2.5米，是图9所示距离的五倍；(B)为每个小型聚合体SC(每边约53米)提供固定功能，并将相邻小型聚合体SC之间的距离增加到50米；(C)为每个中型聚合体MC(每边约530米)提供固定功能，并将相邻中型聚合体MC之间的距离增加到500米。无论采用上述哪种方法，都可将安装浮式海上发电站100的海域的太阳辐照面积率提高到50％左右。在(A)的情况下，根据安装在印度洋马尔代夫的浮式海上太阳能发电站“SolarSea”的实际测量数据，由于海面反射光的作用，预计输出功率可增加5-10％。

从海洋生态系统的角度来看，有必要在试运行期间确定，面积约为28.1km²的100座浮式海上发电站之间至少5公里的距离是否不会产生重大影响，或者(A)至(C)中的任何一种方法是否会更好，以及太阳辐照面积率在多大程度上是可以接受的。

太阳能电池板110包括太阳能电池组件113、电池板外壳112、钢化玻璃112G、耦合器117、多功能连接器124和推进装置131。例如，即使构成结构组件的电池板外壳112的厚度为4毫米，963座浮式海上发电站的结构组件总容量也达到了3.7亿立方米，远高于2019年工业垃圾填埋场1.7亿立方米的剩余容量。如果包括太阳能电池组件113在内的发电站结构组件不能重复使用，发电站将造成严重的全球污染问题。

结构组件需要具备的性能包括耐盐腐蚀性、耐候性(紫外线)、可回收性(如化学回收)、绝缘性、导热性(太阳能电池背面冷却)、防锈性、韧性、抗冲击性、防污性(防止海洋生物等附着)、经济性和轻质。

玻璃纤维增强塑料具有重量轻、机械性能高、化学稳定性好、成本低等优点，因此被广泛应用于浴缸和船体材料中，但玻璃纤维增强塑料很难回收利用，目前都被丢弃在垃圾填埋场。

相比之下，铁等金属材料必须对高压进行绝缘处理和防盐腐蚀处理，还必须涂上防污漆，以提供高耐候性和防盐腐蚀性，并防止海洋生物附着，但它们具有良好的导热性，能有效地将太阳能电池模块背面温度保持在海水温度113。

聚乙烯纤维是一种轻质、坚固的材料，可通过解聚(单体化)然后再聚合的方式进行化学回收，具有优异的耐盐腐蚀性、防锈性、绝缘性、耐候性、抗冲击性和经济效益，其导热性在塑料中较高(相当于玻璃和水)，因此聚乙烯纤维可作为电池板外壳112结构材料的有力候选材料。

另外，候鸟也有可能飞来捡拾漂流到浮式海上发电站100上的木屑、塑料垃圾和其他杂物，筑巢并将其作为繁殖地。作为对策，考虑使用具有清洁功能的太阳能电池板清洁机器人640，定期清洁太阳能电池板110的顶部、底部和侧面，以清除粪便、巢穴和附着的海洋生物。有必要通过测试操作确认候鸟到达的频率和清洁机器人的性能。

管理控制装置对可再生能源供应系统的管理和控制

如上文第0011、0021和0053至0078段所述，浮式海上发电站100、能量载体系统200、海底电缆300、海上风力发电站400、供应目的地设施500以及运输和装配机器人600由一个或多个管理控制装置700进行管理和控制。管理控制装置700进行管理和控制的一个具体例子是应用互联网标准RFC 1157中定义的SNMP(简单网络管理协议)。

SNMP包括执行管理的SNMP管理器、被管理的SNMP代理和作为基本要素的MIB(管理信息库)。SNMP具有五种功能，即配置管理(作为数据库管理网络设备、服务器、接口和服务的信息)、性能管理(收集网络流量、错误数、数据包丢失数等信息，以管理网络的整体性能)、故障管理(检测网络或设备的故障，并提供故障处理信息)、账单管理(记录和管理每个用户对网络资源的使用情况)和保密管理(监控未经授权的访问和入侵，并控制授权之外的访问)。

MIB通过具有唯一编号的树状结构对象标识符OID(对象标识符)来标识和保存SNMP代理管理的信息。有轮询和陷阱两种方法：轮询由SNMP管理器发出请求，由SNMP代理返回响应，其中包括信息获取请求(GetRequest)、响应(GetResponse)、配置更改请求(SetRequest)等命令。在捕获过程中，检测到异常情况的SNMP代理会将事件通知SNMP管理器(SNMP-Trap)。

例如，如果SNMP管理器想获得某个设备接收到的单播数据包的数量，就会通过IP地址指定一个SNMP代理，并从根(.)开始追踪树状结构中的OID，在GetRequest(.1.3.6.1.2.1.2.2.11:NULL)中进行查询，相关SNMP代理通过GetResponse(.1.3.6.1.2.1.2.1.11:4937832)返回响应。可以同时指定多个项目作为查询目标。

管理控制装置700-760充当各自管理目标的SNMP管理器，而已分配IP地址并对其进行管理的浮式海上发电站100、太阳能电池板110和第一至第三能量转换装置210-230则充当SNMP代理。扩展的MIB控制可再生能源供应系统10的每个组件(浮式海上发电站100和100万块太阳能电池板110、电池板外壳112、太阳能电池组件113、压缩空气罐115、电路箱116、近耦合自动耦合器117、双向隔离DC-DC转换器141、能量转换装置210-230、能量载体储存装置240、能量转换供应装置250、海底电缆300、海上风力发电站400、供应目的地设施500、运输和装配机器人600-630和各种组件部件等)以及需要管理的信息(太阳辐射、洋流速度/方向、风力/风向、使用GPS的当前位置/方向信息、倾斜/震动/冲击、下潜深度、监控摄像机图像、空气温度/海水温度/海水箱温度/太阳能电池组件背面的温度、耦合器内的湿度/残余盐度、发电功率[W]、单位时间内的能量输入/输出/消耗/不足[W、kg/秒-H₂、kL/秒-NH₃等]、发电量/传输量[Wh]、能量载体输入/输出量[kg、kL、kJ、kcal]等)。使用唯一的编号来识别，并由相应的SNMP代理维护。

在这里，管理控制装置700负责整个可再生能源供应系统的整体管理和控制。管理控制装置710管理和控制浮式海上发电站100、管理控制装置720管理和控制能量载体系统200、管理控制装置730管理和控制海底电缆300、管理控制装置740管理和控制海上风力发电站、管理控制装置750管理和控制供应目的地设施，以及管理控制装置760管理和控制运输和装配机器人600。

例如，管理控制装置710在检测到浮式海上发电站100的发电量相对于太阳辐射正在下降时，使用GetRequest命令首先查询大型聚合体LC，然后查询中型聚合体MC，最后查询小型聚合体SC，管理控制装置710据此确定哪个太阳能电池板110中的哪个太阳能电池组件发电量下降。然后，管理控制装置710使用SetRequest命令请求管理控制装置760更换故障太阳能电池板110F。收到请求后，管理控制装置760使用SetRequest命令从维护基地调度装有替换太阳能电池板110的运输和装配机器人610，并使用SetRequest和GetRequest命令管理和控制装有人工智能的运输和装配机器人610，以便用太阳能电池板110替换发电量下降的太阳能电池板110F。

当管理控制装置750通过SNMP-Trap通知得知作为供应目的地设施500之一的交流电源系统供电过量时，会使用SetRequest命令将过量的电量发送给管理控制装置720。管理控制装置720会指示能量转换装置210将产生的电能转移到能量转换装置220以产生氢气，并在能量转换装置230中将产生的氢气转换为能量载体，然后储存到能量载体储存装置250中。如果所管理的能量载体储存装置250的储存容量已满，管理控制装置720会使用SetRequest命令要求管理控制装置700查找可用的能量载体储存装置。收到请求后，管理控制装置700会使用GetRequest命令询问其管理的另一个管理控制装置720或链接方的管理控制装置700，并使用SetRequest命令指示将能量载体通过管道输送到可用的能量载体储存装置250。

当台风来临，浮式海上发电站100有可能受损时，管理控制装置700使用SetRequest命令指示管理浮式海上发电站100的管理控制装置710下潜，同时使用SetRequest命令指示管理控制装置720在下潜时采取行动。管理控制装置720指示浮式海上发电站100从能量载体储存装置240中取出能量载体，在能量转换供应装置250中将能量载体转换为直流电，并通过海底电缆300将电能传输到浮式海上发电站100。这些联动装置可防止浮式海上发电站100受到损坏，即使在下潜时，也能使GPS接收器143、推进装置131和舵装置132能够运行，从而固定在预定位置并保持预定方位或方向。

当能量载体系统200从通信日志记录中检测到未经授权的访问(经常出现无法验证真实性和完整性的数据包)时，则会使用SNMP-Trap命令将未经授权的访问与通信日志记录一起通知管理控制装置720。管理控制装置720从通信日志记录中生成包含非授权访问源IP地址、目标IP地址和目标端口号的处置请求信息，并使用SetRequest命令将该信息发送至管理控制装置700。当管理控制装置700使用专用命令向非授权访问源IP地址发送报文时，离非授权访问源最近且能处理报文的路由器将从此阻止非授权访问数据包的转发。

此外，尽管真实性和完整性验证是可再生能源供应系统10网络安全的基础，但如果在供应链流程中嵌入恶意软件等，就有可能发起绕过真实性和完整性验证的网络攻击。作为应对措施，由于可再生能源供应系统10的大多数组件都是物联网(IoT)设备，因此可以通过路由器或其他设备限制通信伙伴来防止未经授权的数据包(例如与C&C服务器的通信)。通过路由器和其他设备阻止这些未经授权的数据包的具体例子包括日本专利第6683480号、第6737610号、第6780838号和第6896264号。

从上述第0141至0146段的多个示例中可以看出，一旦可再生能源供应系统10投入运行，就可以全年365天、每天24小时不间断地运行，并持续以预定的能源形式向供应目的地设施500供应能源。管理控制装置700-760可以通过机器学习数据来执行管理和控制。尽管前文第0141至0146段描述了管理和控制是基于SNMP执行的，但也可以定义适合人工智能的独自的命令、MIB和OID。

如第0141至0146段所述，在发送和接收与第0143至0146段中的命令有关的数据包时，要使用验证码，以便在接收端至少验证传输源的真实性和传输内容的完整性。

可再生能源供应系统的成本估算

根据“规模经济”原理，固定成本包括研发费用、生产设备折旧等，一般来说，如果产量增加一倍，成本将降低约30％。相比之下，可变成本包括原材料、劳动力成本等。就原材料而言，即使产量增加一倍，成本也只能降低5％至10％。由此可以得出以下结论。

(i)由于规模经济效应，发电量越大，单位发电成本越低。

(ii)生产量越大，投资研发和制造设备就越有利可图，可以用更便宜的原材料生产高性能产品。

(iii)制造和建设所需的劳动力成本也可以通过引进机器人来解决，因此适用于出生率下降和人口老龄化社会中运营的产业。

根据上述结论开发浮式海上发电站100和能量载体系统200，固定成本的比例将提高，反之，可变成本的比例将降低，从而最大限度地发挥规模经济的效应。浮式海上太阳能发电站发电效率高，可在海上大量生产，无需场地购买成本，也无需原油或液化天然气等燃料成本，通过扩大规模，与目前的可再生能源和其他一次能源相比，具有足够的成本竞争力。这意味着，尽管目前的可再生能源是以分散方式推广的，但大规模生产在经济上更具优势。

图24示出了基于当前组件价格的估算模型，其中说明了初始浮式海上发电站100的设备成本(2.48万亿日元/电站)及其分解比率、能量载体系统200的相应设备成本、建造、维护和运营成本、单位电价以及扩大规模的经济效应。

在浮式海上发电站100中，仅太阳能电池就占了成本的54％，而海底电缆仅占6％。由于能量载体系统200由已有的技术和设备构成，不需要太阳能电池等昂贵的设备，因此能量载体系统200的设备成本仅为浮式海上发电站100的一半。建造成本设定为设备总成本的10％(3700亿日元)，包括与配备人工智能的机器人相关的成本，这是基于将使用运输和装配机器人600的假设。将这些成本除以30年的使用寿命，折旧费用为1,364亿日元/年。其他维护和运营成本以及运营收入假定为表中所示的比率和成本。将这些年度成本除以单个浮式海上发电站5.71TWh的发电量，得出的单位电价为33日元/kWh。

在基于这些因素的规模扩张经济效应估算模型中，假设按照上一节中的(i)至(iii)尽可能提高固定成本比率，可变成本比率和固定成本比率均设定为50％。产量增加一倍时可变成本的规模经济效应指数α设为0.95～0.9(产量增加一倍，可变成本下降5～10％)，固定成本的同一指数β设为0.7(下降30％)。

图25示出了该估算模型对浮式海上发电站100单位发电成本的估算结果。经过五年的研发和试运行，到2026年开始安装时，100座浮式海上发电站100的固定成本将降至3％以下，总成本将几乎全部由可变成本构成。那么，日本将在2035年左右实现无碳状态，届时总发电量将增加到日本的一次能源水平TPESj，单位电价将为6.3-10.4日元/kWh，与欧洲和美国目前的水平相当。此外，如果在2050年将发电量提高到预计的全球一次能源需求量2TPESj(326PWh)，实现全球无碳将成为现实，单位电价将降至3.2-7.4日元/KWh。需要注意的是，像第0074至0077段所述的钢铁行业，如果不使用能量载体系统200而直接从浮式海上发电站100获取直流电，则单位电价约为使用能量载体系统200获取直流电的单位电价的2/3。顺便一提，2019年工业太阳能发电的销售价格约为14日元/kWh，但随着可再生能源的战略性引入，就有可能以远低于当前电价的价格供应能源。

而且，如果在引入可再生能源供应系统10以实现无碳排放的同时，促进捕获预计可在大气中存留数千年的温室气体(如CO₂和甲烷气体)，就能在2100年之前实现《巴黎协定》的目标，即“将全球平均气温比工业革命前的水平的升幅限制在1.5℃以下”。

作用和效果

在如上所述配置的可再生能源供应系统10的一个实施例中，浮式海上发电站100产生不会排放CO₂，但输出功率不稳定且无法大量和长期储存的可再生能源，其数量足以满足国家以及全球的总能源需求。第一能量转换装置210、第二能量转换装置220和第三能量转换装置230将产生的电能转换为能量载体，并储存在能量载体储存装置240中，例如，最多可储存6个月。能量转换供应装置250将从上述任一装置输出或取出的能量转换成适合供应目的地设施500的能量形式，从而实现几乎所有一次能源的无碳化。

管理控制装置700-760相互连接并进行管理和控制，使可再生能源供应系统10能够全年365天、每天24小时运行，持续供应能源。

此外，在如上所述配置的可再生能源供应系统10的一个实施例中，通过使用基于TCP/IP的数据包通信，并允许接收端验证传输源的真实性和传输内容的完整性，不会为针对可再生能源供应系统10网络攻击提供空间，从而确保了能源安全。

在如上所述配置的可再生能源供应系统10的一个实施例中，可根据供应目的地设施500的特点，选择液化氨、甲基环己烷、液化氢和高压氢气作为可稳定储存的能量载体。其中，液化氨或甲基环己烷的体积和质量能量密度高，可在室温下长期大量储存，例如可储存长达6个月，这样就有可能将每天、每季和异常天气条件下发电量变化很大的可再生能源作为能源基础设施。

此外，在如上所述配置的可再生能源供应系统10的一个实施例中，可通过能量转换供应装置250实现各行各业的无碳化，该装置可有效地将可再生能源衍生的能量转换为适合各供应目的地设施500的能量形式，并稳定而廉价地供应能量。供应目的地设施500包括交流电源系统、高压直流电源系统、火力发电站中的NH₃单燃发电机和NH₃混燃发电机、氢燃发电机、机场中需要高纯度液化氢的液化氢储罐、为燃料电池汽车提供高纯度氢燃料的氢气站、使用NH₃专用燃烧发动机的船舶进出进出港口和码头的NH₃储罐，以及进行氢还原炼钢的高炉。

此外，在如上所述配置的可再生能源供应系统10的一个实施例中，虽然主要使用被认为是日本发电能力最高的浮式海上发电站100，但它与使用其他可再生能源的发电站共存，增加了可再生能源资源的多样性，消除使用可再生能源资源发电的时变性和季节不均衡性，并通过提高能量载体系统200的利用效率，实现低成本能源的稳定供应。

在如上所述配置的可再生能源供应系统10的一个实施例中，构成浮式海上发电站100的每块太阳能电池板110本身都具有浮体的功能，相邻的太阳能电池板110之间可以在垂直方向上相互摆动，从而使浮动式海上发电站100具有坚固的结构，可以抵御海啸、海浪和洋流。

这样就有可能实现传统技术无法实现的大面积浮式海上电站100。因此，通过将一个或多个这种大规模、大面积的浮式海上发电站100安装在年平均太阳辐射较高的海上位置，就有可能实现大量的可再生能源生产，即海上太阳能发电，从而满足一个国家甚至整个地球的能源需求。

在海上，需要考虑海啸、海浪和洋流的影响。在这种情况下，由于海啸的特性，其影响会随着水深变浅、离陆地越来越近而增大，但在水深50米或更深的近海，即使发生海啸，海面也只会重复上下运动，波长在几千米到几百千米之间，周期为几十分钟，对这种利用漂浮物建造的浮式海上发电站100没有明显影响。

此外，虽然台风和其他事件产生的海浪波长从几十米到几百米不等，浪高可达20米，但如上所述配置的浮式海上发电站100的一个实施例中的太阳能电池板110的共振波长比海浪的波长短得多，因此浮式海上发电站100不会因与海浪共振而遭到破坏。

此外，在如上所述配置的浮式海上发电站100的一个实施例中，通过将海水W注入每个太阳能电池板110的电池板外壳112并将其排出，可以下潜到预定的下潜深度或浮出海面来避免巨型台风的破坏力。

因此，海上风浪不大时，浮式海上发电站100可漂浮在海面上运行，而在风浪较大时，可通过向每个太阳能电池板110注入海水W，使其下潜到预定的下潜深度，以避免风浪造成的损坏。

在洋流方面，即使在最大流速约为7米/秒的黑潮和台风的影响之下，本实施例中的浮式海上发电站100若要固定在在预定位置并保持预定方位或方向，也需要有推力才能抵抗这种流速和强风的影响。在本实施例中，配备了GPS接收器143、推进装置131和舵装置132，使发电站100能够在黑潮等洋流和强风面前保持预定的方位或方向。

根据浮式海上发电站100的一个实施例，相邻的太阳能电池板110通过万向接头119和设置在平面图中每个太阳能电池板110的顶点110a上的弹性减震部件111弹性连接，使相邻的太阳能电池板110之间可以在防止相互碰撞的同时沿垂直方向上摆动，从而为浮式海上发电站100提供了一种可抵御海啸、海浪和洋流的灵活而坚固的结构。

根据浮式海上发电站100的一个实施例，在相邻的太阳能电池板110中，电池板外壳112通过设置在每个太阳能电池板110平面视角边缘110b上的近耦合自动耦合器117相互机械连接，电池板外壳112内的电气元件相互电气连接。

另外，根据浮式海上发电站100的一个实施例，由于近耦合自动耦合器117上设有用于从电池板外壳112内部排出海水W的压缩空气管道连接装置127A和127B，因此可通过近耦合自动耦合器117向太阳能电池板110提供压缩空气，从而使太阳能电池板110从下潜状态升起，并可同时向相互连接的多个太阳能电池板110提供压缩空气。

另外，根据浮式海上发电站100的一个实施例，由于近耦合自动耦合器117上设有浮筒135，用于在潜水期间将太阳能电池板110的水深保持在恒定深度，因此通过向太阳能电池板110的电池板外壳112中注入海水W，可使浮式海上发电站100潜入水中，并通过压缩空气供应通道134向浮筒135输送压缩空气，使浮筒135膨胀，可使浮式海上发电站100保持恒定的潜水深度。

根据浮式海上发电站100的一个实施例，近耦合自动耦合器117具有电源路径连接器126A和126B，用于电连接相邻太阳能电池板110的电源路径，以及控制电路，用于当相邻太阳能电池板110发生故障时，控制与另一个相邻太阳能电池板110的电源路径的连接切换。因此，控制电路会自动绕过发生故障的太阳能电池板110F，即自动确定一个仅由未发生故障的太阳能电池板110组成的旁路路径BR，并通过通知与发生故障的太阳能电池板110F相邻的太阳能电池板110切换路径，将电源路径切换到旁路路径BR，从而使浮式海上发电站100的电力传输得以继续。

另外，根据浮式海上发电站100的一个实施例，近耦合自动耦合器117上设有通信路径连接器125A和125B，用于连接相邻太阳能电池板110的通信路径，以实现分组通信，从而在浮式海上发电站100中形成分组通信网络，该网络由相邻太阳能电池板110的通信路径连接而成。

根据浮式海上发电站100的一个实施例，浮式海上发电站100包括由多个太阳能电池板110相互电连接串联形成的小型聚合体SC、由多个小型聚合体SC相互电连接隔离串联形成的中型聚合体MC以及由多个中型聚合体MC相互电连接树状结构并联或并联形成的大型聚合体LC。

通过小型聚合体SC内部的串联和中间电位点的接地，施加到太阳能电池组件113上的最大电压可限制在±2.6kV。通过与小型聚合体SC内不同的电源路径连接器将小型聚合体SC隔离串联连接，可将中型聚合体MC内的电压提升至±250kV，但这一高压不会直接施加到太阳能电池组件113上。因此，通过分别使用适当的绝缘材料对太阳能电池组件113、电路箱116和电源路径连接器126A和126B进行绝缘和保护，整个太阳能电池板110可实现电气连接，而无需过多的绝缘保护。

然后，通过在大型聚合体LC内以树状结构并联连接多个中型聚合体MC的输出，分散流经树状结构并联连接电源路径153⁺、153^-和154⁺、154^-的电流，并将大型聚合体LC的最大输出电流约6kA限制在仅容纳汇流节点154^N+和154^N-的太阳能电池板110和海底电缆300上。因此，可以尽可能减少整个浮式海上发电站100的铜用量。

根据可再生能源供应系统10的一个实施例，可再生能源供应系统10中的通信方式是基于TCP/IP的数据包通信方式，其中128位长IPv6地址空间的一部分被分层分配给用于标识浮式海上发电站100的地址、用于标识大型聚合体LC的地址、用于标识中型聚合体MC的地址、用于标识小型聚合体SC的地址和用于标识太阳能电池板110的地址。从而可以使用多个可再生能源供应系统10中的大量太阳能电池板110作为通信节点，用于大量通信节点之间的信息交换，实现有序的通信环境。

根据可再生能源供应系统10的一个实施例，可再生能源供应系统10的每个组件都根据在可再生能源供应系统10中的分层位置分配了一个标识符或物理地址和一个逻辑地址，这样就能高效处理能源供应系统10内部的路由。

根据可再生能源供应系统10的一个实施例，每个组件之间的通信都是通过带有验证码的数据包通信进行的，以验证传输源的真实性和数据包的完整性，这使得在可再生能源供应系统10中构建一个安全的数据包通信环境成为可能。

此外，在根据浮式海上发电站100的一个实施例中，还设有用于获取当前位置和方位的GPS接收器143，并且在位于浮式海上发电站100外围的太阳能电池板110E上设有推进装置131和舵装置132，因此即使在洋流、海浪和风的影响下，也能控制浮式海上发电站100保持在预定位置和方位。由于浮式海上发电站100是由多个太阳能电池板110连接而成，这些太阳能电池板110在平面上大致呈六边形，从平面图上看，这些太阳能电池板110连接成蜂巢结构，从而使推进装置131和舵装置132的推力分布在整个浮式海上发电站100中。因此，可以防止由于推进装置131和舵装置132的推力集中在浮式海上发电站100的某一部分而导致设备结构坍塌。

此外，根据浮式海上发电站100的一个实施例，浮式海上发电站100周围设置了若干浮式灯塔136，以便让在浮式海上发电站100附近航行的船只能够意识到灯塔的存在，从而确保船只的航行安全，防止船只碰撞而损坏浮式海上发电站100。

根据浮式海上发电站100的一个实施例，浮式海上发电站100中相邻太阳能电池板110的电池板外壳112相互机械连接，并提供一个多功能连接器124，用于将电池板外壳112中的电气元件彼此电连接。通过近耦合自动耦合器117，可自动完成相邻的太阳能电池板110之间的连接以及连接和释放操作。这样，就可以通过多个运输和装配机器人600在海上组装浮式海上发电站100。

此外，还可使用运输和装配机器人600更换故障太阳能电池板110。

此外，在海上组装时必须格外小心，因为当±250kV高压电源路径在近耦合自动耦合器177内耦合时，海水成分可能会渗入通路，这可能会在海上发电站投入运行后造成严重的绝缘击穿。要运输到预定海域进行组装的太阳能电池板110的电池板外壳112内的压缩空气罐115中预先装满了压缩干燥空气，在耦合过程中，压缩干燥空气用于吹除近耦合自动耦合器177和多功能连接器124内的海水成分，从而防止耦合器内的绝缘击穿。

在如第0171至0172段所述配置的浮式海上发电站100中，小型聚合体SC由100块太阳能电池板110组成，中型聚合体MC由100块小型聚合体SC组成，大型聚合体LC由100块中型聚合体MC组成，因此发电站100总共由100万块太阳能电池板110组成，从而使浮式海上发电站100在年平均太阳辐射为240W/m²的海域中的年平均发电量达到652MW/台。

在这种情况下，一座浮式海上发电站100的发电能力相当于一座大型燃气轮机联合循环(GTCC)发电机。按此规模配置，浮式海上发电站100的占地面积为28.1km²，每年可提供5.71TWh的电能。为了满足TPESj(日本一次能源消费总量)，将需要963座浮式海上电站100，这样，总面积达27,000km²(约为四国面积的1.4倍)的浮式海上电站100将能够生产相当于日本所有一次能源需求量的电能。

在这种情况下，通过总长度约为1,500km的海底电缆将电能从浮式海上发电站100传输到日本的陆上能量载体系统200，但由于电能是通过直流电传输的，因此不存在电容或介质损耗，而且如第0056和0113段所述，每千米的传输损耗可以保持在3％的极低水平。

因此，如果根据本实施例的可再生能源供应系统10和浮式海上发电站100部署在日本全国，甚至南北纬30°以内的海域，该系统10和发电站100将提供非常高效、无碳、大规模的电力和能源供应，可以满足全球一次能源的总需求，这将对全球变暖产生巨大的遏制作用。

本发明并不局限于第0151至0176段所述的实施例。例如，在第0171至0175段所述的实施例中，太阳能电池板110在平面图上近似为六边形，但作为形成平面填充形状的太阳能电池板110，也可以在平面图上近似为矩形，或在平面图上近似为平行四边形，或在平面图上近似为三角形。在这种情况下，太阳能电池板110可以以尽可能紧凑的方式放置。这样，浮式海上发电站100的顶面，即朝向太阳的一面，就能最大限度地由太阳能电池板的受光面构成。因此，浮式海上太阳能发电站的结构可以最大限度地提高发电效率。

此外，通过将相邻的太阳能电池板110之间的间距从50厘米扩大到五倍大的2.5米，或将相邻的小型聚合体SC之间的间距扩大到50米，并在每个小型聚合体SC(边长约53米)上提供固定功能，或将相邻的中型聚合体MC之间的间距扩大到530米，并在每个中型聚合体MC(边长约530米)上提供固定功能等措施，可将浮式海上发电站100所在海域的阳光照射面积覆盖率提高到约50％。这样可以防止浮式海上发电站100下的浮游植物因缺少阳光而减少，从而限制对鱼类和其他以浮游植物为食的生物的影响。

此外，在上述实施例中，多个多边形太阳能电池板连接成逻辑层次结构，在所述逻辑层次结构之间通过不同的电源路径连接器串联、或隔离串联、或并联、或树状结构并联。这些示例可提供以下功能：

太阳能发电功能，可产生预定的直流电，并通过海底电缆传输电能；

控制功能，在自身太阳能电池板或相邻太阳能电池板出现故障时，通过未使用的电源路径连接器切换到其他太阳能电池板，以形成旁路路径；

下潜和上浮功能，通过向太阳能电池板的电池板外壳内注水，将浮式海上太阳能发电站下潜到预定的下潜深度，并通过从太阳能电池板的电池板外壳内排水，使浮式海上太阳能发电站在下潜状态上浮；

耦合功能，通过连接相邻的太阳能电池板形成浮式海上太阳能发电站，在太阳能电池板的每一侧或部分设有机械耦合器，使相邻的电池板外壳至少在垂直方向上相互摆动，并设有容纳部分或全部电源路径连接器、通信路径连接器和压缩空气管道连接器的耦合器；

减震功能，通过在太阳能电池板的部分或全部平面顶点处设置弹性减震部件，以吸收意外冲击，防止太阳能电池板因海面波动而上翘；

当前位置和方向测量功能，用于测量浮式海上太阳能发电站的当前位置和方向；

推进和转向功能，使浮式海上太阳能发电站固定在预定位置和方向上；

非发电期间的静止维护功能，用于在夜间或潜水时接收通过海底电缆传输的电能，并利用所述推进和转向功能使浮式海上太阳能发电站固定在预定位置和方向上；

数据包通信功能，用于根据第0178段开头所述逻辑层次结构发送和接收带有物理地址和逻辑地址的数据包；

安全通信功能，用于发送和接收带有验证码的数据包，验证码允许接收端验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性；

压缩空气生成功能，用于生成压缩空气，并通过压缩空气管道和压缩空气管道连接器将压缩空气供应给其他太阳能电池板的压缩空气罐，以便向电池板外壳注水和排水，从而将浮式海上太阳能发电站下潜至预定下潜深度；

浮式灯塔功能，利用灯光、无线电波或声波中的部分或全部来使在所述浮式海上太阳能发电站周围的人知道其存在。尽管如此，本发明并不局限于上述实施例，可在本发明要旨的范围内进行适当修改。

Claims (11)

1.一种可再生能源供应系统，该系统通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，以向所述设施供应能源，所述可再生能源供应系统包括：

一个或多个利用可再生能源发电的发电站；

一个或多个第一能量转换装置，用于稳定所述发电站产生的电能；

一个或多个第二能量转换装置，利用所述第一能量转换装置输出的电能产生氢气；或一个或多个第三能量转换装置，将所述第二能量转换装置输出的氢气转换为可稳定储存的能量载体；或一个或多个能量载体储存装置，储存所述第三能量转换装置转换的能量载体的预定量；

一个或多个能量转换供应装置，将从所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置或所述能量载体储存装置中的任何一个装置输出或取出的能量转换成适合一个或多个供应目的地设施的能量形式，以向所述设施供应能量；以及

一个或多个管理控制装置，用于管理和控制所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置和所述供应目的地设施中的至少部分或全部。

2.根据权利要求1所述的可再生能源供应系统，其中所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置、所述管理控制装置以及所述供应目的地设施中的部分或全部都被分配了一个逻辑地址，用于基于TCP/IP的数据包通信，其中信息通过附加验证码的安全通信进行交换，所述验证码允许接收端至少验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的可再生能源供应系统，其中所述能量载体是液化氨、甲基环己烷、液化氢或氢气中的至少一种。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的可再生能源供应系统，所述能量转换供应装置包括以下至少一项：

将所述第一能量转换装置输出的电能转换成预定直流电以向直流电源系统供电的功能；

将所述第一能量转换装置输出的电能转换成预定交流电以向交流电源系统供电的功能；

将所述第二能量转换装置输出的氢气转换成预定的液化氢，以向所述供应目的地设施供应液化氢的功能；

将所述第二能量转换装置输出的氢气加压至预定压力，以向所述供应目的地设施供应氢气的功能；

将所述第三能量转换装置输出的能量载体转换成不同能量载体，以向所述供应目的地设施供应不同能量载体的功能；

利用从所述能量载体储存装置中取出的能量载体产生预定的直流电，向直流电源系统提供直流电的功能；

利用从所述能量载体储存装置中取出的能量载体产生预定的交流电，向交流电源系统提供交流电的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换成预定的氢气，以对氢气进行加压，并将氢气供应给所述供应目的地设施的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换成预定的液化氢，以将液化氢供应给所述供应目的地设施的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换为预定能量载体，以向所述供应目的地设施供应能量载体的功能；

将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体调整到预定流速和流压，以向所述供应目的地设施供应能量载体的功能；或

电力输出指示功能，当向所述供应目的地设施供应的能量过剩时或者按照预定计划，指示所述第一能量转换装置将从所述第一能量转换装置输出的部分或全部电能输出到所述第二能量转换装置。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的可再生能源供应系统，其中所述发电站由浮式海上太阳能发电站组成。

6.根据权利要求5所述的可再生能源供应系统，包括

一个或多个利用其他可再生能源发电的发电站，以消除所发电量的时变性和季节不均衡性，并降低所述能量载体储存装置所储存的预定量的上限。

7.根据权利要求6所述的可再生能源供应系统，其中利用其他可再生能源发电的发电站至少是以下其中之一：陆上太阳能发电站、系泊式海上或水上太阳能发电站、陆上海上风力发电站、系泊式海上风力发电站、浮式海上风力发电站、地热发电站或中小型水力发电站。

8.一种浮式海上太阳能发电站，漂浮在接收太阳辐射超过预定年均值且水深大于预定水深的海域中，所述浮式海上太阳能发电站包括多个多边形太阳能电池板连接起来形成一个逻辑层次结构，所述多边形太阳能电池板包括以下至少一项：

太阳能发电功能，通过海底电缆产生和传输预定的直流电，太阳能电池板通过不同的电源路径连接器分别在所述逻辑层次结构的各层之间串联、或隔离串联、或并联、或树状结构并联连接；

控制功能，当自身太阳能电池板或相邻太阳能电池板出现故障时，通过未使用的电源路径连接器切换到其他太阳能电池板，形成旁路路径；

下潜和上浮功能，通过向太阳能电池板的电池板外壳内注水，将浮式海上太阳能发电站下潜到预定的下潜深度，并通过从太阳能电池板的电池板外壳内排水，使浮式海上太阳能发电站在下潜状态下上浮；

耦合功能，通过连接相邻的太阳能电池板形成浮式海上太阳能发电站，在每一侧或部分太阳能电池板上设有机械耦合器，允许相邻电池板外壳之间至少垂直摆动，并设有容纳部分或全部电源路径连接器、通信路径连接器和压缩空气管道连接器的耦合器；

减震功能，用于通过在太阳能电池板的部分或全部平面顶点处设置弹性减震部件，以吸收意外冲击，防止太阳能电池板因海面波动而上翘；

当前位置和方向测量功能，用于测量浮式海上太阳能发电站的当前位置和方向；

推进和转向功能，用于使浮式海上太阳能发电站固定在预定位置，并保持预定的方位或方向；

非发电期间的静止维护功能，用于在夜间或潜水时接收通过海底电缆传输的电能，利用所述推进和转向功能将浮式海上太阳能发电站固定在预定位置和方向上；

数据包通信功能，用于发送和接收根据权利要求2所述逻辑层次结构分配了物理地址和逻辑地址的数据包；

安全通信功能，用于发送和接收带有验证码的数据包，验证码允许接收端验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性；

压缩空气生成功能，用于生成压缩空气，向电池板外壳注水和排水，将浮式海上太阳能发电站下潜至预定下潜深度，并通过压缩空气管道和压缩空气管道连接器将压缩空气供应给其他太阳能电池板的压缩空气罐；

浮式灯塔功能，利用灯光、无线电波或声波中的部分或全部，在浮式海上太阳能发电站周围显示自己的存在。

9.根据权利要求8所述的浮式海上太阳能发电站，其中所述太阳能电池板在平面图上大致呈六边形，所述浮式海上太阳能发电站包括多个所述太阳能电池板，所述太阳能电池板相互连接，在平面图上形成蜂巢结构。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的浮式海上太阳能发电站，其中，所述浮式海上太阳能发电站的建造包括：通过多台起重机将所述太阳能电池板从将所述太阳能电池板运输到预定海域的运输船上下放到海洋上；

根据附在所述太阳能电池板上的标识符和所述浮式海上太阳能发电站的配置信息，使用一个或多个专用于所述逻辑层次结构各层的运输和装配机器人，在所述逻辑层次结构各层同时组装作为所述逻辑层次结构各层组成部分的太阳能电池板或所述逻辑层次结构下层的一组太阳能电池板；

在组装过程中，通过向耦合器中注入预装在所述太阳能电池板中的压缩空气罐内的压缩干燥空气来擦除海水成分，并将所述太阳能电池板与预定的相邻太阳能电池板紧密连接。

11.一种可再生能源供应方法，通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，以向所述设施供应能源，该方法包括以下步骤：

由一个或多个发电站利用可再生能源发电；

通过一个或多个第一能量转换装置稳定所述发电站产生的电能；

通过一个或多个第二能量转换装置利用所述第一能量转换装置输出的电能产生氢气，或通过一个或多个第三能量转换装置将所述第二能量转换装置输出的氢气转换为可稳定储存的能量载体，或将所述第三能量转换装置转换的能量载体储存在一个或多个能量载体储存装置中，储存量达到预定量；

将从所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置或所述能量载体储存装置中的任一装置输出或取出的能量转换成适合一个或多个供应目的地设施的能量形式，以通过一个或多个能量转换供应装置向所述设施供应能量；

通过一个或多个管理控制装置，管理和控制至少部分或全部所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置和所述供应目的地设施。