CN117967511A - 一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，包括给水模块、制氢模块、储氢模块和电力模块，给水模块、制氢模块、储氢模块均与电力模块连接，制氢模块与储氢模块通过管道连接；给水模块通过循环水管连通制氢模块、储氢模块以及电力模块；给水模块包括第一冷却单元和第二冷却单元，第一冷却单元与第二冷却单元均设置于循环水管上，第一冷却单元电性连接供电设备；第二冷却单元通过水力和/或风力作用冷却水循环；第一冷却单元和第二冷却单元协同配合，使循环水管内冷却水持续换热。本发明能够保证系统各模块的持续热交换，提高能源的利用率、系统整体的运行效率和稳定性，有效降低风力发电随机性和间歇性对系统的影响。

Description

一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统

技术领域

本发明涉及海上风电制储氢技术领域，特别是涉及一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统。

背景技术

海上风电作为我国新兴产业发展迅猛，其广阔的发展前景在推进能源结构转型中发挥了至关重要的作用。目前随着风电装机量的猛增，风电发展的问题也逐渐显现，不可控的风能使得风力发电存在较大的随机性和间歇性。其中，当风电产能过剩时，易出现弃风弃电的情况，造成资源浪费；当风电产能不达标时，易造成电网调度困难。为了更好的利用海上风能资源，需要改变储能方式或改变能源转化方式。

目前比较有前景的是利用海上风力发电制氢，风电制氢储能技术相对于其他储能方式具有高容量、易运输、无污染的优点。然而，当风力发电完全用于制氢时，需要综合考虑电能消耗，在电解水制氢设备消耗一部分电能的同时，储氢设备和其余辅助设备同样作为耗电设备消耗一部分电能，这将影响风力发电电能的利用率，进而限制了海洋风能资源大规模送出。由于辅助设备中的冷却设备是整个系统正常运行的关键设备之一，冷却设备的电能供给需要持续进行，但在风机发电的随机性和间歇性特点下，易出现电能供给不稳定。传统技术通过配置储能设备（如氢气燃料电池）为冷却设备辅助供电，但该方式同样出现能源二次转换的耗能问题。

此外，授权公告号为“CN219637861U”，名称为“一种适用于海上风电的模块化制氢平台”的中国实用新型专利具体公开了，“包括设于海床上制氢平台本体和设于制氢平台本体顶部的制氢设备，制氢平台本体包括钢管桩、导管架、转化层结构和预制式集装箱，钢管装设于海床中，导管架与出露海床部分的钢管桩相连接，转化层结构与导管架相连接，预制式集装箱设于转化层结构顶部的甲板上，导管架的内侧设有海水提取管和电缆保护管，制氢设备包括变电控制模块、用于电解淡化的海水制备氢气的制氢模块、用于氢气提纯的氢气纯化模块、用于氢气压缩的氢气压缩模块、用于氢气装瓶的氢气瓶组模块和用于氢气外输的输氢模块”，该实用新型未考虑风机发电随机性和间歇性的影响，同时也未考虑风机停转风能断供的情况下的冷却设备运转模式和能源利用率。

因此，亟需提供一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电平台，以实现较少耗电支出的同时提高整个风电平台的运行效率和稳定性，并有效减小风力发电随机性和间歇性对风电平台的影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统。

本发明提出一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，包括设置于海上的制储氢平台上的给水模块、用于制备氢气的制氢模块、用于储存氢气的储氢模块和用于向各模块供电的电力模块，所述给水模块、所述制氢模块、所述储氢模块均与所述电力模块连接，所述制氢模块与所述储氢模块通过管道连接；所述给水模块通过循环水管流经所述制氢模块、所述储氢模块以及所述电力模块；所述给水模块包括第一冷却单元和第二冷却单元，所述第一冷却单元与所述第二冷却单元均设置于所述循环水管上，所述第一冷却单元电性连接供电设备以冷却水循环；所述第二冷却单元通过水力和/或风力作用冷却水循环；通过所述第一冷却单元和所述第二冷却单元的启停配合，使所述循环水管内的冷却水持续换热。

优选地，所述第一冷却单元包括第一水泵，所述第一水泵与所述供电设备电性连接；其中，所述供电设备包括所述电力模块和移动电源。

优选地，所述第二冷却单元包括风扇、第二水泵、水轮机和第三水泵，所述风扇设置于所述制储氢平台上，所述第二水泵设置于水面上方的循环水管的支段上，所述风扇与所述第二水泵连接，使所述风扇转动带动第二水泵运转；所述第三水泵设置于位于水面下的循环水管的支段上，所述水轮机与所述第三水泵连接，使所述水轮机旋转带动所述第三水泵运转。

优选地，所述循环水管设有用于监测冷却水温度和流量的控制模块，当风机发电出现随机性和间歇性时，所述控制模块控制所述第一冷却单元启停，使所述第一冷却单元与风机发电达到动态匹配。

优选地，所述控制模块包括第一控制单元和第二控制单元，所述第一控制单元设置于流入所述储氢模块的循环水管的支段上；所述第二控制单元设置于流出所述储氢模块的循环水管的支段上。

优选地，所述系统还包括设置于所述制储氢平台上的应急模块，所述应急模块电性连接所述制氢模块、所述储氢模块和给水模块，以保证在应急情况下所述制氢模块、所述储氢模块和所述给水模块的电力供应；所述储氢模块通过管路与所述应急模块连接，用于应急供电以及平台调试供电。

优选地，所述系统还包括散热模块，所述散热模块设置于所述储氢模块与所述第二冷却单元之间且靠近所述储氢模块的位置处，并设置在所述循环水管的流经之路上；所述散热模块包括多层散热板，各所述散热板堆叠排列，所述循环水管在所述散热板多回路排布，使所述循环水管内的冷却水能够与海水充分换热。

如上所述，本发明涉及的一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，具有以下有益效果：

本发明通过第一冷却单元与第二冷却单元协同配合，以保证循环水管内冷却水的流动，使冷却水在制氢模块、储氢模块和电力模块之间进行循环流动。其中，当风力发电足量时，第一冷却单元主要由电力模块进行供电，以促进冷却水沿循环水管在各模块间流动；当风力发电出现随机性和间歇性导致风力发电不足时，通过供电设备作为补充能源以主动供电的方式为第一冷却单元进行供电，以保持冷却水沿循环水管流动。第二冷却单元以被动的方式通过水力和风力的作用实现冷却水的循环，无需消耗电力模块的电力供应。本发明通过第一冷却单元和第二冷却单元协同配合能够保证制储氢海上风电系统各模块的持续热交换，提高能源的利用率；在减少耗电支出的同时提高了系统整体的运行效率和稳定性，有效降低风力发电随机性和间歇性对系统的影响。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统。

图2为本发明一实施例提供的制储氢海上风电平台的结构示意图。

图3为本发明一实施例提供的给水模块的结构示意图。

附图标记说明：

100、制储氢平台；200、给水模块；210、第一冷却单元；211、第一水泵；220、第二冷却单元；221、风扇；222、第二水泵；223、水轮机；224、第三水泵；300、制氢模块；400、储氢模块；500、电力模块；600、循环水管；610、控制模块；611、第一控制单元；612、第二控制单元；700、供电设备；800、应急模块；900、散热模块；910、散热板。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-3所示，一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统的实施例，包括设置于海上的制储氢平台100上的给水模块200、用于制备氢气的制氢模块300、用于储存氢气的储氢模块400和用于向各模块供电的电力模块500，给水模块200、制氢模块300、储氢模块400均与电力模块500连接，制氢模块300与储氢模块400通过管道连接，以实现制氢模块300产生的氢气通过管道输送至储氢模块400中进行压缩储存；给水模块200通过循环水管600流经制氢模块300、储氢模块400以及电力模块500；给水模块200包括第一冷却单元210和第二冷却单元220，第一冷却单元210与第二冷却单元220均设置于循环水管600上，第一冷却单元210电性连接供电设备700以冷却水循环；第二冷却单元220通过水力和/或风力作用冷却水循环；通过第一冷却单元210和第二冷却单元220的启停配合，使循环水管600内的冷却水持续换热。

具体地，给水模块200还包括提升水泵和海水淡化纯化设备，使用时，通过提升水泵将海水提升至制储氢平台100上，然后将制储氢平台100上的海水输送至海水淡化纯化设备内，将海水进行过滤去除杂质形成去离子水。将其中一部分去离子水通过管道输送至制氢模块300内，由风力发电产生的电能电解水制备氢气，制氢模块300产生的氢气通过管路输送至储氢模块进行压缩储存。另一部分去离子水则作为冷却水输入循环水管600内，使该去离子水沿循环水管600流经制氢模块300、储氢模块400和电力模块500进行充分换热，避免系统过热。在系统运行过程中，首先以被动方式充分利用水力和/或风力，使水力和/或风力直接作用于第二冷却单元220，进而能够冷却水在循环水管600内的循环流动，实现减小风机发电的电能消耗。其次，采用通过供电设备700为第一冷却单元210主动供电，通过第一冷却单元210冷却水在循环水管600内的循环流动。

需要说明的是，当风机发电出现随机性和间歇性时，为了维持制储氢海上风电系统的持续冷却，需要第一冷却单元210和第二冷却单元220协同配合工作，通过控制第一冷却单元210和第二冷却单元220的启停，使第一冷却单元210和第二冷却单元220协同配合为制储氢海上风电系统持续进行换热处理，保证制氢模块300、储氢模块400和电力模块500准确和持续的运转，避免系统过热的同时，降低系统整体的电能损耗。

于一实施例中，如图1所示，第一冷却单元210包括第一水泵211，第一水泵211与供电设备700电性连接；其中，供电设备700包括电力模块500和移动电源。

具体地，当风机发电出现随机性和间歇性时，同时海上的风力和水力自然资源不足时，第一冷却单元210启动，通过供电设备700为第一冷却单元210进行供电，以保证冷却水在循环水管600内持续循环流动。其中，第一冷却单元210可以通过电力模块500（将风力发电产生的电能输送至各模块）供电，也可以通过蓄电池、氢燃料电池等移动电源作为补充能源为第一冷却单元210进行供能。

于一实施例中，如图1所示，第二冷却单元220包括风扇221、第二水泵222、水轮机223和第三水泵224，风扇221设置于制储氢平台100上，第二水泵222设置于水面上方的循环水管的支段上，风扇221与第二水泵222连接，使风扇221转动带动第二水泵222运转；第三水泵224设置于位于水面下的循环水管的支段上，水轮机223与第三水泵224连接，使水轮机223旋转带动第三水泵224运转。

具体地，当风机发电出现随机性和间歇性时，在风力和/或水力直接驱动下，使第二冷却单元220工作。其中，风力带动风扇221转动，风扇221带动第二水泵222运转，使位于水面上方的循环水管的支段内的冷却水循环流动。水力带动水轮机223转动，水轮机223带动第三水泵224运转使位于水面的循环水管的支段内的冷却水循环流动。

于一实施例中，如图1所示，循环水管600设有用于监测冷却水温度和流量的控制模块610，当风机发电出现随机性和间歇性时，控制模块610控制第一冷却单元210的启停，使第一冷却单元210与风机发电的随机性和间歇性达到动态匹配。

具体地，当风机发电出现随机性和间歇性时，当水力或风力能够带动第二冷却单元220运行时，控制模块610控制第一冷却单元210关闭。当水力或风力不能够带动第二冷却单元220运行时，控制模块610控制第一冷却单元210开启，第二冷却单元220关闭。同时，通过调整第一冷却单元210运行功率，使第一冷却单元210运行与风机发电的随机性和间歇性达到动态匹配。

于一实施例中，如图1所示，控制模块610包括第一控制单元611和第二控制单元612，第一控制单元611设置于流入储氢模块400的循环水管的支段上；第二控制单元612设置于流出储氢模块400的循环水管的支段上。

具体地，第一控制单元611包括第一温度传感器和第一流量计，第二控制单元612包括第二温度传感器和第二流量计。水面上循环水管内的冷却水在第一冷却单元210或第二冷却单元220的作用下流入储氢模块400，此时第一温度传感器和第一流量计用于测量水面上流入储氢模块400的循环水管支段内冷却水的温度和流量，第二温度传感器和第二流量计用于测量水面上流出储氢模块400的循环水管支段内冷却水的温度和流量。通过第一温度传感器、第一流量计、第二传感器以及第二流量计所测得的参数，控制第一冷却单元210和第二冷却单元220开启和停止，充分利用第一冷却单元210和第二冷却单元220之间的协同作用，以实现最大限度利用自然资源，提高系统的运行效率和稳定性。

于一实施例中，系统还包括设置于制储氢平台100上的应急模块800，应急模块800电性连接制氢模块300、储氢模块400和给水模块200，以保证在应急情况下制氢模块300、储氢模块400和给水模块200的电力供应，确保各模块能够安全停机；储氢模块400还通过管道与应急模块800连接，用于应急供电以及平台调试供电。

具体地，应急模块800主要用于应对突发情况，当电力模块500故障时，应急模块800启动，脱离主控制和主供电，进行单独控制和供电，保证设备安全。储氢模块400中的低压储氢设备将低压氢气通过管道输送至应急模块800中的氢燃料电池设备，从而实现应急供电和平台调试供电。

于一实施例中，如图1所示，系统还包括散热模块900，散热模块900设置于储氢模块400与第二冷却单元220之间且靠近储氢模块400的位置处，并设置在循环水管600的流经之路上；散热模块900包括多层散热板910，各散热板910堆叠排列，循环水管600在散热板910多回路排布，使循环水管内的冷却水能够与海水充分换热。

具体地，当冷却水流经储氢模块400和制氢模块300进行换热处理后，流出储氢模块400的冷却水温度升高，温度升高的冷却水沿循环水管600进入水面以下冷却。然后，冷却水沿循环水管600进入散热模块900，冷却水沿多层散热板910内的回路流动，使其与海水充分进行换热。

综上所述，本发明通过第一冷却单元和第二冷却单元协同配合能够保证制储氢海上风电系统各模块的持续热交换，提高能源的利用率；在减少耗电支出的同时提高了系统整体的运行效率和稳定性，有效降低风力发电随机性和间歇性对系统的影响。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，其特征在于，包括设置于海上的制储氢平台（100）上的给水模块（200）、用于制备氢气的制氢模块（300）、用于储存氢气的储氢模块（400）和用于向各模块供电的电力模块（500），所述给水模块（200）、所述制氢模块（300）、所述储氢模块（400）均与所述电力模块（500）连接，所述制氢模块（300）与所述储氢模块（400）通过管道连接；所述给水模块（200）通过循环水管（600）流经所述制氢模块（300）、所述储氢模块（400）以及所述电力模块（500）；所述给水模块（200）包括第一冷却单元（210）和第二冷却单元（220），所述第一冷却单元（210）与所述第二冷却单元（220）均设置于所述循环水管（600）上，所述第一冷却单元（210）电性连接供电设备（700）以冷却水循环；所述第二冷却单元（220）通过水力和/或风力作用冷却水循环；通过所述第一冷却单元（210）和所述第二冷却单元（220）的启停配合，使所述循环水管（600）内的冷却水持续换热。

2.根据权利要求1所述的适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，其特征在于，所述第一冷却单元（210）包括第一水泵（211），所述第一水泵（211）与所述供电设备（700）电性连接；其中，所述供电设备（700）包括所述电力模块（500）和移动电源。

3.根据权利要求2所述的适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，其特征在于，所述第二冷却单元（220）包括风扇（221）、第二水泵（222）、水轮机（223）和第三水泵（224），所述风扇（221）设置于所述制储氢平台（100）上，所述第二水泵（222）设置于水面上方的循环水管的支段上，所述风扇（221）与所述第二水泵（222）连接，使所述风扇（221）转动带动第二水泵（222）运转；所述第三水泵（224）设置于位于水面下的循环水管的支段上，所述水轮机（223）与所述第三水泵（224）连接，使所述水轮机（223）旋转带动所述第三水泵（224）运转。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，其特征在于，所述循环水管（600）设有用于监测冷却水温度和流量的控制模块（610），当风机发电出现随机性和间歇性时，所述控制模块（610）控制所述第一冷却单元（210）的启停，使所述第一冷却单元（210）与风机发电的随机性和间歇性达到动态匹配。

5.根据权利要求4所述的适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，其特征在于，所述控制模块（610）包括第一控制单元（611）和第二控制单元（612），所述第一控制单元（611）设置于流入所述储氢模块（400）的循环水管的支段上；所述第二控制单元（612）设置于流出所述储氢模块（400）的循环水管的支段上。

6.根据权利要求1所述的适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，其特征在于，所述系统还包括设置于所述制储氢平台（100）上的应急模块（800），所述应急模块（800）电性连接所述制氢模块（300）、所述储氢模块（400）和所述给水模块（200），以保证在应急情况下所述制氢模块（300）、所述储氢模块（400）和所述给水模块（200）的电力供应；所述储氢模块（400）通过管道与所述应急模块（800）连接，用于应急供电以及平台调试供电。

7.根据权利要求1所述的适应风机发电随机性和间歇性的制储氢海上风电系统，其特征在于，所述系统还包括散热模块（900），所述散热模块（900）设置于所述储氢模块（400）与所述第二冷却单元（220）之间且靠近所述储氢模块（400）的位置处，并设置在所述循环水管（600）的流经之路上；所述散热模块（900）包括多层散热板（910），各所述散热板（910）堆叠排列，所述循环水管（600）在所述散热板（910）多回路排布，使所述循环水管内的冷却水能够与海水充分换热。