一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统及方法与流程

1.本发明涉及可再生能源发电领域，尤其涉及一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统及方法。


背景技术：

2.为应对全球气候变暖，电力领域的脱碳显得尤为必要，各地区开始大力推进太阳能、风能等可再生能源发电项目，逐渐减少燃煤等碳排放较高的传统火力发电机组的建设项目。
3.海上拥有丰富的太阳能、风能、潮汐能及波浪能等可再生资源，利用这些可再生资源发电的技术也较为成熟。由于受到天气、时间等外界因素的影响，太阳能、风能、潮汐能、波浪能具有间歇性、随机性的影响，造成可再生能源系统发电具有不稳定性的问题，无法响应电网的负荷变动和调峰需求。
4.cn111342488a公开了一种综合利用海上能源发电与氢储能一体化系统及方法。包括太阳能电池板、风能发电装置、海洋能发电装置、电能变换装置ⅰ、电能变换装置ⅱ、电能变换装置ⅲ、显示控制台、汇流装置、电网系统、交流负载、直流负载、氢储能系统。太阳能电池板、风能发电装置、海洋能发电装置分别与3个电能变换装置连接。3个电能变换装置分别与显示控制台连接，再与汇流装置连接，汇流装置分别与交流负载、氢储能系统连接，电网系统连接交流负载，氢储能系统经dc/ac变换器、dc/dc变换器分别于交流负载和直流负载连接。该一体化系统综合利用海上多种新能源，以氢储能为储能环节，通过电解水储存富余的电能，在海上能源发电不足时再向负载供电，无需额外储能装置。
5.cn106208910a公开了一种基于海洋能、太阳能和氢能的互补发电系统。利用太阳能和海洋能作为能量源头，将海水作为氢源头，通过电解水制取氢气，将可再生的水资源转化为清洁高效的氢能，将得到的高能量密度的氢气储存在有机储氢材料中，有机储氢材料由n-甲基吲哚、n-乙基吲哚、二氮芴和n-乙基咔唑组成，储氢密度高，吸氢和放氢能可逆进行，得到的氢化有机储氢材料可以通过管道被输送到任何地方，从有机储氢装置脱出的氢气直接用于燃料电池，通过氢燃料电池将氢能转化为电能或直接供热，该发电系统方便灵活，将太阳能和海洋能结合起来，通过氢能储存和转移能量，通过燃料电池将能量转化为电能并给终端装置供电，稳定可靠，能量利用率高。
6.cn106837667a公开了一种海浪发电系统、海上平台以及氢能源基地，所述海浪发电系统系统包括电能利用装置、发电装置和用于将变化海浪转化为稳定的海水波动的转化装置；所述发电装置与所述转化装置相连并接收所述海水波动进行发电，所述电能利用装置与所述发电装置相连以使所述发电装置产生的电能被用户利用。所述海浪发电系统，将大小不同的海浪转化为稳定的海水波动，发电装置可以稳定高效的发电，使大小不同的海浪全部充分利用，大大降低了发电成本，具有实用价值和巨大的经济效益。
7.但是上述的方法不同程度的存在弃光和弃风现象，而且也不能很好地响应电网的负荷变动，为电网提供稳定的电力。
8.因此，开发一种基于燃氢发电系统的海上综合能源利用系统，能够综合利用海上的各种可再生能源，如波浪、潮汐、风和光等进行发电，为电网提供稳定、高品质的电力。


技术实现要素：

9.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统及方法，利用海上可再生能源发电系统与燃氢发电系统互相配合，来解决可再生能源发电系统的发电功率与电网负荷匹配性差的问题，实现清洁绿色发电的同时，还可充分利用多余可再生能源发电系统产生的电流向外输出洁净水、氢气和蒸汽。
10.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
11.第一方面，本发明提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统，所述海上能源综合利用装置系统包括可再生能源发电系统、海水制氢系统、燃氢发电系统和综合能源控制系统，所述海水制氢系统和燃氢发电系统依次连接，所述综合能源控制系统与可再生能源发电系统、海水制氢系统和燃氢发电系统分别连接。
12.本发明所述海上能源综合利用装置系统将可再生能源发电系统、海水制氢系统和燃氢发电系统集成在一起，根据电网负荷情况，通过综合能源控制系统对三者进行调控，当可再生能源发电系统产生的电力超出电网负荷需求时，选择切出可再生能源发电系统中的一种或至少两种发电机组，将多余的电力输送至海水制氢系统进行海水淡化和电解水制氢，得到洁净淡水和氢气；当可再生能源发电系统产生的电力不能满足电网负荷需求时，将原本用于海水制氢系统的可再生能源发电系统的发电机组切入电网，补充供应电力；当可再生能源发电系统的所有发电机组全部投入并网发电，仍然无法满足电网负荷时，选择投入燃氢内燃机发电机组和/或燃氢燃气轮机发电机组，利用之前得到的氢气进行燃氢发电，进一步补充供应电力，从而避免可再生能源的浪费现象，实现绿色环保、清洁发电。同时燃氢燃气轮机发电机组利用氢气燃烧做功后产生的排气经过余热锅炉回收，向外输出蒸汽，实现了能源高效利用。
13.优选地，所述可再生能源发电系统包括漂浮式波浪能发电机组、潮汐能发电机组、漂浮式光伏发电机组或海上风力发电机组中至少两种的组合。
14.本发明所述可再生能源发电系统中的漂浮式波浪能发电机组、潮汐能发电机组、漂浮式光伏发电机组或海上风力发电机组可直接采用现有的装置系统，各发电机组的投运情况需根据海上自然资源的实际情况进行调控。
15.本发明所述可再生能源发电系统中潮汐能发电机组可布置在沿海海湾地区，通过筑堤构建水库，在坝侧安装水轮发电机；所述漂浮式光伏发电机组布置在水库水面上方；所述漂浮式波浪能发电机组布置在近海区域；所述海上风力发电机组布置在海岸海拔较高处及近海区域。
16.优选地，所述海水制氢系统包括依次连接的海水淡化单元和电解水制氢单元。
17.优选地，所述海水淡化单元包括海水储存装置、第一输水装置、超滤装置、超滤水储存装置、第二输水装置、反渗透装置和淡水储存装置。
18.本发明所述第一输水装置为供水泵，主要用来输送海水；所述第二输送装置为高压泵，主要用来输送海水并为反渗透装置提供所需的高压。
19.优选地，所述海水淡化单元还设置有外部供淡水接口。
20.优选地，所述电解水制氢单元包括电解装置、隔离装置和电极。
21.本发明所述电解装置为电解槽，所述隔离装置为隔离膜。
22.优选地，所述海水制氢系统还包括与所述电解水制氢单元相连的氢气处理单元。
23.优选地，所述氢气处理单元包括沿着氢气输送方向依次连接的压缩装置、储氢装置、氢气过滤装置、氢气成分分析装置、流量测量装置和调节装置。
24.本发明所述电解水制氢单元产成的氢气经压缩装置压缩至一定压力后储存在储氢装置中；氢气过滤装置过滤氢气输送时存在的杂质；氢气成分分析装置包括色谱仪，对氢气的成分进行分析；流量测量装置包括超声波流量测量仪，对输送的氢气进行计量；调节装置对输送氢气的流量和压力进行调节。
25.优选地，所述调节装置包括燃氢燃气轮机氢气调节装置和燃氢内燃机氢气调节装置。
26.优选地，所述氢气处理单元还包括与所述流量测量装置连接的外部供氢接口。
27.优选地，所述综合能源控制系统包括智能控制单元、燃氢发电系统控制单元和并网控制单元。
28.优选地，所述并网控制单元与智能控制单元和燃氢发电系统控制单元分别连接。
29.优选地，所述并网控制单元包括并网控制器。
30.优选地，所述燃氢发电系统包括燃氢燃气轮机发电机组和燃氢内燃机发电机组。
31.本发明所述燃氢发电系统以海水制氢系统中的氢气处理单元储存的氢气为燃料进行调峰发电，当可再生能源发电系统的并网发电功率低于电网负荷时，燃氢发电机组控制系统发出启动指令，根据所需发电功率的大小，可单独启动燃氢内燃机发电机组，单独启动燃氢燃气轮机发电机组，或同时启动燃氢内燃机发电机组与燃氢燃气轮机发电机组。本发明所述燃氢燃气轮机发电机组和燃氢内燃机发电机组可布置在海岸处。
32.优选地，所述燃氢燃气轮机发电机组包括燃氢燃气轮机、发电机和余热锅炉。
33.优选地，所述燃氢燃气轮机发电机组还设置有外部供蒸汽接口。
34.本发明所述燃氢燃气轮机发电机组向外输送的蒸汽可用于供热。
35.优选地，所述燃氢内燃机发电机组包括燃氢内燃机、发电机和溴化锂吸收式制冷装置。
36.第二方面，本发明还提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用方法，所述海上能源综合利用方法采用第一方面所述的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统进行。
37.本发明所述海上能源综合利用方法将海上可再生能源发电系统与燃氢发电系统互相配合，为电网提供了稳定的电力，实现了绿色环保、清洁发电。
38.优选地，所述海上能源综合利用方法包括：
39.根据电网负荷与可再生能源发电系统产生的电力之间的关系，综合能源控制系统控制海水制氢系统和/或燃氢发电系统的投入情况。
40.所述可再生能源发电系统产生的电力经综合能源控制系统输送至海水制氢系统、燃氢发电系统和电网，所述综合能源控制系统根据电网负荷情况调控可再生能源发电系统、海水制氢系统和燃氢发电系统的发电情况。
41.优选地，所述可再生能源发电系统产生的电力分为三路，第一路输送至海水制氢
系统的海水淡化单元，第二路输送至海水制氢系统的电解水制氢单元，第三路经综合能源控制系统的智能控制单元和并网控制单元输送至电网供电。
42.优选地，所述海水淡化单元产生的洁净水供给电解水制氢单元，所述海水淡化系统产生的洁净水在满足电解水制氢单元的需要后，向外输送洁净水实现供水。
43.优选地，所述电解水制氢单元产生的氢气经氢气处理单元输送至燃氢发电系统。
44.优选地，所述电解水制氢单元产生的氢气在满足燃氢发电系统的需要后，由氢气处理单元收集后，进行储存和/或向外输出氢气。
45.优选地，所述燃氢发电系统的燃氢燃气轮机发电机组产生的电力经燃氢发电系统控制单元和并网控制单元输送至电网供电。
46.优选地，所述燃氢燃气轮机发电机组利用氢气燃烧做功后产生的排气经过余热锅炉回收，输出蒸汽实现供热。
47.优选地，当并网控制单元检测到电网负荷小于可再生能源发电系统的并网发电功率时，并网控制单元向智能控制系统发出第一指令，智能控制系统根据电网负荷与发电功率的匹配性，选择切出可再生能源发电系统中的一种或至少两种发电机组，将切出的发电电力输送至海水制氢系统。
48.优选地，当并网控制单元检测到电网负荷大于可再生能源发电系统的并网发电功率时，并网控制单元向智能控制系统发出第二指令，智能控制系统根据电网负荷与发电功率的匹配性，将可再生能源发电系统中用于海水制氢系统的发电机组切入电网。
49.优选地，当可再生能源发电系统全部投入并网发电，电网负荷仍大于并网发电功率时，并网控制单元向燃氢发电系统发出第二指令，燃氢发电系统控制单元根据电网负荷与发电功率的匹配性，选择投入燃氢内燃机发电机组和/或燃氢燃气轮机发电机组，进行并网发电。
50.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
51.(1)本发明提供的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统将可再生能源发电技术、海水淡化技术、电解水制氢技术和燃氢发电技术集成起来，通过综合能源控制系统实时切换可再生能源发电系统与海水制氢系统的投入，避免了弃风、弃光等可再生能源的浪费现象；
52.(2)本发明提供的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统通过燃氢发电控制单元来调控燃氢燃气轮机发电机组和燃氢内燃机发电机组的投入，解决了可再生能源发电系统的发电功率与电网负荷匹配性差的问题，实现稳定、高品质的电力输出；
53.(3)本发明提供的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统充分利用电网无法消纳的可再生能源发电系统产生的电力进行海水淡化和电解水制氢，实现了向外输出洁净水和氢气，能源利用效率高；
54.(4)本发明提供的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用方法使海上可再生能源发电系统与燃氢发电系统互相配合，为电网提供了稳定的电力，实现了绿色环保、清洁发电。
附图说明
55.图1是本发明提供的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统的结构示意
图。
56.图2是本发明提供的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统中的氢气处理单元的原理示意图。
57.图中：1-漂浮式波浪能发电机组；2-潮汐能发电机组；3-漂浮式光伏发电机组；4-海上风力发电机组；5-智能控制单元；6-燃氢发电系统控制单元；7-并网控制单元；8-海水淡化单元；9-电解水制氢单元；10-氢气处理单元；11-燃氢燃气轮机发电机组；12-燃氢内燃机发电机组；13-外部供洁净水接口；14-外部供氢接口；15-外部供蒸汽接口；16-电网供电；17-氢气；18-压缩装置；19-储氢装置；20-氢气过滤装置；21-氢气成分分析装置；22-流量测量装置；23-燃氢燃气轮机氢气调节装置；24-燃氢内燃机氢气调节装置。
具体实施方式
58.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
59.本发明提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统，其结构示意图如图1所示。
60.所述海上能源综合利用装置系统包括可再生能源发电系统、海水制氢系统、燃氢发电系统和综合能源控制系统，所述海水制氢系统和燃氢发电系统依次连接，所述综合能源控制系统与可再生能源发电系统、海水制氢系统和燃氢发电系统分别连接。
61.所述可再生能源发电系统包括漂浮式波浪能发电机组1、潮汐能发电机组2、漂浮式光伏发电机组3和海上风力发电机组4。
62.所述海水制氢系统包括海水淡化单元8、电解水制氢单元9和氢气处理单元10；所述海水淡化单元8包括海水储存装置、第一输水装置、超滤装置、超滤水储存装置、第二输水装置、反渗透装置和淡水储存装置；所述电解水制氢9单元包括电解装置、隔离装置和电极。所述氢气处理单元10的原理示意图如图2所示，所述氢气处理单元10包括沿着氢气输送方向依次连接的压缩装置18、储氢装置19、氢气过滤装置20、氢气成分分析装置21、流量测量装置22和调节装置。所述调节装置包括燃氢燃气轮机氢气调节装置23和燃氢内燃机氢气调节装置24；所述流量测量装置22还与供氢接口25连接。
63.所述综合能源控制系统包括智能控制单元5、燃氢发电系统控制单元6和并网控制单元7；所述并网控制单元7包括并网控制器。
64.所述燃氢发电系统包括燃氢燃气轮机发电机组11和燃氢内燃机发电机组12；所述燃氢燃气轮机发电机组11包括燃氢燃气轮机、发电机和余热锅炉。所述燃氢内燃机发电机组包括燃氢内燃机、发电机和溴化锂吸收式制冷装置。
65.本发明还提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用方法，所述海上能源综合利用方法采用上述的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统进行。
66.所述的海上能源综合利用方法包括：
67.所述可再生能源发电系统产生的电力分为三路，第一路输送至海水制氢系统的海水淡化单元8，第二路输送至海水制氢系统的电解水制氢单元9，第三路经综合能源控制系统的智能控制单元5和并网控制单元7输送至电网供电；
68.所述海水淡化单元8产生的洁净水供给电解水制氢单元9，所述海水淡化系统产生的洁净水在满足电解水制氢单元9的需要后，向外输送洁净淡水实现供水；
69.所述电解水制氢单元9产生的氢气经氢气处理单元10输送至燃氢发电系统，所述电解水制氢单元9产生的氢气在满足燃氢发电系统的需要后，由氢气处理单元10收集后，进行储存和/或向外输出氢气；
70.所述燃氢发电系统的燃氢燃气轮机发电机组11产生的电力经燃氢发电系统控制单元6和并网控制单元输送至电网供电；所述燃氢燃气轮机发电机组11利用氢气燃烧做功后产生的排气经过余热锅炉回收，输出蒸汽实现供热；
71.当并网控制单元7检测到电网负荷小于可再生能源发电系统的并网发电功率时，并网控制单元7向智能控制系统发出第一指令，智能控制系统根据电网负荷与发电功率的匹配性，选择切出可再生能源发电系统中的一种或至少两种发电机组，将切出的发电电力输送至海水制氢系统；
72.当并网控制单元7检测到电网负荷大于可再生能源发电系统的并网发电功率时，并网控制单元7向智能控制系统发出第二指令，智能控制系统根据电网负荷与发电功率的匹配性，将可再生能源发电系统中用于海水制氢系统的发电机组切入电网；
73.当可再生能源发电系统全部投入并网发电，电网负荷仍大于并网发电功率时，并网控制单元7向燃氢发电系统发出第二指令，燃氢发电系统控制单元根据电网负荷与发电功率的匹配性，选择投入燃氢内燃机发电机组12和/或燃氢燃气轮机发电机组11，进行并网发电。
74.下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
75.实施例1
76.本实施例提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统，所述海上能源综合利用装置系统包括可再生能源发电系统、海水制氢系统、燃氢发电系统和综合能源控制系统，所述海水制氢系统和燃氢发电系统依次连接，所述综合能源控制系统与可再生能源发电系统、海水制氢系统和燃氢发电系统分别连接。
77.所述可再生能源发电系统包括漂浮式波浪能发电机组1、潮汐能发电机组2、漂浮式光伏发电机组3和海上风力发电机组4。
78.所述海水制氢系统包括海水淡化单元8、电解水制氢单元9和氢气处理单元10；所述海水淡化单元8包括蓄水池、供水泵、超滤装置、超滤水箱、高压泵、反渗透装置和淡水箱；所述电解水制氢9单元包括电解槽、隔离膜和电极。所述氢气处理单元10的原理示意图如图2所示，所述氢气处理单元10包括沿着氢气输送方向依次连接的压缩装置18、储氢装置19、氢气过滤装置20、氢气成分分析装置21、流量测量装置22和调节装置。所述调节装置包括燃氢燃气轮机氢气调节装置23和燃氢内燃机氢气调节装置24；所述流量测量装置22还与供氢接口25连接。
79.所述综合能源控制系统包括智能控制单元5、燃氢发电系统控制单元6和并网控制单元7；所述并网控制单元7包括并网控制器。
80.所述燃氢发电系统包括燃氢燃气轮机发电机组11和燃氢内燃机发电机组12；所述燃氢燃气轮机发电机组11包括燃氢燃气轮机、发电机和余热锅炉。所述燃氢内燃机发电机组包括燃氢内燃机、发电机和溴化锂吸收式制冷机。
81.本实施例还提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用方法，所述海上能源
综合利用方法采用上述的基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统进行。
82.所述的海上能源综合利用方法包括：
83.所述可再生能源发电系统中漂浮式波浪能发电机组、潮汐能发电机组和海上风力发电机组联合发电，产生的电力分为三路，第一路输送至海水制氢系统的海水淡化单元8，第二路输送至海水制氢系统的电解水制氢单元9，第三路经综合能源控制系统的智能控制单元5和并网控制单元7输送至电网供电；
84.所述海水淡化单元8产生的洁净水供给电解水制氢单元9，所述海水淡化系统产生的洁净水在满足电解水制氢单元9的需要后，向外输送洁净淡水实现供水；
85.所述电解水制氢单元9产生的氢气经氢气处理单元10输送至燃氢发电系统，所述电解水制氢单元9产生的氢气在满足燃氢发电系统的需要后，由氢气处理单元10进行收集、储存或向外输出氢气实现供氢；
86.所述燃氢发电系统的燃氢燃气轮机发电机组11产生的电力经燃氢发电系统控制单元6和并网控制单元输送至电网供电；所述燃氢燃气轮机发电机组11利用氢气燃烧做功后产生的排气经过余热锅炉回收，输出蒸汽实现供热；
87.并网控制单元7检测到电网负荷为300mw小于可再生能源发电系统的并网发电功率400mw，并网控制单元7向智能控制系统发出第一指令，智能控制系统根据电网负荷与发电功率的匹配性，根据海上实际情况，切出可再生能源发电系统中的漂浮式波浪能发电机组，将切出的发电电力输送至海水制氢系统进行海水淡化单元和电解水制氢，可向外输出洁净水和氢气。
88.实施例2
89.本实施例提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统，所述海上能源综合利用装置系统与实施例1相同。
90.本实施例还提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用方法，所述海上能源综合利用方法中并网控制单元7检测到电网负荷为400mw大于可再生能源发电系统的并网发电功率300mw，并网控制单元7向智能控制系统发出第二指令，智能控制系统根据电网负荷与发电功率的匹配性，将可再生能源发电系统中用于海水制氢系统的漂浮式波浪能发电机组切入电网，其余均与实施例1相同。
91.实施例3
92.本实施例提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统，所述海上能源综合利用装置系统与实施例1相同。
93.本实施例还提供一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用方法，所述海上能源综合利用方法中可再生能源发电系统全部投入并网发电，电网负荷为500mw，仍大于并网发电功率400mw，并网控制单元7向燃氢发电系统发出第二指令，燃氢发电系统控制单元根据电网负荷与发电功率的匹配性，投入燃氢内燃机发电机组12，利用之前储存的氢气进行发电，其余均与实施例1相同。
94.综合实施例1～3可以看出，本发明提供的一种基于燃氢发电系统的海上能源综合利用装置系统及方法可以解决电网负荷与可再生能源发电系统的发电功率匹配性差的问题，能够为电网提供稳定、高品质的电力，同时实现绿色环保、零碳排放，满足电力系统节能减排的需求，还可充分利用多余可再生能源发电系统产生的电流向外输出洁净水、氢气和
蒸汽。
95.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。