一种港-船多能源融合系统的制作方法

1.本发明涉及能源融合技术领域，尤其涉及一种港-船多能源融合系统。


背景技术：

2.航运业在社会经济发展中起着至关重要的作用，航运业对港口环境带来的影响也受到越来越多的关注。传统内燃机船舶在靠港时会释放co2等温室气体以及so2、nox等有害气体，对气候和港口周边的居民健康造成不利影响。以太阳能、风能和氢能为代表的清洁能源能够通过一定的技术转换为工业生产所需要的电力能源，并且可以实现有害气体和物质的零排放。因此，在港口采用风、光、储、氢组成的港-船多能源融合系统为靠港船舶和港口机械设备供能可以减少污染，助力双碳目标的实现。然而，风、光能源产电量以及港口靠港船舶的负载均存在不确定性，给多能源融合系统的能量管理带来一定挑战。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种港-船多能源融合系统，能够实现港口基础设施绿色化与能源自洽，提升港口能源系统中清洁能源的占比。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种港-船多能源融合系统，包括能源层、负荷层、电网层、控制层，所述能源层包括外部电网、风力发电模块、光伏发电模块、氢燃料电池、电解水制氢模块，所述电解水制氢模块用于为氢燃料电池以及氢负荷设备提供氢；
6.所述负荷层包括电负荷设备和氢负荷设备；
7.所述控制层包括电能管理模块和氢能管理模块，所述电能管理模块协调外部电网、风力发电模块、光伏发电模块、氢燃料电池为电负荷设备供电，所述氢能管理模块协调电解水制氢模块及外部储氢模块为氢燃料电池、氢负荷设备供氢；
8.所述电网层包括对外部电网、风力发电模块、光伏发电模块、蓄电池、氢燃料电池汇集为电负荷设备进行供电的母线。
9.进一步的，所述电能管理模块的协调方法如下：
10.常态下，仅风力发电模块和光伏发电模块汇集于母线为电负荷设备进行供电；
11.当风力发电模块和光伏发电模块供电不足时，将氢燃料电池汇集于母线，与风力发电模块、光伏发电模块共同为电负荷设备进行供电；
12.当氢燃料电池、风力发电模块、光伏发电模块供电不足时，将外部电网汇集于母线，与氢燃料电池、风力发电模块、光伏发电模块共同为电负荷设备进行供电；
13.当风力发电模块和光伏发电模块对电负荷设备供电存在结余时，将多余的电量提供给电解水制氢模块用于制氢。
14.进一步的，所述风力发电模块和光伏发电模块供电不足/供电存在结余的判断方法如下：
15.s101，设置判断周期；
16.s102，在每一判断周期的起点，依次计算前n个判断周期中每一个判断周期内风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量；分别拟合风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量-周期曲线；
17.s103，根据风力发电模块和光伏发电模块的输出电量-周期曲线预测各自在本判断周期的输出电量；
18.s104，在每一判断周期的起点，依次计算前n个判断周期中每一个判断周期内电负荷设备的用电量，并拟合电负荷设备的用电量-周期曲线图；
19.s105，根据电负荷设备的用电量-周期曲线图预测本判断周期的用电量；
20.s106，比较本判断周期的风力发电模块和光伏发电模块的输出电量总和与电负荷设备的用电量大小；若输出电量总和小于用电量，则判定供电不足，否则判定供电存在结余。
21.进一步的，所述氢燃料电池、风力发电模块、光伏发电模块供电不足的判断方法如下：
22.s201，设置判断周期；
23.s202，在每一判断周期的起点，依次计算前n个判断周期中每一个判断周期内风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量；分别拟合风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量-周期曲线；
24.s203，根据风力发电模块和光伏发电模块的输出电量-周期曲线预测各自在本判断周期的输出电量；
25.s204，获取氢燃料电池的剩余氢气量，进而计算剩余氢气量燃烧所能产生的电量；
26.s205，在每一判断周期的起点，依次计算前n个判断周期中每一个判断周期内电负荷设备的用电量，并拟合电负荷设备的用电量-周期曲线图；
27.s206，根据电负荷设备的用电量-周期曲线图预测本周期的用电量；
28.s207，比较本判断周期的风力发电模块的输出电量、光伏发电模块的输出电量和剩余氢气量燃烧所能产生的电量总和与电负荷设备的用电量大小；若总和小于用电量，则判定供电不足，否则判定供电存在结余。
29.进一步的，所述氢能管理模块的协调方法如下：
30.常态下，电解水制氢模块仅为氢燃料电池供氢；
31.当电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余时，电解水制氢模块还同时为氢负荷设备供氢；
32.当电解水制氢模块为氢燃料电池供氢不足时，电解水制氢模块与外部储氢模块共同为氢燃料电池供氢。
33.进一步的，所述电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余/供氢不足的判断方法如下：
34.s301，设置判断周期；
35.s302，在每一判断周期的起点，预测电解水制氢模块在本判断周期可制成的氢气量，以及充满氢燃料电池所需的氢气量；
36.s303，比较制成的氢气量与所需的氢气量大小，若制成的氢气量大于所需的氢气
量，则认为电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余，若制成的氢气量小于所需的氢气量，则认为电解水制氢模块为氢燃料电池供氢不足。
37.进一步的，所述s302中，预测电解水制氢模块在本判断周期可制成的氢气量的方法如下：
38.s3021，在每一判断周期的起点，依次计算前n个判断周期中每一个判断周期内提供给电解水制氢模块的电量；分别拟合提供给电解水制氢模块的电量-周期曲线；
39.s3022，根据提供给电解水制氢模块的电量-周期曲线预测在本判断周期提供给电解水制氢模块的电量；
40.s3023，统计前n个判断周期中每一个判断周期内电解水制氢模块单位电量产生的氢气量平均值；
41.s3024，以预测出的在本判断周期提供给电解水制氢模块的电量乘以所述单位电量产生的氢气量平均值，即可得到电解水制氢模块在本判断周期可制成的氢气量。
42.进一步的，所述s303中，若前n个判断周期中，氢燃料电池均未对电负荷设备进行供电，亦判断为电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余。
43.进一步的，所述能源层还包括氢气储运模块和氢气加注模块；所述氢气储运模块用于将电解水制氢模块制成的氢气存储、输送至氢负荷设备，所述氢气加注模块用于将氢气注入氢负荷设备；
44.进一步的，所述电负荷设备包括照明设备、桥吊、门式起重机；所述氢负荷设备包括氢动力集卡、氢动力叉车、氢动力堆高机；
45.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
46.本发明在现有的港口能源系统中引入了电解水制氢模块和氢燃料电池，并在风力发电模块和光伏发电模块供电充足的情况下将多余的电量供给电解水制氢模块，从而对氢燃料电池供电；而在风力发电模块和光伏发电模块供电不足的情况下，采用氢燃料电池进行联合供电。最终实现港口基础设施绿色化与能源自洽，提升港口能源系统中清洁能源的占比。
附图说明
47.图1为本发明的整体原理框图。
48.图2为本发明的风力发电模块和光伏发电模块供电不足/供电存在结余的判断方法示意图。
49.图3为本发明的氢燃料电池、风力发电模块、光伏发电模块供电不足的判断方法示意图。
具体实施方式
50.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.实施例一：
52.请参阅图1，本实施例提供一种港-船多能源融合系统，包括能源层、负荷层、电网层、控制层，所述能源层包括外部电网、风力发电模块、光伏发电模块、氢燃料电池、电解水制氢模块，所述电解水制氢模块用于为氢燃料电池以及氢负荷设备提供氢。
53.所述负荷层包括电负荷设备和氢负荷设备；所述电负荷设备为由电驱动的设备，包括照明设备、桥吊、门式起重机等；所述氢负荷设备为由氢驱动的设备，包括氢动力集卡、氢动力叉车、氢动力堆高机等。
54.所述控制层包括电能管理模块和氢能管理模块，所述电能管理模块协调外部电网、风力发电模块、光伏发电模块、氢燃料电池为电负荷设备供电。具体的：
55.所述电能管理模块的协调方法如下：
56.常态下，风力发电模块和光伏发电模块能够满足当地电负荷设备的用电量，则仅风力发电模块和光伏发电模块汇集于母线为电负荷设备进行供电；
57.当风力发电模块和光伏发电模块供电不足时，将氢燃料电池汇集于母线，与风力发电模块、光伏发电模块共同为电负荷设备进行供电；于本实施例中，请参照图2，所述风力发电模块和光伏发电模块供电不足/供电存在结余的判断方法如下：
58.s101，设置判断周期，如以每1个小时为一个周期；
59.s102，在每一判断周期的起点，依次计算前5个判断周期中每一个判断周期内风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量，此处判断周期的数量可根据自定义调整，可以是3个，也可以是8个，周期数越多，判断精度越高，但同时计算量越大；
60.分别拟合风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量-周期曲线，得到近期风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量随时间周期变化的规律；
61.s103，根据风力发电模块和光伏发电模块的输出电量-周期曲线预测各自在本判断周期的输出电量p
风力
和p
光伏
，风力发电模块和光伏发电模块的输出电量-周期曲线对应本判断周期的输出电量记为预测值；其中p
风力
为风力发电模块在本判断周期的输出电量；p
光伏
为光伏发电模块在本判断周期的输出电量。
62.s104，同理，在每一判断周期的起点，依次计算前n个判断周期中每一个判断周期内电负荷设备的用电量，并拟合电负荷设备的用电量-周期曲线图，得到近期电负荷设备的用电量随时间周期变化的规律；
63.s105，同步骤s103，根据电负荷设备的用电量-周期曲线图预测本判断周期的用电量p
电负荷
；p
电负荷
为电负荷设备在本判断周期的用电量。
64.s106，比较本判断周期的风力发电模块和光伏发电模块的输出电量总和与电负荷设备的用电量大小；若输出电量总和小于用电量即p
风力
p
光伏
＜p
电负荷
，则判定供电不足，若输出电量总和大于用电量即p
风力
p
光伏
＞p
电负荷
，则判定供电存在结余；值得一提的是，若输出电量总和小于用电量即p
风力
p
光伏
＜p
电负荷
，则认为处于供电平衡状态，无需进一步调整，仅有风力发电模块和光伏发电模块供给电负荷设备的用电。
65.当风力发电模块和光伏发电模块对电负荷设备供电存在结余时，将多余的电量提供给电解水制氢模块用于制氢。
66.在另一实施例中，当氢燃料电池、风力发电模块、光伏发电模块供电不足时，进一步将外部电网汇集于母线，与氢燃料电池、风力发电模块、光伏发电模块共同为电负荷设备进行供电。
67.同理，请参照图3，所述氢燃料电池、风力发电模块、光伏发电模块供电不足的判断方法如下：
68.s201，设置判断周期，如以每1个小时为一个周期；
69.s202，在每一判断周期的起点，依次计算前5个判断周期中每一个判断周期内风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量，此处判断周期的数量可根据自定义调整，可以是3个，也可以是8个，周期数越多，判断精度越高，但同时计算量越大；
70.分别拟合风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量-周期曲线，得到近期风力发电模块和光伏发电模块各自的输出电量随时间周期变化的规律；
71.s203，根据风力发电模块和光伏发电模块的输出电量-周期曲线预测各自在本判断周期的输出电量p
风力
和p
光伏
，风力发电模块和光伏发电模块的输出电量-周期曲线对应本判断周期的输出电量记为预测值；其中p
风力
为风力发电模块在本判断周期的输出电量；p
光伏
为光伏发电模块在本判断周期的输出电量。
72.s204，获取氢燃料电池的剩余氢气量，进而计算剩余氢气量燃烧所能产生的电量p
氢燃料
；在氧气充足的情况下，氢燃料电池所能产生的电量与剩余氢气量呈正相关，因此只要获取氢燃料电池的剩余氢气量即可很简单地求出其燃烧所能产生的电量p
氢燃料
。
73.s205，同理，在每一判断周期的起点，依次计算前n个判断周期中每一个判断周期内电负荷设备的用电量，并拟合电负荷设备的用电量-周期曲线图，得到近期电负荷设备的用电量随时间周期变化的规律；
74.s206，同步骤s203，根据电负荷设备的用电量-周期曲线图预测本周期的用电量p
电负荷
；p
电负荷
为电负荷设备在本判断周期的用电量。
75.s207，比较本判断周期的风力发电模块的输出电量p
风力
、光伏发电模块的输出电量p
光伏
和剩余氢气量燃烧所能产生的电量p
氢燃料
总和与电负荷设备的用电量用电量p
电负荷
大小；若总和小于用电量即p
风力
p
光伏
p
氢燃料
＜p
电负荷
，则判定供电不足，否则判定供电存在结余。
76.所述电网层包括供对外部电网、风力发电模块、光伏发电模块、蓄电池、氢燃料电池汇集为电负荷设备进行供电的母线，另外，为了电能管理模块的协调功能实现，每一个供电模块上设置有变流装置(如dc/dc模块或dc/ac模块)。
77.所述氢能管理模块协调电解水制氢模块为氢燃料电池、氢负荷设备供氢。具体的：所述氢能管理模块的协调方法如下：
78.常态下，电解水制氢模块仅为氢燃料电池供氢；
79.当电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余时，电解水制氢模块还同时为氢负荷设备供氢；
80.当电解水制氢模块为氢燃料电池供氢不足时，电解水制氢模块与外部储氢模块共同为氢燃料电池供氢。
81.所述电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余/供氢不足的判断方法如下：
82.s301，设置判断周期，如以每1个小时为一个周期；
83.s302，在每一判断周期的起点，预测电解水制氢模块在本判断周期可制成的氢气量fq电解水制氢，以及充满氢燃料电池所需的氢气量。
84.充满氢燃料电池所需的氢气量由充满氢燃料电池所需的最大氢气量减去当前氢气量得到。
85.预测电解水制氢模块在本判断周期可制成的氢气量的方法如下：
86.s3021，在每一判断周期的起点，依次计算前5个判断周期中每一个判断周期内提供给电解水制氢模块的电量；此处判断周期的数量可根据自定义调整，可以是3个，也可以是8个，周期数越多，判断精度越高，但同时计算量越大。
87.拟合提供给电解水制氢模块的电量-周期曲线，得到近期提供给电解水制氢模块的电量随时间周期变化的规律。
88.s3022，根据提供给电解水制氢模块的电量-周期曲线预测在本判断周期提供给电解水制氢模块的电量p
电解水制氢
；
89.s3023，统计前5个判断周期中每一个判断周期内电解水制氢模块单位电量产生的氢气量平均值avgq
电解水制氢
；
90.先获取每一个判断周期内电解水制氢模块产生的氢气量q
电解水制氢
以及提供内电解水制氢模块的电量p
电解水制氢
，求两者的比值即为单位电量产生的氢气量；然后求得5个判断周期的单位电量产生的氢气量的平均值avgq
电解水制氢
。
91.s3024，以预测出的在本判断周期提供给电解水制氢模块的电量p
电解水制氢
乘以所述单位电量产生的氢气量平均值avgq
电解水制氢
，即可得到电解水制氢模块在本判断周期可制成的氢气量fq
电解水制氢
。
92.s303，比较可制成的氢气量fq
电解水制氢
与所需的氢气量大小，若制成的氢气量大于所需的氢气量，则认为电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余，若制成的氢气量小于所需的氢气量，则认为电解水制氢模块为氢燃料电池供氢不足。
93.还存在另一个判断是否存在结余的条件：若前5个判断周期中，氢燃料电池均未对电负荷设备进行供电，说明此时电负荷设备对于电能的需求仅有风力发电模块、光伏发电模块供给即可满足，说明并不需要将氢燃料电池汇集于母线，与风力发电模块、光伏发电模块共同为电负荷设备进行供电，氢燃料电池理论上没有损耗，这个时候没有必要将电解水制氢模块生产的氢气供给给氢燃料电池，即亦判断为电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余。
94.于另一实施例中，还基于最小等效燃油法，对各个功能模块针对负载的功能进行整体协调。
95.实时采集风力发电模块的发电量p
′
风
、光伏发电模块的发电量p
′
光
、氢燃料电池的输出电量p
′
电池
、电解水制氢模块的输出氢气量q
氢能
；
96.将所述风力发电模块的发电量p
′
风
、光伏发电模块的发电量p
′
光
以及氢燃料电池的输出电量p
′
电池
、电解水制氢模块的输出氢气量q
氢能
分别换算为向电负荷设备和氢负荷设备供能的等效燃油消耗t
ij
；其中，下标i代表能源种类，i＝1，2，3，4，依次代表前述的发电模块的发电量p
′
风
、光伏发电模块的发电量p
′
光
、氢燃料电池的输出电量p
′
电池
、电解水制氢模块的输出氢气量q
氢能
；下标j代表功能的对象，即j＝1代表向电负荷设备供能，j＝2代表向氢负荷设备供能。
97.需要注意的是，风力发电模块的发电量、光伏发电模块的发电量和氢燃料电池的输出电量无法直接为氢负荷设备供电，因此不存在相应的等效燃油消耗；同理，氢燃料电池也无法为电负荷设备供能，相应的等效燃油消耗亦不存在。
98.例如：t
11
代表的就是风力发电模块的发电量用于向电负荷设备供能的等效燃油消
耗。
99.在本方案中，等效燃油消耗的换算由以下方法实现：
100.针对每一类型负载j(包括电负荷设备和氢负荷设备)，获取每一种类的能源i单独向其供能时达到额定工作量的能耗s
ij
；比如针对桥吊(电负荷设备)，由风力发电模块单独向其功能时，搬运100顿货物所需的能耗；
101.获取实现相同额定工作量的燃油型负载所需的燃油消耗s
燃油
；该数据可以由数据库获取，也可以采用实验检测的方法得到；
102.计算每一种类的能源i单独向每一类型负载j供能的等效燃油因子α
ij
，即α
ij
＝s
燃油
/s
ij
；
103.由得到的风力发电模块、光伏发电模块以及氢燃料电池、电解水制氢模块对负载j的供能量p
ij
分别乘以对应的等效燃油因子即可得到对应的等效燃油消耗t
ij
。
104.构建求解所述风力发电模块的发电量、光伏发电模块的发电量、氢燃料电池的输出电量、电解水制氢模块的输出氢气量的等效燃油消耗总和的最优方程即可确定风力发电模块、光伏发电模块、氢燃料电池、电解水制氢模块向电负荷设备和氢负荷设备提供的能量。
105.具体根据风力发电模块和光伏发电模块对电负荷设备供电是否存在结余分为以下两种情况：
106.1、当风力发电模块和光伏发电模块对电负荷设备供电存在结余时，则说明风力发电模块和光伏发电模块的总发电量足以供应电负荷设备的负荷，因此对电负荷设备的等效燃油消耗可以在这两者之间进行优化。同理，对氢负荷设备的供能虽然只能由电解水制氢模块进行，但是电解水制氢模块所需的氢气量来源于其他三个模块的供电，这其中又涉及到电解水制氢模块的电能-氢气转化率t；因此该情况下，本方案的等效燃油消耗总和的最优方程如下：
[0107][0108]
p
11
p
12
≤p
′
风
[0109]
p
21
p
22
≤p
′
光
[0110]
p
32
≤p
′
电化学储能
[0111]q42
≤q
氢能储能
[0112]
其中，j
min
为最小等效燃油消耗，p
i1
能源种类i对应电力负载的供电量；而p
i2
为能源种类i对应氢负荷设备的供能量，在此具体为风力发电模块、光伏发电模块或氢燃料电池中供给电解水制氢模块的电量；t为电解水制氢模块的电能-氢气转化率；q
42
为电解水制氢模块对应氢能负载的供氢量；α
i1
(i＝1,2,3)为风力发电模块、光伏发电模块分别单独为电负荷设备供电的等效燃油因子；α
42
为电解水制氢模块单独向氢负荷设备供氢的等效燃油因子；p
′
风
、p
′
光
、p
′
电化学储能
、q
氢能储能
分别代表本周期内风力发电模块的发电量、光伏发电模块的发电量、氢燃料电池的输出电量、电解水制氢模块的输出氢气量。
[0113]
2、当风力发电模块和光伏发电模块对电负荷设备供电不存在结余时，与第1种情况相比，区别在于，为电负荷设备供电的能量来源不仅限于风力发电模块、光伏发电模块，
还包括氢燃料电池；而供给电解水制氢模块的电量的能源则仅来源于氢燃料电池。因此该情况下，本方案的等效燃油消耗总和的最优方程变化如下：
[0114][0115]
p
11
≤p
′
风
[0116]
p
21
≤p
′
光
[0117]
p
31
p
32
≤p
′
电化学储能
[0118]q42
≤q
氢能储能
[0119]
所述能源层还包括氢气储运模块和氢气加注模块；所述氢气储运模块用于将电解水制氢模块制成的氢气存储、输送至氢负荷设备，所述氢气加注模块用于将氢气注入氢负荷设备；
[0120]
电解水制氢模块为氢燃料电池供氢时，由于本实施例的电解水制氢模块与氢燃料电池处于同一位置，因此不存在由氢气储运等步骤带来的能量损耗。而电解水制氢模块为氢负荷设备供氢时，首先要对氢气进行存储、运输等步骤，尤其是运输环节，车辆的能耗是其中很大的一个环节。若按照步骤s301至步骤s303所在的方案，每当出现制成的氢气量大于所需的氢气量的情况，不论数量多少，便进行储运，这个时候该运输的氢气量也许还不足以抵消由运输带来的能量损耗。
[0121]
为了解决以上情况的发生，于另一实施例中，本系统的氢气储运模块包括氢气存储罐和氢气运输车辆，所述氢气运输车辆为电驱动车辆。
[0122]
当电解水制氢模块为氢燃料电池供氢存在结余时，将本判断周期生产的氢气输送至氢气存储罐进行存储，并在下一判断周期当风力发电模块和光伏发电模块对电负荷设备供电存在结余时，将原本用于供给电解水制氢模块用于制氢的多余的电量提供给氢气运输车辆的蓄电池进行充电直至蓄电池被充满。
[0123]
当蓄电池被充满后，当风力发电模块和光伏发电模块对电负荷设备供电存在结余时，重新将多余的电能供给电解水制氢模块进行制氢，并将制得的氢气输送至氢气存储罐；当氢气存储管被充满，氢气运输车辆将所述氢气存储管运输至氢负荷设备进行供氢。
[0124]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。