一种全域式海上风光能耦合制氢系统

技术领域

本发明涉及一种制氢系统，具体涉及一种全域式海上风光能耦合制氢系统。

背景技术

我国是全球第一大碳排放国，占据了世界27.2％的碳排放量，发展大规模的风电、光伏及其他新能源发电是兑现“碳达峰、碳中和”承诺的必由之路。近年来，海上风电、光伏电站发展迅速，多个商用机组已实现并网投产。上述风电场、光伏电站所发电能依赖海底电缆输送，故只能建设在近海区域。综合来看，这类海上新能源电站受电缆铺设成本所限，仅可应用于近海地区，而对浩瀚的远海、深海区风光能资源难以利用；考虑到港口建设、海鲜养殖、船舶进出等因素，近海区域大面积发展海上风电、光伏存在空间限制；最后，海底电缆的制造成本高、铺设难度大、检修维护困难、一旦漏电危及海洋生物安全。因此，现有的近海型海上新能源电站，难以覆盖占据地球表面71％的海洋面积，其削减全球碳排放的巨大潜能，还远未被有效开发和利用。

氢是地球上比质量能量密度最高的物质(142MJ/kg)，每千克氢燃烧后的热量，约为同质量汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，是实现未来汽车、城市、工业绿色驱动的重要解决方案之一。丰田公司的氢燃料电池汽车Mirai于2016年推出，2021年完成了换代，第二代Mirai续航里程高达651km，明显优于现有的蓄电池电动汽车。国内汽车企业如长城、广汽、长安、金龙等均已公开其氢燃料电池汽车研发进展，我国首台氢燃料混合动力机车也于2021年2月20日下线，有力助推了我国铁路装备进入全球氢能应用“俱乐部”——由此可见，绿色环保、高品位的氢能需求量巨大，应用面广泛，若能大规模低成本地制造供应氢气，对于减少全球碳排放、有效应对气候变暖危机，必将起到重要作用。

浩瀚海洋上的风能、光能于人类而言，是取之不尽、用之不竭的，若能建立高度集成的风能、光伏发电耦合制氢系统，以浮岛平台的形式散布于五大洋之上，实现无人值守的全自动海水电解制氢，其生产成本与生产效率必将具有更强的市场竞争力，然而现有技术中并没有给出类似的公开。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种全域式海上风光能耦合制氢系统，该系统能够实现风能、光能发电与制氢的耦合，同时实现全自动海水电解制氢。

为达到上述目的，本发明所述的全域式海上风光能耦合制氢系统包括风力发电机、太阳能电池板、风光能耦合输出电源、多模块式电解槽、氢气浮子储罐及氧气浮子储罐；

风力发电机的输出端及太阳能电池板的输出端与风光能耦合输出电源的输入端相连接，风光能耦合输出电源的输出端与多模块式电解槽中的电解槽电极相连接，多模块式电解槽的氢气出口与氢气浮子储罐的入口相连通，多模块式电解槽的氧气出口与氧气浮子储罐的入口相连通。

还包括浮力底座，其中，多模块式电解槽、风力发电机及太阳能电池板均设置于浮力底座上，氢气浮子储罐及氧气浮子储罐均安装于浮力底座的底部，并浸没于海水中。

还包括控制系统以及用于检测风光能耦合输出电源输出功率的检测系统，其中，控制系统与检测系统的输出端及多模块式电解槽的控制端相连接。

还包括上水管路，其中，上水管路上设置有上水泵，上水挂路的出口与多模块式电解槽的进水口相连通，上水泵的控制端与控制系统相连接。

上水管路内设置有过滤网。

氢气浮子储罐内设置有第一气压计，氧气浮子储罐内设置有第二气压计，其中，控制系统与第一气压计的输出端及第二气压计的输出端相连接。

氢气浮子储罐、氧气浮子储罐及电解槽电极均采用耐腐蚀材料制作制成。

还包括与控制系统相连接的远程监控端。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的全域式海上风光能耦合制氢系统在具体操作时，风力发电机输出的交流电与太阳能电池板输出的直流电通过风光能耦合输出电源耦合输出，以驱动电解槽电极电解海水，其中，多模块式电解槽电解产生的氢气存储于氢气浮子储罐中，多模块式电解槽产生的氧气存储于氧气浮子储罐中，以实现风光能就地转化、就地储存方案，无海底电缆、无岸基逆变站、无配套并网变压站，大大降低了投资成本、运维检修成本，也避免了海底电缆漏电对海洋生物的潜在威胁。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为氢气浮子储罐、2为氧气浮子储罐、3为电解槽电极、4为多模块式电解槽、5为风光能耦合输出电源、6为风力发电机、7为太阳能电池板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1，本发明所述的全域式海上风光能耦合制氢系统包括检测系统、控制系统、氢气浮子储罐1、氧气浮子储罐2、电解槽电极3、多模块式电解槽4、风光能耦合输出电源5、风力发电机6及太阳能电池板7。

风力发电机6的输出端及太阳能电池板7的输出端与风光能耦合输出电源5的输入端相连接，风光能耦合输出电源5的输出端与多模块式电解槽4中的电解槽电极3相连接，多模块式电解槽4的氢气出口与氢气浮子储罐1的入口相连通，多模块式电解槽4的氧气出口与氧气浮子储罐2的入口相连通。

其中，需要说明的是，风力发电机6及太阳能电池板7均设置于浮力底座上，通过检测系统检测风光能耦合输出电源5的输出功率，根据风光能耦合输出电源5输出功率的大小调节多模块式电解槽4中电解模块的开启数量，氢气浮子储罐1内设置有第一气压计，氧气浮子储罐2内设置有第二气压计，其中，检测系统的输出端、第一气压计的输出端及第二气压计的输出端与控制系统的输入端相连接，控制系统的输出端与多模块式电解槽4的控制端相连接。

另外，上水管路的出口与多模块式电解槽4的入口相连通，上水管路上设置有上水泵，上水泵的控制端与控制系统相连接，同时上水管路内设置有滤网。

氢气浮子储罐1及氧气浮子储罐2均安装于浮力底座的底部，并浸没于海水中，成为浮岛底座的一部分，不占空间又减轻重量的作用，构建出独立的浮岛式海上制氢站。

风力发电机6与太阳能电池板7均布置于浮力底座上，海上风能光能资源丰富，驱动风力发电机6发出交流电，驱动太阳能电池板7发出直流电，两种新能源电力均随着光照强度及风力等级变化，具有较大波动性，因此，两个风力发电机6与太阳能电池板7输出的电能需利用风光能耦合输出电源5以实现耦合输出。

风光能耦合输出电源5输出的稳定直流电送入电解槽电极3，电解槽电极3插入到多模块式电解槽4中，考虑到海水中氯离子的腐蚀作用，电解槽电极3采用耐腐蚀材料制作，氢气浮子储罐1及氧气浮子储罐2均由耐腐蚀材料制成。由于电源功率的波动性，当风光能耦合输出电源5的输出功率较低时，则减少电解模块的通电数量，当风光能耦合输出电源5的输出功率较高时，则增加电解模块的通电数量，使得通电的电解模块能够正常工作，避免通电的电解模块电量不足不能满足电解制氢的需求。

工作时，多模块式电解槽4首先自动进水，海水达到合适液位后，上水泵关闭，海上的风力或者阳光强度满足发电要求时，风力发电机6及太阳能电池板7分别工作发电，风力发电机6及太阳能电池板7产生的电能输送至风光能耦合输出电源5中。在风光能耦合输出电源5中，将风力发电机6产生的交流电整流成直流电，再与太阳能电池板7产生的直流电协同为多模块式电解槽4供电，多模块式电解槽4电解产生的氢气存储于氢气浮子储罐1中，多模块式电解槽4产生的氧气存储于氧气浮子储罐2中，其中，当氢气浮子储罐1中的气压超过预设压力值或者氧气浮子储罐2中的气压超过预设压力值时，则多模块式电解槽4停止工作，并发出警示信号，以告知远程监控端，通过运输船将氧气浮子储罐2及氢气浮子储罐1取回，并安装新的氧气浮子储罐2及氢气浮子储罐1。