一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统的制作方法

1.本发明涉及海上风力发电、波浪能发电以及电解水制氢技术领域，具体涉及一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统。

背景技术：

2.目前，世界传统能源的发展正面临着严重的储量匮乏且不可再生的问题，同时化石能源燃烧所带来的环境污染和温室气体排放的问题愈发严重。因此，能源转型迫在眉睫，可再生能源成为了各国研究和发展的重点，而无污染、储量大、可再生的海洋可再生能源无疑成了焦点。同时，由于氢气燃烧热值远高于传统化石能源，且燃烧后产物只有水，被认为是世界上最干净的能源，具有较大的应用潜力，有望在全球的能源转型中将占据重要地位。
3.在诸多种类的新型能源中，波浪能具有能量储备多、分布范围广等优点，海上风电能有效节约土地资源，风能来源相对稳定，发电效率较高，二者都已经成为各国争相研究的热点。然而现有的波浪能发电装置大量采用刚性材料制作，导致装置易被海水腐蚀而发生破坏；同时由于海底电缆铺设成本巨大的原因，海上风电和波浪能发电的成本居高不下，制约着海上可再生能源的发展。
4.在目前主要的制氢方式中，电解水制氢是较为环保且技术成熟的一种方式，因此，基于“电解水制氢—储氢—氢燃料电池发电”这一过程所开发的可再生能源利用的方式逐渐走进人们的视野，将电能以化学能的方式进行储存运输，再以氢气燃烧的方式释放能量的形式逐渐成为海上可再生能源的发展新方向。

技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，该集成系统能够综合利用海上风能与波浪能发电，同时利用所得电能制氢。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，包括半潜式平台、海水过滤淡化系统、制氢系统、风力发电系统、气囊系统、导气系统、气流发电系统及锚泊系统；半潜式平台包括甲板平台和中心柱，甲板平台的底部连接有多个浮箱，相邻的两个浮箱之间连接有横撑，浮箱底部连接有垂荡板，中心柱位于多个浮箱之间，中心柱与浮箱之间连接有斜撑，中心柱与垂荡板之间连接有支撑杆；海水过滤淡化系统位于浮箱内，制氢系统安装在甲板平台上，海水过滤淡化系统的出水管路与制氢系统连接，风力发电系统安装在中心柱上，气囊系统安装在横撑上，导气系统位于横撑内部，气囊系统与导气系统相连通，气囊系统的进气口与导气系统的出气口相连接，气囊系统的出气口与导气系统的进气口相连接，气流发电系统安装在导气系统内部，垂荡板的外侧壁上还连接有锚泊系统。
8.进一步的，多个气囊系统阵列布置在横撑上，导气系统上设有多对进气口和出气口，多个气囊系统与导气系统上的多对进气口和出气口一一对应。
9.进一步的，气囊系统包括柔性气囊，柔性气囊通过螺栓连接在横撑上，螺栓连接处涂有防水胶，柔性气囊的底部对称设有进气口和出气口，柔性气囊的底部还设有充气口；柔性气囊采用橡胶薄膜制成。
10.进一步的，导气系统包括通气管道，通气管道上设有多对进气口和出气口，通气管道的进气口和出气口处均安装有单向阀。
11.进一步的，气流发电系统包括空气透平、转轴、转子以及定子，定子固定安装在通气管道内部，转子转动安装在定子内，转子通过转轴与空气透平连接。
12.进一步的，定子包括机座、定子铁芯和线圈，定子铁芯均匀分布在机座内部，线圈绕制在定子铁芯上；转子包括钕铁硼磁铁、转子铁芯和夹板，钕铁硼磁铁位于转子铁芯和夹板之间。
13.进一步的，风力发电系统包括塔筒、风机、风机轮毂和叶片，塔筒固定连接在中心柱上，风机固定连接在塔筒顶部，风机轮毂转动安装在风机上，叶片固定安装在风机轮毂上。
14.进一步的，海水过滤淡化系统包括通过管路依次连接的过滤装置、蒸馏淡化装置和水泵，过滤装置上连接有进水管路，水泵上连接有出水管路，出水管路与制氢系统连接，过滤装置内设有粗过滤组件和活性炭过滤组件，过滤装置与蒸馏淡化装置连接的管路上还设有杂质水出口。
15.进一步的，制氢系统包括电解槽和储氢罐，电解槽与出水管路连接，电解槽的一端设有阳极板，电解槽的另一端设有阴极板，电解槽内设有多个阴阳极板，电解槽通过多个阴阳极板分隔成多个电解小室，相邻的两个电解小室相连通，电解小室内设有隔膜，电解小室通过隔膜分隔为阳极区和阴极区，阴极区通过导气管与储氢罐连接，导气管上设有氢气加压装置。
16.进一步的，锚泊系统包括连接件，连接件连接在垂荡板的外侧壁上，连接件上连接有锚链，锚链上连接有锚块。
17.总的说来，本发明具有如下优点：
18.一、本发明以半潜式平台为基础，将柔性气囊波浪能发电装置、风力发电系统、海水过滤淡化系统和制氢系统安装在半潜式平台上，形成集成系统，综合利用波浪能和海上风能发电，并将所得电能用于制氢系统电解水制氢，将电能就地转换为化学能进行储存。提高了海洋可再生能源的综合利用率，解决了波浪能发电装置的建造成本较高及海底电缆并网难度大、成本高的问题，具有广阔的应用前景。
19.二、本发明通过波浪作用于柔性气囊，使柔性气囊发生形变，柔性气囊形变会推动气体在通气管道中流动，利用通气管道中的气流发电系统发电，将气体流动的机械能转换为电能，从而实现波浪能发电。在风力的带动下，叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电，将风能转换成电能。
20.三、本发明的气囊系统在利用波浪能发电时有一定的消波作用，使得半潜式平台在波浪荷载下具有一定的缓冲能力，能够减小半潜式平台在波浪中的运动相应，提高半潜式平台的稳定性。
21.四、本发明的导气系统位于横撑内部，气流发电系统安装在导气系统内部，海水过滤淡化系统位于浮箱内，使得导气系统、气流发电系统和海水过滤淡化系统免于与海水接
触，有效避免了海水对导气系统和气流发电系统的腐蚀破坏，提高了本发明的可靠性，同时也提高了半潜式平台的空间利用率。
22.五、本发明的柔性气囊采用橡胶薄膜制成，橡胶薄膜具有高弹性，并且可塑性强、耐腐蚀性强，可最大限度避免波浪冲击和海水腐蚀造成的损坏，延长使用寿命。
23.六、本发明的电解槽为串联式双极性压滤式电解槽，电解槽通过多个阴阳极板分隔成多个电解小室，多个电解小室同时制氢，减小了占地空间且提高了整体制氢效率。
附图说明
24.图1是本发明的结构示意图。
25.图2是本发明的侧面结构示意图。
26.图3是本发明的海水过滤淡化系统的结构示意图。
27.图4是本发明的俯视结构示意图。
28.图5是本发明的制氢系统的结构示意图。
29.图6是本发明的气囊系统布置的结构示意图。
30.图7是本发明的导气系统的结构示意图。
31.图8是本发明的导气系统和气流发电系统的俯视结构示意图。
32.图9是本发明的定子和转子的结构示意图。
33.图10是本发明的气囊系统的结构示意图。
34.其中：1为半潜式平台，1-1为浮箱，1-2为横撑，1-3为斜撑，1-4为垂荡板，1-5为甲板平台，1-6为中心柱，1-7为支撑杆，2为制氢系统，2-1为导气管，2-2为电解槽，2-2-1为阳极板，2-2-2为隔膜，2-2-3为阴阳极板，2-2-4阴极板，2-3为储氢罐，2-4为氢气加压装置，3为海水过滤淡化系统，3-1为进水管路，3-2为过滤装置，3-2-1为粗过滤组件，3-2-2为活性炭过滤组件，3-3为蒸馏淡化装置，3-4为水泵，3-5为出水管路，3-6为杂质水出口，4为风力发电系统，4-1为塔筒，4-2为风机，4-3为风机轮毂，4-4为叶片，5为气囊系统，5-1为柔性气囊，5-2为柔性气囊进气口，5-3为柔性气囊出气口，5-4为充气口，6为导气系统，6-1为通气管道，6-2为通气管道进气口，6-3为通气管道出气口，6-4为单向阀，7为气流发电系统，7-1为空气透平，7-2为转轴，7-3为转子，7-3-1为转子铁芯，7-3-2为钕铁硼磁铁，7-3-3为夹板，7-4为定子，7-4-1为机座，7-4-2为定子铁芯，7-4-3为线圈，8为锚泊系统，8-1为连接件，8-2为锚链，8-3为锚块。
具体实施方式
35.下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
36.如图1和图2所示,一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，包括半潜式平台、海水过滤淡化系统、制氢系统、风力发电系统、气囊系统、导气系统、气流发电系统及锚泊系统；半潜式平台包括甲板平台和中心柱，甲板平台的底部连接有多个浮箱，相邻的两个浮箱之间连接有横撑，浮箱底部连接有垂荡板，中心柱位于多个浮箱之间，中心柱与浮箱之间连接有斜撑，中心柱与垂荡板之间连接有支撑杆；海水过滤淡化系统位于浮箱内，制氢系统安装在甲板平台上，海水过滤淡化系统的出水管路与制氢系统连接，风力发电系统安装在中心柱上，气囊系统安装在横撑上，导气系统位于横撑内部，气囊系统与导气系统
相连通，气囊系统的进气口与导气系统的出气口相连接，气囊系统的出气口与导气系统的进气口相连接，气流发电系统安装在导气系统内部，垂荡板的外侧壁上还连接有锚泊系统。波浪作用于气囊系统，使气囊系统发生形变，气囊系统形变推动气体在导气系统中流动，利用导气系统中的气流发电系统发电，将气体流动的机械能转换为电能，从而实现波浪能发电；同时，风力发电系统也会将风能转换成电能；利用海水过滤淡化系统来过滤淡化海水，得到蒸馏水，并通过制氢系统电解水制氢，通过波浪能和风能所得的电能能够用于制氢系统制氢。
37.如图6至图8所示,多个气囊系统阵列布置在横撑上，导气系统上设有多对进气口和出气口，多个气囊系统与导气系统上的多对进气口和出气口一一对应。
38.如图10所示,气囊系统包括柔性气囊，柔性气囊通过螺栓连接在横撑上，螺栓连接处涂有防水胶，柔性气囊的底部对称设有进气口和出气口，柔性气囊的底部还设有充气口。在本实施方式中，柔性气囊的底部呈长方形状，柔性气囊的底部通过螺栓连接在横撑顶面上。通过充气口可向柔性气囊充气，同时也能及时调整柔性气囊内部气压。
39.柔性气囊采用橡胶薄膜制成。橡胶薄膜具有高弹性，并且可塑性强、耐腐蚀性强，可最大限度避免波浪冲击和海水腐蚀造成的损坏。
40.如图7和图8所示,导气系统包括通气管道，通气管道上设有多对进气口和出气口，通气管道的进气口和出气口处均安装有单向阀。通过设置单向阀，能够控制通气管道中的气体单向流动，使得从柔性气囊流出的气体通过通气管道，流经气流发电系统发电后又流回柔性气囊中。
41.如图7至图9所示,气流发电系统包括空气透平、转轴、转子以及定子，定子固定安装在通气管道内部，转子转动安装在定子内，转子通过转轴与空气透平连接。定子包括机座、定子铁芯和线圈，定子铁芯均匀分布在机座内部，线圈绕制在定子铁芯上；转子包括钕铁硼磁铁、转子铁芯和夹板，钕铁硼磁铁位于转子铁芯和夹板之间。气体经通气管道流经气流发电系统时带动空气透平转动，经转轴带动转子转动，从而切割磁感线发电。
42.气流发电系统安装在导气系统内部，使得气流发电系统免于与海水接触，有效避免了海水对气流发电系统的腐蚀破坏，有效的提高了气流发电系统的可靠性。
43.如图1和图2所示,风力发电系统包括塔筒、风机、风机轮毂和叶片，塔筒固定连接在中心柱上，风机固定连接在塔筒顶部，风机轮毂转动安装在风机上，叶片固定安装在风机轮毂上。在本实施方式中，风机为三叶片水平轴风机。在风力的带动下叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电。
44.如图2和图3所示,海水过滤淡化系统包括通过管路依次连接的过滤装置、蒸馏淡化装置和水泵，过滤装置上连接有进水管路，水泵上连接有出水管路，出水管路与制氢系统连接，过滤装置内设有粗过滤组件和活性炭过滤组件，粗过滤组件包括拦网和过滤棉，用于滤除海水中的颗粒垃圾，活性炭过滤组件用于净化海水中的污染有机物，过滤装置与蒸馏淡化装置连接的管路上还设有杂质水出口。在本实施方式中，进水管路上还设有进水泵和控制阀，杂质水出口处设有排水泵。
45.海水通过进水泵流入进水管路并流入过滤装置中，先通过粗过滤组件滤除海水中的颗粒垃圾，然后通过活性炭过滤组件净化海水中的污染有机物，过滤后的杂质液体通过排水泵从杂质出口排出，较为纯净的海水流向蒸馏淡化装置，通过蒸馏淡化装置进行蒸馏
得到蒸馏水，通过水泵将蒸馏水沿出水管路输送到制氢系统中，蒸馏后的杂质液体也通过排水泵从杂质出口排出。
46.如图2至图5所示,制氢系统包括电解槽和储氢罐，电解槽与出水管路连接，电解槽的一端设有阳极板，电解槽的另一端设有阴极板，电解槽内设有多个阴阳极板，电解槽通过多个阴阳极板分隔成多个电解小室，相邻的两个电解小室相连通，电解小室内设有隔膜，电解小室通过隔膜分隔为阳极区和阴极区，阴极区通过导气管与储氢罐连接，导气管上设有氢气加压装置。在本实施方式中，电解槽为串联式双极性压滤式电解槽。
47.电流从电解槽一端的极板导入，最后由电解槽另一端的极板导出，电解槽内的每块阴阳极板同时担任阴极板和阳极板，即阴阳极板的正两个面分别在两个相邻的电解小室中充当阴极板和阳极板，每个电解小室同时制氢，并在阴极区生成氢气，生成的氢气通过导气管进入氢气加压装置，经氢气加压装置加压后流入储氢罐进行储存。
48.如图1所示,锚泊系统包括连接件，连接件连接在垂荡板的外侧壁上，连接件上连接有锚链，锚链上连接有锚块。在本实施方式中，锚泊系统采用多点悬链线式锚泊方式，每个连接件上均连接有三根锚链，三根锚链上均连接有锚块。通过锚泊系统可以将半潜式平台固定在工作海域，连接件、锚链和锚块组成的锚泊系统能够限制半潜式平台的多自由度运动，同时安装拆卸简单，面对极端海况时，转移比较方便。
49.本发明的工作原理如下：
50.通过充气口向柔性气囊充气，柔性气囊充气后膨胀，在波浪作用下，柔性气囊发生形变，柔性气囊形变推动柔性气囊内的气体沿柔性气囊出气口流出，沿通气管道进气口流入通气管道中，并流经通气管道中的气流发电系统，气体流经气流发电系统时会带动空气透平转动，经转轴带动转子转动，从而切割磁感线发电，气体流经气流发电系统后通过通气管道出气口流出，通过柔性气囊进气口流回柔性气囊中，如此反复。由于通气管道的进气口处和出气口处均安装有单向阀，使得通气管道中的气体仅能单向流动，使得从柔性气囊流出的气体通过通气管道，流经气流发电系统发电后又流回柔性气囊中。
51.与此同时，在风力的带动下，叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电，将风能转换成电能。
52.气流发电系统和风力发电系统所产生的电能经过整流器调整后具备相同的电压、频率、相位，即可传输至制氢系统提供电解水所需电源。
53.海水通过进水管路流入过滤装置中进行过滤，先通过粗过滤组件滤除海水中的颗粒垃圾，然后通过活性炭过滤组件净化海水中的污染有机物，过滤后的杂质液体通过杂质出口排出，较为纯净的海水流向蒸馏淡化装置，通过蒸馏淡化装置进行蒸馏得到蒸馏水，通过水泵将蒸馏水沿出水管路输送到制氢系统的电解槽中。
54.电流从电解槽一端的极板导入，最后由电解槽另一端的极板导出，电解槽内的阴阳极板的正两个面分别在两个相邻的电解小室中充当阴极板和阳极板，每个电解小室同时制氢，并在阴极区生成氢气，生成的氢气通过导气管进入氢气加压装置，经氢气加压装置加压后流入储氢罐进行储存。
55.总的说来，本发明以半潜式平台为基础，将柔性气囊波浪能发电装置、风力发电系统、海水过滤淡化系统和制氢系统安装在半潜式平台上，形成集成系统，综合利用波浪能和海上风能发电，并将所得电能用于制氢系统电解水制氢，将电能就地转换为化学能进行储
存。提高了海洋可再生能源的综合利用率，解决了波浪能发电装置的建造成本较高及海底电缆并网难度大、成本高的问题，具有广阔的应用前景。本发明通过波浪作用于柔性气囊，使柔性气囊发生形变，柔性气囊形变会推动气体在通气管道中流动，利用通气管道中的气流发电系统发电，将气体流动的机械能转换为电能，从而实现波浪能发电。在风力的带动下，叶片发生转动，进而带动风机轮毂转动，经风机内部发电装置进行发电，将风能转换成电能。本发明的气囊系统在利用波浪能发电时有一定的消波作用，使得半潜式平台在波浪荷载下具有一定的缓冲能力，能够减小半潜式平台在波浪中的运动相应，提高半潜式平台的稳定性。本发明的导气系统位于横撑内部，气流发电系统安装在导气系统内部，海水过滤淡化系统位于浮箱内，使得导气系统、气流发电系统和海水过滤淡化系统免于与海水接触，有效避免了海水对导气系统和气流发电系统的腐蚀破坏，提高了本发明的可靠性，同时也提高了半潜式平台的空间利用率。本发明的柔性气囊采用橡胶薄膜制成，橡胶薄膜具有高弹性，并且可塑性强、耐腐蚀性强，可最大限度避免波浪冲击和海水腐蚀造成的损坏，延长使用寿命。本发明的电解槽为串联式双极性压滤式电解槽，电解槽通过多个阴阳极板分隔成多个电解小室，多个电解小室同时制氢，减小了占地空间且提高了整体制氢效率。
56.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：包括半潜式平台、海水过滤淡化系统、制氢系统、风力发电系统、气囊系统、导气系统、气流发电系统及锚泊系统；半潜式平台包括甲板平台和中心柱，甲板平台的底部连接有多个浮箱，相邻的两个浮箱之间连接有横撑，浮箱底部连接有垂荡板，中心柱位于多个浮箱之间，中心柱与浮箱之间连接有斜撑，中心柱与垂荡板之间连接有支撑杆；海水过滤淡化系统位于浮箱内，制氢系统安装在甲板平台上，海水过滤淡化系统的出水管路与制氢系统连接，风力发电系统安装在中心柱上，气囊系统安装在横撑上，导气系统位于横撑内部，气囊系统与导气系统相连通，气囊系统的进气口与导气系统的出气口相连接，气囊系统的出气口与导气系统的进气口相连接，气流发电系统安装在导气系统内部，垂荡板的外侧壁上还连接有锚泊系统。2.根据权利要求1所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：多个气囊系统阵列布置在横撑上，导气系统上设有多对进气口和出气口，多个气囊系统与导气系统上的多对进气口和出气口一一对应。3.根据权利要求2所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：气囊系统包括柔性气囊，柔性气囊通过螺栓连接在横撑上，螺栓连接处涂有防水胶，柔性气囊的底部对称设有进气口和出气口，柔性气囊的底部还设有充气口；柔性气囊采用橡胶薄膜制成。4.根据权利要求2所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：导气系统包括通气管道，通气管道上设有多对进气口和出气口，通气管道的进气口和出气口处均安装有单向阀。5.根据权利要求4所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：气流发电系统包括空气透平、转轴、转子以及定子，定子固定安装在通气管道内部，转子转动安装在定子内，转子通过转轴与空气透平连接。6.根据权利要求5所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：定子包括机座、定子铁芯和线圈，定子铁芯均匀分布在机座内部，线圈绕制在定子铁芯上；转子包括钕铁硼磁铁、转子铁芯和夹板，钕铁硼磁铁位于转子铁芯和夹板之间。7.根据权利要求1所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：风力发电系统包括塔筒、风机、风机轮毂和叶片，塔筒固定连接在中心柱上，风机固定连接在塔筒顶部，风机轮毂转动安装在风机上，叶片固定安装在风机轮毂上。8.根据权利要求1所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：海水过滤淡化系统包括通过管路依次连接的过滤装置、蒸馏淡化装置和水泵，过滤装置上连接有进水管路，水泵上连接有出水管路，出水管路与制氢系统连接，过滤装置内设有粗过滤组件和活性炭过滤组件，过滤装置与蒸馏淡化装置连接的管路上还设有杂质水出口。9.根据权利要求8所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其特征在于：制氢系统包括电解槽和储氢罐，电解槽与出水管路连接，电解槽的一端设有阳极板，电解槽的另一端设有阴极板，电解槽内设有多个阴阳极板，电解槽通过多个阴阳极板分隔成多个电解小室，相邻的两个电解小室相连通，电解小室内设有隔膜，电解小室通过隔膜分隔为阳极区和阴极区，阴极区通过导气管与储氢罐连接，导气管上设有氢气加压装置。10.根据权利要求1所述的一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，其
特征在于：锚泊系统包括连接件，连接件连接在垂荡板的外侧壁上，连接件上连接有锚链，锚链上连接有锚块。

技术总结

本发明涉及一种基于半潜式平台的波浪能-风能发电制氢集成系统，包括半潜式平台、海水过滤淡化系统、制氢系统、风力发电系统、气囊系统、导气系统、气流发电系统；半潜式平台包括甲板平台和中心柱，甲板平台的底部连接有多个浮箱，相邻的浮箱之间连接有横撑，浮箱底部连接有垂荡板，中心柱位于多个浮箱之间；海水过滤淡化系统位于浮箱内，制氢系统安装在甲板平台上，海水过滤淡化系统与制氢系统连接，风力发电系统安装在中心柱上，气囊系统安装在横撑上，导气系统位于横撑内部，气囊系统与导气系统相连通，气流发电系统安装在导气系统内部，垂荡板的外侧壁上还连接有锚泊系统。本发明能够综合利用海上风能与波浪能发电，同时利用所得电能制氢。得电能制氢。得电能制氢。