一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统

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1.本发明涉及氢气制备领域，尤其涉及一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统。

背景技术：

2.海洋中蕴含着大量能源，目前可以利用的就有波浪能、风能、潮流能和温差能等等，但是基于海洋环境的多样性和复杂性，单一能源发电设备及一般的海上能源岛装置存在电力输出不稳定，建设投入高，电能产出低的问题。例如海上波浪波幅比较小的时候，或者风速比较小的时候，就会减小瞬时发电量，导致制氢反应停止。对于单一的波浪能发电和风力发电技术虽然已开展，但大多数波浪能系统或者海上风能系统仍处在早期的开发阶段，只有少数装置在真实海况下进行了试验，而且在使用中的波浪能转换器数量并不多，波浪能转换效率低。利用单一波能转换系统装置发电的同时也会遇到一些现实困难，例如远海的波浪能丰富，但是若是从远海传输电流到达海岸甚至沿岸城市使用的话，会大幅提高成本和施工难度。同时，远海波浪能或风能单一发电本身具有不稳定性和周期性，在远程传输电力的途中会对较低的电压或者电流造成极大损耗，能量耗散程度远比内陆火力发电或风力发电高的高，得不偿失。而且如果大面积铺设单一能源转化装置，如单一风能和波浪能捕获装置，则有可能影响船舶的正常航行。
3.目前，缺乏一种能够稳定发电的氢气制备系统。

技术实现要素：

4.本发明解决了缺乏一种能够稳定发电的氢气制备系统的问题。
5.本发明提供一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，所述系统包括：波能转换系统、风能转换系统、制氢系统和储氢系统；
6.所述波能转换系统用于将海浪的波能转化为电能，为制氢系统提供电能；
7.所述风能转换系统用于将风能转化为电能，为制氢系统提供电能；
8.所述制氢系统用于获取氢气；
9.所述储氢系统用于储备氢气。
10.进一步，所述波能转换系统和风能转化系统输出的为直流电。
11.进一步，所述制氢系统还包括：海水预处理单元和pem质子交换单元；
12.所述海水预处理单元用于将海水过滤净化为pem质子交换单元所需纯净水；
13.pem质子交换单元用于传导质子，制取氢气。
14.进一步，所述pem质子交换单元的工作最大功率为2w，直流电流值为1a，直流电压值为1.8v。
15.进一步，所述储氢系统包括：
16.压缩系统、氢气罐和传感器；
17.所述压缩系统用于压缩氢气；
18.所述氢气罐用于存储氢气；
19.所述传感器用于采集氢气罐内的氢气存储量。
20.进一步，所述压缩系统的可压缩性为：
[0021][0022]
其中，p
tank
为氢气罐的罐体压力。
[0023]
进一步，所述制氢系统与储氢系统通过弯曲管进行连接。
[0024]
进一步，所述波能转换系统还包括浮子，所述浮子的三维立体结构模型为圆锥体。
[0025]
进一步，所述圆锥体的密度为(1025
±
100)kg/m3。
[0026]
本发明的有益之处在于：
[0027]
1.本发明通过将波浪能和风能转化为电能。在获取电能之后，对电能进行电流整合，通过海水处理、pem质子交换膜技术获得氢，然后通过多级压缩系统存储于储氢罐之中，解决了解决了缺乏一种能够稳定发电的氢气制备系统的问题。
[0028]
2.本发明收集利用波浪能和风能，制备氢气时可以减少化石燃料的消耗，节约能源。
[0029]
本发明基于海上波浪能和风能进行设计氢气制备系统，对得到充分发展的氢气制备系统进行展望，得到海上能源站的概念，分析未来趋势，为实现节能减排提供参考。将氢气储存系统为海上能源存储站，可以帮助船舶补充燃料，提升续航能力。
[0030]
本发明适用于海上新能源存储技术领域，能够应用于海上能源站的建设。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例一所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的流程图。
[0032]
图2为本发明实施例七所述的氢气制备系统效果图,11为海水预处理单元，12为波能转换系统和风能转换系统集合的发电单元，13为氧气，14为pem质子交换单元，15为氢气，16为压缩装置，17为氢气罐。
[0033]
图3为本发明实施例八所述的波能转换系统浮子示意图。
[0034]
图4为本发明实施例八所述的不同频率下浮子功率示意图。
[0035]
图5为本发明实施例八所述的波能转换系统模型运动示意图。
[0036]
图6为本发明实施例一所述的海上涡轮风机和波浪能捕获浮子的海上能源站系统示意图。
具体实施方式
[0037]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明发的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0038]
实施例一、参见图1和图6说明本实施例。本实施例所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，所述系统包括：波能转换系统、风能转换系统、制氢系统和储氢系统；
[0039]
所述波能转换系统由实施例一的制备方法获取；
[0040]
所述波能转换系统用于将海浪的波能转化为电能，为制氢系统提供电能；
[0041]
所述风能转换系统用于将风能转化为电能，为制氢系统提供电能；
[0042]
所述制氢系统用于获取氢气，所述氢气为蓝燃料；
[0043]
所述储氢系统用于储备氢气。
[0044]
在实际应用中，氢气制备系统与锚链系统连接，提供最基础的锚链功能。通过连接锚与制备系统，向系统传递抓驻力；且抛出的锚链有一定的重量，可在水中对系统所受到的突然的海流等外力起一定的缓冲作用。。
[0045]
在波幅为1m的理想情况下，将单个制氢系统功率线性叠加，得到的模块每日制氢产量就能达到59kg，可以使汽车行驶6000km以上。
[0046]
如图6所示，系统可以同时通过波浪能和风能发电，通过电力整合装置获得可以使用的直流电，在pem质子交换单元制取氢气，通过储氢系统存储氢气。当本发明所述的氢气制备系统足够成熟时，就可以采用大规模的氢气制备、存储和输送设备，将存储设备固定于海底，在氢气制备系统产生燃料后，利用软管接收制备系统产生的氢气存储于罐中。在一定条件下，可以在海底铺设运输管道，将氢气直接运输到沿海城市而不是周期性的需要运输船将装满氢气的氢气罐运回替换。
[0047]
实施例二、本实施例是对实施例四所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的进一步限定，所述波能转换系统和风能转化系统将交流电转化为直流电。
[0048]
实施例三、本实施例是对实施例四所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的进一步限定，所述制氢系统包括：海水预处理单元和pem质子交换单元；
[0049]
所述海水预处理单元用于将海水过滤净化为pem质子交换单元所需纯净水；
[0050]
pem质子交换单元用于传导质子，制取氢气，且隔离氢气和氧气。
[0051]
在实际应用中，会使用多个pem单元进行氢气生产。生产氢气的对应比例如表1所示。
[0052]
表1
[0053][0054]
实施例四、本实施例是对实施例六所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料
制备系统的进一步限定，所述pem质子交换单元的工作最大功率为2w，直流电流值为1a，直流电压值为1.8v。
[0055]
实施例五、本实施例是对实施例四所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的进一步限定，所述储氢系统包括：
[0056]
压缩系统、氢气罐和传感器；
[0057]
所述压缩系统用于压缩氢气；
[0058]
所述氢气罐用于存储氢气；
[0059]
所述传感器用于获取氢气存储情况。
[0060]
在实际应用中，传感器不仅了解氢罐的存储情况，了解罐内压力和体积利用率，充分利用氢罐体积实现较高收益；还可以积极分配氢罐压力，减少类似于某个氢罐较满而其他氢罐空闲的情况，尽量减小在海中的不平衡力矩；更能频繁发送氢罐情况信息，让陆上工作人员时刻了解氢气制备情况并作出回收或检测的判断，减少因故障造成的损失，提高经济效益。
[0061]
实施例六、本实施例是对实施例八所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的进一步限定，所述压缩系统的可压缩性为：
[0062][0063]
其中，p
tank
为氢气罐的罐体压力。
[0064]
实施例七、参见图2说明本实施例。本实施例是对实施例四所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的进一步限定，所述制氢系统与储氢系统通过弯曲管进行连接。
[0065]
在实际应用中，pem质子交换单元的工作环境较为严格，需要60
°
～70
°
的环境温度，因此波能转化系统和风能转化系统还用于供给系统加热的能量。
[0066]
在合适的环境条件下，利用波能转换系统和风能转换系统集合的发电单元12进行发电，预处理单元11进行处理海水，pem质子交换单元14分解处理过的海水，以氢气15和氧气13作为产物。因为pem质子交换单元14具有气体在膜中的渗透性小的特点，所以无需担心氢气15与氧气13混合所带来的危险。同时从图中可以看出，氧气13生成后可以通过上方的排气孔排入大海中，并能顺利排入大气，不会对系统造成进一步侵蚀。制氢系统制备出氢气之后，经压缩装置16压缩氢气，会通过管道通入氢气罐17。
[0067]
实施例八、参见图3、图4和图5说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的进一步限定，所述波能转换系统还包括浮子，所述浮子的三维立体结构模型为圆锥体。
[0068]
本实施方式中，将浮子的形状设计为圆锥体。在现有各种浮子的结构中，圆锥体结构获取的波浪能最多。常见的浮子结构如图3所示，所述浮子在顶部圆盘直径均相同且提及出相同的前提下，圆锥体的浮子获取的波浪能最多。通过水动力计算和实际功率计算，验证获取波浪能最多的浮子，水动力计算方法为：
[0069][0070]
其中，f3表示水动力，a
33
表示垂荡方向上附加质量的值，η3表示垂荡方向上的位
移，t表示垂荡方向上的时间，b33是垂荡方向上的阻尼系数。
[0071]
通过实际功率计算可知，06号为适应性好、平均功率高的浮子，如图4所示，在不同频率，相同波幅情况下，06号浮子的平均功率最高。图5中h是指竖直方向上的移动距离，pto系统全称是power take off是指动力输出装置，用于输出波浪能和风能转化为的电能。其中，动力输出装置不是完全固定于海面的，也可以进行横摇等运动，减小被海流破坏的概率。
[0072]
实施例九、本实施例是对实施例一所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统的进一步限定，所述圆锥体的密度为1025
±
100kg/m3。

技术特征：

1.一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述系统包括：波能转换系统、风能转换系统、制氢系统和储氢系统；所述波能转换系统用于将海浪的波能转化为电能，为制氢系统提供电能；所述风能转换系统用于将风能转化为电能，为制氢系统提供电能；所述制氢系统用于获取氢气；所述储氢系统用于储备氢气。2.根据权利要求1所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述波能转换系统和风能转化系统输出的为直流电。3.根据权利要求1所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述制氢系统还包括：海水预处理单元和pem质子交换单元；所述海水预处理单元用于将海水过滤净化为pem质子交换单元所需纯净水；pem质子交换单元用于传导质子，制取氢气。4.根据权利要求3所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述pem质子交换单元的工作最大功率为2w，直流电流值为1a，直流电压值为1.8v。5.根据权利要求4所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述储氢系统包括：压缩系统、氢气罐和传感器；所述压缩系统用于压缩氢气；所述氢气罐用于存储氢气；所述传感器用于采集氢气罐内的氢气存储量。6.根据权利要求5所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述压缩系统的可压缩性为：其中，p
tank
为氢气罐的罐体压力。7.根据权利要求1所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述制氢系统与储氢系统通过弯曲管进行连接。8.根据权利要求1所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述波能转换系统包括浮子，所述浮子为圆锥体结构。9.根据权利要求8所述的一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，其特征在于，所述圆锥体的密度为1025
±
100kg/m3。

技术总结

一种基于海上波浪能和风能的蓝燃料制备系统，涉及氢气制备领域。目前缺乏一种能够稳定发电的氢气制备系统所述系统包括：波能转换系统、风能转换系统、制氢系统和储氢系统；所述波能转换系统用于将海浪的波能转化为电能，为制氢系统提供电能；所述风能转换系统用于将风能转化为电能，为制氢系统提供电能；所述制氢系统用于获取氢气；所述储氢系统用于储备氢气。所述制氢系统还包括：海水预处理单元和PEM质子交换单元；所述海水预处理单元用于将海水过滤净化为PEM质子交换单元所需纯净水；PEM质子交换单元用于传导质子，制取氢气。本发明适用于海上新能源存储技术领域，能够应用于海上能源站的建设。能源站的建设。能源站的建设。