阅读说明：本技术 一种多能互补的海上能源集成发电系统 (Multi-energy complementary offshore energy integrated power generation system ) 是由 金安君 李智豪 罗祥富 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多能互补的海上能源集成发电系统,包括风能发电系统、光伏发电系统、海洋温差能发电系统,并配备储能系统、海水淡化系统,所述海洋温差能发电系统的输出电压,通过AC/DC双向逆变装置进行稳压、调压及恒流处理,输出为稳定电压,并通过充、放电模组对储能电池组进行充电,当电池组电量达到设定的上限时,停止充电；AC/DC双向逆变装置在向储能电池组进行充电时,如果有负载需要提供电能,则同时通过DC/AC逆变器另路转换并输出适合负载使用要求的电,供给负载使用,本发明方案集成了更多能源形式的多能互补,充分利用海上能源,把光能发电系统,风能发电系统,海洋温差能发电系统进行耦合,以此解决能源的综合高效利用问题。(The invention discloses a multi-energy complementary offshore energy integrated power generation system, which comprises a wind energy power generation system, a photovoltaic power generation system, an ocean temperature difference energy power generation system, an energy storage system and a seawater desalination system, wherein the output voltage of the ocean temperature difference energy power generation system is subjected to voltage stabilization, voltage regulation and constant current treatment through an AC/DC bidirectional inverter, is output as stable voltage, and is charged to an energy storage battery pack through a charging and discharging module; when the AC/DC bidirectional inverter is used for charging the energy storage battery pack, if a load needs to provide electric energy, the AC/DC bidirectional inverter converts the electric energy in another way through the DC/AC inverter and outputs the electric energy suitable for the use requirement of the load to be supplied to the load.)

一种多能互补的海上能源集成发电系统

技术领域

本发明涉及电能源技术领域，特别涉及一种多能互补的海上能源集成发电系统。

背景技术

海洋能是能量巨大的绿色可再生能源，世界上拥有海洋资源的国家都在努力开发海洋能资源，促进海洋能相关新能源技术的发展。其中海洋温差能发电是海洋能开发利用的新能源技术之一。

目前海洋温差能发电系统（OTEC）包括开式循环系统、闭式循环系统和混合式循环系统。开式循环系统由闪蒸器，汽轮机，冷凝器，以及海水泵组成，其工作过程首先是将温海水泵入闪蒸器中，使其部分蒸发产生水蒸气，水蒸气再透平机内膨胀做功，带动发电机发电，做完功后在冷凝器中液化成海水。闭式循环系统以工质作为循环介质，增加了工质泵，使工质在系统中循环流动，带动透平机转动，使发电机发电。混合式循环系统与闭式循环系统的差别仅存在于蒸发器部分。它的工作原理是先将温海水在闪蒸器内汽化为水蒸气，水蒸气再去加热工质，增加工质汽化温度。

然而它们都是由单一的海洋温差能进行发电，其能源利用形式单一，热力循环效率低，不足4%。

海洋温差能发电是利用海洋表层温水（温度一般在25～28℃）与距表层水600-1000米处冷海水（温度一般在3～6℃）具有约20（℃）的温差，借助专门的海洋温差能发电装置，利用这个温差使发电装置中循环工质经过蒸发器和冷凝器的循环过程，带动涡轮机的叶轮转动产生机械能，进而再转换成电能，进行发电。这个专门的海洋温差能发电装置包含冷凝器、蒸发器、涡轮机、发电机、抽水泵、工质循环泵及连接管道和冷海水，温海水，低沸点的工质（如氨）等主要组成部件。

冷凝器作用是利用海洋底层低温海水把低温传输给冷凝器，譬如氨高温气态工质通过冷凝器后降温冷却凝结成液态，并通过输送泵输送到蒸发器；蒸发器的作用则是将海洋表层相对高温度的海水的热量传输给蒸发器，蒸发器使用高温海水输送的高温把由冷凝器输送来的低沸点工质，使其吸热蒸发成为气态。由于工质从液态转换为气态，体积急剧膨胀，进而推动涡轮机叶轮转动，再进而由涡轮机叶轮转动的动能传送给发电机转子，发电机转子获得动能进行发电。

我国拥有能量巨大的海洋温差能发电潜能，因此，利用海洋温差能进行发电可获得相当可观的电能。通过海洋温差能发电装置获得的电能要加以科学管理，储存和高效使用，在此提出海洋温差能发电电能的储能技术方案。

海洋温差能发电系统的基本原理是利用海洋表面温海水加热某些低沸点工质，并使其汽化，或通过降压使海水汽化以驱动汽轮机发电。同时利用从海底提取的冷海水将做功后的乏汽冷凝，使之重新变为液体，形成循环系统。海洋温差能发电已有一百多年的历史，早期法国科学家实验验证了海洋温差能发电的可行性，但由于存在技术上的困难和问题，直到1973年石油危机后，才被美国日本等国提上日程。1926年法国科学家克劳德设计了开式循环系统，1964年安德森父子提出了闭式循环发电系统，之后混合式循环系统也被研发者提出。但是集成多种能源的混合式海洋温差能发电系统的专利还没被提出。

中国专利CN201810223599.3中设计一种海洋温差能发电系统。我国海洋幅员辽阔，海洋能储量巨大，海洋温差能储量一样巨大。但目前国内的海洋温差能发电还处于实验阶段，还没有真正投入运营的海洋温差能发电机组和储能管理系统，尤其是达到3000KW.h的大功率发电机组和大容量电能储存装置。

以海洋能为基准能源的一种多能互补泛在电力、大功率分布式民用供电设备的实施方法。在兆瓦总功率的OTEC装置中，一般设置多能源补充的太阳能（光伏）发电和风能发电各是OTEC的1/2；储能约为总输出量一天的总发电量。譬如；综合利用以多能互补和综合利用为特色的总-1MW规模海洋温差能发电系统；储能设计可选为5MW-h; 可优化生产纯净水每天10吨（设备产水量为每天1吨至50吨）。

现有技术的缺点主要体现在：

1）能源利用形式单一，只采用了海洋温差能，没有将风能，太阳能等清洁能源加以利用。

2）海洋温差能发电系统热力循环效率低，一般不足4%。

3）这个传统技术发展较慢：功率放大拓展缓慢。（1926年，由法国推进了OTEC第一代）；

4）海洋温差能发电在国内的实验结果显示，转化率较低，国际上不足4%，典型仅1～3%；

5） 目前在国内还没有实现商业化，技术在不断提升，因此与之相适应的电能储存技术和储电装置都是前沿创新；

6）之前的海洋温差能发电实验项目发电功率较小，各方面技术还有不断完善之处；

7）之前的海洋温差能发电实验，电能储存技术和控制系统配套可进一步提升。

发明内容

本发明目的是：提供一种多能互补的海上能源集成发电系统。

本发明的技术方案是：

一种多能互补的海上能源集成发电系统，包括风能发电系统、光伏发电系统、海洋温差能发电系统，并配备储能系统、海水淡化系统，其中：

风能发电系统，采用四台分别布置在海上发电平台四周的万向风力发电机，万向风力发电机采用弧形叶片；

光伏发电系统，采用第三代钙钛矿太阳能电池板，太阳能电池板安装在海上发电平台棚顶和风力发电机的顶端；

海洋温差能发电系统，采用封闭式循环系统，以氨气作为工质；液态氨储存在储氨罐中，通过工质泵将其抽入到管道中，管道通过充满温海水的闪蒸器，对液氨进行第一道加热使其气化，然后回型管道经过太阳能聚光盘，太阳能对其进行第二道加热，此时进入透平机的氨蒸气温度到达最高，且氨气压力达到最大，高压氨气带动透平机叶片转动，透平机的叶轮轴连接发电机，进行发电；氨蒸气出透平机后进入冷凝器；

海水淡化系统，设置于冷凝器中，冷海水通过冷水泵抽到冷水池，流过透平机的蒸气通过管道经过冷水池降温液化，冷水吸热汽化蒸发，冷水池顶部有冷凝板，用于冷凝汽化的淡水，同时也将氨蒸气液化为液态氨；

储能系统，包括两部分，第一部分是由储能电池组构成的储能箱，用于存储系统多余电量；第二部分为温海水储能箱，白天表面海水抽入闪蒸器的热水加热工质后，储存在温海水储能箱中，供晚上使用。

进一步的，所述海洋温差能发电系统的输出电压，通过AC/DC双向逆变装置进行稳压、调压及恒流处理，输出为稳定电压，供给储能电池组充电和负载用电。

进一步的，所述AC/DC双向逆变装置将海洋温差能发电机输出的电能转换为高压恒流的DC电能，并通过充、放电模组对储能电池组进行充电，当电池组电量达到设定的上限时，停止充电；AC/DC双向逆变装置在向储能电池组进行充电时，如果有负载需要提供电能，则同时通过DC/AC逆变器另路转换并输出适合负载使用要求的电，供给负载使用。

进一步的，所述AC/DC双向逆变装置输出电压根据储能电池组的组合方案和容量值设计，输出电压大于储能电池组电压，另加上浮充电压值。

进一步的，所述AC/DC双向逆变装置和DC/AC逆变器输出端连接开关、保险装置后，接入用电器供电电路；其中AC/DC双向逆变装置和储能电池组之间，连接充、放电管理智能系统，对储能电池组进行充、放电管理和保护。

进一步的，所述充、放电智能管理系统将AC/DC双向逆变装置输出的电根据储能电池组合方式，调节适当的电压和适当的恒定电流对储能电池组进行充电，此过程中采集各单元电池的电压、容量、充电电流、温度数据，并由充电系统根据均衡充电规则调节电路中各单元电池的充电电压和电流，当各单元电池电压达到充电电压上限时，停止继续充电。

进一步的，储能电池组放电时，同样采集各单元电池的电压、容量、充电电流、温度数据，由放电管理系统控制，当放电过程中单元电池电压下降到电压下限时，停止放电。

进一步的，当储能电池组在充、放电过程中，系统检测到电流达到限定值时，停止充电和放电；当储能电池组在充、放电过程中，系统检测到发生短路时，断开电路；当系统检测到某监测点温度超过限定值时，断开电路停止相关涉电装置工作。

进一步的，所述储能电池组连接电网输送电能，通过DC/AC逆变装置和锁相变频后，将DC电源转换为并网要求的AC电。

进一步的，所述储能电池组并网输送电能，接入电能计量表进行计量，以统计电量。

本发明的优点是：

1、本发明的多能互补的海上能源集成发电系统方案，采用储能系统将风能发电系统、光伏发电系统、海洋温差能发电系统发出的多余负载用电需求的电量储存起来，以备在负载用电量大于发电量的时候向其输出电能，以此解决能源的综合高效利用问题。此方案可实现50KW.h以上容量的海洋温差能发电电能储存管理，实现电能的有效充分利用；对海洋温差能发电进行智能化管理和科学分配。

2、本发明方案集成了更多能源形式的多能互补，充分利用海上能源，把光能发电系统，风能发电系统，海洋温差能发电系统进行耦合。

3、本发明方案在海洋温差能发电系统中，透平机入口安装了太阳能聚光盘，利用太阳能对进入透平机的蒸气（或者闭环用氨）进行加热，从而有温差并提高热电转换效率。

4、本发明方案采用电脑智能管理控制储能，对输入、输出端电压，电流，温度等进行实时监测，对超出标准范围的各项指标输出控制指令进行管理控制，使各项参数在规定范围运行，否则采取控制措施进行限（变）流、限（变）压、中断输送，变送等；

5、本发明方案采用电脑智能管理系统，可实时监测记录各项指标数据，并提供数据查询，存档。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为多能互补的海上能源集成发电系统原理图；

图2为万向风力发电机的弧形叶片的示意图；

图3为海洋温差能发电系统结构原理图；

图4为电池管理系统的原理图；

图5为并网送电系统的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的多能互补的海上能源集成发电系统，包括风能发电系统、光伏发电系统、海洋温差能发电系统，并配备储能系统、海水淡化系统;其主要特点是在海洋平台上集成了风能，光能，海洋温差能等多种形式的能量，并配备储能系统，海水淡化系统。下面分别介绍。

风能发电系统，采用四台分别布置在海上发电平台四周的万向风力发电机，万向风力发电机采用弧形叶片，如图2所示，任意方向的风都能使叶片转动，从而带动发电机发电。

光伏发电系统，采用第三代钙钛矿太阳能电池板，钙钛矿太阳能电池板的光电转换效率高达23%。太阳能电池板安装在海上发电平台棚顶和风力发电机的顶端；最大面积的采集太阳能，从而提高能源的利用效率。

如图3所示，海洋温差能发电系统，采用封闭式循环系统，以氨气作为工质；液态氨储存在储氨罐中，通过工质泵将其抽入到管道中，管道通过充满温海水的闪蒸器，对液氨进行第一道加热使其气化，然后回型管道经过太阳能聚光盘，太阳能对其进行第二道加热，此时进入透平机的氨蒸气温度到达最高，且氨气压力达到最大，高压氨气带动透平机叶片转动，透平机的叶轮轴连接发电机，进行发电；氨蒸气出透平机后进入冷凝器。

海水淡化系统，设置于冷凝器中，冷海水通过冷水泵抽到冷水池，流过透平机的蒸气通过管道经过冷水池降温液化，冷水吸热汽化蒸发，冷水池顶部有冷凝板，用于冷凝汽化的淡水，同时也将氨蒸气液化为液态氨。

储能系统，包括两部分，第一部分是由储能电池组构成的储能箱，用于存储系统多余电量；第二部分为温海水储能箱，白天表面海水温度较高，抽入闪蒸器的热水加热工质后仍有较高温度，储存在温海水储能箱中，供晚上使用。储能电池组用于储存发电机组输送的电能以及向负载提供电能输出、向电网提供电能输送。储能电池组的充、放电管理，有硬件的充、放电管理模组，保证充、放电时不过压、不过流、不高温、短路保护和均衡充电等；同时配备充、放电管理软件，适时监测单元电池及电池组的电量、电压、充、放电电流、温度等主要指标，对异常的指标立即发出相应的处理指令，接收到指令的组件按指令要求动作，确保储能电池组的安全运行和用电的高效性；储能电池组由多单元高效的磷酸铁锂电池（也可使用其他类型的锂电池）组合而成，组合方式根据不同需要进行或串联、或并联、或串并结合的方式。不论何种方式的组合，都要有数据监测和管控，使其正常平稳运行。

储能电池组在运行中的功能就是电能的储存中转站。当海洋温差能发电机工作时，储能电池组就接收发电机发出的电进行暂存，当储存电量达到设定值区间时，就启动并网输送电能；同时当连接的负载需要供电且海洋温差能发电设备输出的电能不足以满足负载用电需求时，储能电池组对外放电，对负载进行供电。整个充电和放电都有专门的功能单元进行保护、管理和控制，确保整个系统安全、高效、平衡、持久运行。

海洋温差能发电装置输出电和储能电池组充电所需的电压、电流、及电类型不能完全匹配，需要将海洋温差能发电的输出电通过AC/DC双向逆变装置后输出为符合储能电池组充电要求及符合负载用电要求的电。在此使用AC/DC双向逆变装置，将温差发电电压进行稳压和调压及恒流处理，使其输出为稳定电压供给储能端，对储能电池组进行充电；另外如果同时有负载需要用电，则同时通过AC/DC双向逆变器转换输出适合负载需求的电。

所述AC/DC双向逆变装置将海洋温差能发电机输出的电能转换为高压恒流的DC电能，并通过充、放电模组对储能电池组进行充电，当电池组电量达到设定的上限时，停止充电；AC/DC双向逆变装置在向储能电池组进行充电时，如果有负载需要提供电能，则同时通过DC/AC逆变器另路转换并输出适合负载使用要求的电，供给负载使用。

如图4所示，分布式发电的OTEC如下：

AC/DC 双向逆变器装置将DC或储能电池组输出的DC电能转换成负载适用的AC电。

AC/DC 双向逆变器和DC/AC逆变器输出端按照接线规则、连接开关、安全保险等装置后，接入用电器供电电路；

AC/DC 双向逆变器装置和储能电池组之间，连接充放电管理的智能系统；对于储能电池进行充放电管理和保护。

所述AC/DC双向逆变装置输出电压根据储能电池组的组合方案和容量值设计，输出电压大于储能电池组电压，比如储能电池组由160支容量为100Ah的3.2V磷酸铁锂电池通过串联方式组成，那么这个储能电池组电压就是512V，其充电电压就要在512V之上，另加上浮充电压值。

所述DC/AC逆变器，是AC/DC双向逆变装置将DC电或储能电池组输出的DC电转换成负载适用的AC电，其转换后的AC电压，并再经过变压器，转变成高压电向高压电网输送电能。此DC/AC逆变转换，根据电网输送电压和电流要求进行转换，确保对电网的安全平稳输电，根据负载端适应电压要求为220V/380V或其他电压，确保电网不受冲击。

所述AC/DC双向逆变装置和DC/AC逆变器输出端连接开关、保险装置后，接入用电器供电电路；其中AC/DC双向逆变装置和储能电池组之间，连接充、放电管理智能系统，对储能电池组进行充、放电管理和保护。

所述充、放电智能管理系统将AC/DC双向逆变装置输出的电根据储能电池组合方式，调节适当的电压和适当的恒定电流对储能电池组进行充电，此过程中采集各单元电池的电压、容量、充电电流、温度等数据，并由充电系统根据均衡充电规则调节电路中各单元电池的充电电压和电流，当各单元电池电压达到充电电压上限时，停止继续充电。

储能电池组放电时，同样采集各单元电池的电压、容量、充电电流、温度等数据，由放电管理系统控制，当放电过程中单元电池电压下降到电压下限时，停止放电。

当储能电池组在充、放电过程中，系统检测到电流达到限定值时，停止充电和放电；当储能电池组在充、放电过程中，系统检测到发生短路时，断开电路；当系统检测到某监测点温度超过限定值时，断开电路停止相关涉电装置工作。

如图5所示，所述储能电池组连接电网输送电能，通过DC/AC逆变装置和锁相变频后，用于并网，将DC电源转换为并网要求的AC电。

所述储能电池组并网输送电能，接入电能计量表进行计量，以统计电量。

当储能电池组电量达到设定的并网输送电上限值时，启动DC/AC逆变装置，向并联的电网输送电能；向并网电网输送电能时如果发电端供电量小于储能电池组向并联电网输出的电量，储能电池组储存的电量持续降低，当降低到储能电池组设定的电量下限时，断开DC/AC逆变装置，停止向并网电网输出电能。

本发明除了海洋温差能，其它还有可使用的温差发电技术。譬如核电站的冷却水很热，可以与海水温度之间形成温差发电并且是可持续的。

本发明的储能电池有磷酸铁锂（LFP电池，三元锂电池（NCM/NCA）电池，钴酸锂（LCO）电池，其他锂电池例如锰酸锂电池，钛酸锂电池等。

本发明储能管理系统可使用集成了管理系统的芯片处理器，触控屏显示。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。