面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统及其运行方法

1.本发明涉及海上风电开发技术领域，具体而言，涉及一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统及其运行方法。


背景技术：

2.全球海上风电总装机量已达到57gw，其中我国海上风电总装机容量则占将近一半(26.4gw)，并具有3500gw的开发潜力。面对海上风电并网消纳难、输电成本高两大难点，通过绿氢制取这一储能方式将极大促进海上风电的高效利用。
3.目前，通过海上风电制取绿氢主要有两种模式，一种是陆上制氢模式，将海上风电场产生的电能通过海底电力线缆传输至陆地，用以在陆地上进行制氢，这种模式只能适用于近海风电场。针对远海、深海风电场，还有一种海上制氢模式，这种模式需要在海上建设绿氢制氢平台，将海上风电场电能传输至制氢平台，绿氢存储装置安装在海底，并通过船舶运输绿氢，但这种分散式的系统导致建设与维护成本较高，且涉及到复杂危险的海上与海底作业，增加了整个系统的风险收益比。现有技术中还有将海上风电、制氢、储氢集成于一个海上固定式平台或海上可移动平台上，但这种方式建设成本较高，系统灵活度较低。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题是现有的海上风电制取绿氢将海上风电和制氢、储氢等集成在海上平台，存在建设成本较高、系统灵活度较低等问题。
5.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，包括：船舶以及设置于所述船舶内的制氢装置、储氢装置，所述制氢装置用于将海水或淡水电解成氢气和氧气，所述储氢装置用于储存所述制氢装置产生的氢气，所述船舶用于与海上风电基站连接以及在所述海上风电基站与母港之间往来。
6.较佳地，所述制氢装置包括电解池，所述电解池通过第一输氢管道与所述储氢装置连接。
7.较佳地，所述储氢装置包括依次连接的干燥器、压缩机和储氢罐，所述干燥器用于去除所述制氢装置产生的氢气中的水分，所述压缩机用于对干燥后的氢气进行压缩，所述储氢罐用于储存压缩氢气。
8.较佳地，所述面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统还包括海水淡化装置，所述海水淡化装置包括海水淡化舱以及设置于所述海水淡化舱内且依次连接的过滤器、杀菌器、反渗透装置和电渗析装置，所述海水淡化舱上设置有进水口，所述海水淡化舱通过所述进水口抽取海水，海水依次进入所述过滤器、所述杀菌器、所述反渗透装置和所述电渗析装置进行淡化处理。
9.较佳地，所述面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统还包括淡水储罐、第一换热器和第二换热器；所述淡水储罐的一端与所述电渗析装置连接，所述淡水储罐的另一端与所述电解池连接；所述第一换热器的一端与所述船舶的发动机连接，所述第一换热器
的另一端与所述淡水储罐连接；所述第二换热器的一端与所述船舶的发送机连接，所述第二换热器的另一端与所述电解池连接。
10.较佳地，所述面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统还包括电力电子转换装置，所述海上风电基站包括风电机组，所述风电机组用于通过风力发电，所述电力电子转换装置用于将所述风电机组产生的电能转换为所述制氢装置和所述海水淡化装置所需规格的电能。
11.较佳地，所述电力电子转换装置包括：
12.ac/dc转换器，用于将所述风电机组产生的交流电转换为直流母线中的直流电；
13.dc/ac转换器，分别连接所述直流母线和所述海水淡化装置，用于将所述直流母线中的直流电转换为所述海水淡化装置所需规格的交流电；
14.第一dc/dc转换器，分别连接所述直流母线和所述电解池，用于将所述直流母线中的直流电转换为所述电解池所需规格的直流电；
15.第二dc/dc转换器，分别连接所述直流母线和蓄电池，用于将所述直流母线中的直流电转换后存储在所述蓄电池中，所述蓄电池用于为所述船舶提供生活用电以及供所述电解池削峰填谷时使用。
16.本发明的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统相较于现有技术的优势在于：
17.本发明将制氢与储氢装置集成在船舶内部，同时实现了海上绿氢的制、储、运一体化集成，结构简单，同时模块化设置，功能明确，可根据海上风电规模大小实现精准定制，减少传统的海上风电制氢装备的施工量及成本，降低各设备的维护难度，提升整个系统的稳定性与灵活度，并可于岸上进行制造、改造、维护与维修，避免了成本高、风险大的海上与海底作业。
18.本发明还提供一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的运行方法，包括：
19.步骤s1，载有空的储氢罐的第一船舶从母港出发到达指定的海上风电基站，锚定所述第一船舶的船身，并使所述第一船舶与所述海上风电基站连接；
20.步骤s2，通过所述第一船舶内的海水淡化装置抽取海水进行淡化处理，并在所述第一船舶内的淡化储罐中储存定量纯水；
21.步骤s3，通过所述第一船舶内的电解池电解纯水，并将电解得到的氢气储存在所述第一船舶的储氢罐中；
22.步骤s4，当所述第一船舶的储氢罐达到设定储量时，载有空的储氢罐的第二船舶从所述母港出发，所述第二船舶到达所述海上风电基站时所述第一船舶的储氢罐储满氢气；
23.步骤s5，中断所述第一船舶与所述海上风电基站的电力连接，并使所述第一船舶返回所述母港，同时，所述第二船舶锚定船身并与所述海上风电基站进行连接，重复所述第一船舶的工作。
24.较佳地，所述第一船舶和所述第二船舶的数量分别为多个，所述海上风电基站的电力接口的数量大于或等于所述第一船舶和所述第二船舶数量中的较大者。
25.较佳地，所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的连接包括：所述第
一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的电力连接以及通讯连接，其中，所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的通讯连接基于握手通讯协议。
26.本发明的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的运行方法相较于现有技术的优势与面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统相较于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
27.图1为本发明实施例中面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的结构框图；
28.图2为本发明实施例中面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的各模块调配示意图；
29.图3为本发明实施例中面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的整体结构示意图。
30.附图标记说明：
31.1-海水淡化舱；101-进水口；102-水泵；103-过滤器；104-杀菌器；105-反渗透装置；106-电渗析装置；2-淡水储罐；3-蓄电池；4-ac/dc转换器；5-电解池；6-ph调控装置；7-干燥器；8-压缩机；9-储氢罐；901-第一高压储氢罐；902-第一高压储氢罐；10-第一换热器；11-第二换热器；12-电力接口；13-陆上用氢侧；14-驾驶舱；15-烟囱；16-操舵舱；17-螺旋桨；18-发动机；19-第一底舱；20-第一船舱；21-第二底舱；22-第二船舱；23-球鼻艏；24-第一输氢管道；25-第二输氢管道；26-第一避雷装置；27-第二避雷装置；28-第一窗口；29-第二窗口。
具体实施方式
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
33.本发明实施例的一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统(以下也可简称为绿氢船舶系统)，包括：船舶以及设置于所述船舶内的制氢装置、储氢装置，所述制氢装置用于将海水或淡水电解成氢气和氧气，所述储氢装置用于储存所述制氢装置产生的氢气，所述船舶用于与海上风电基站连接以及在所述海上风电基站与母港之间往来。
34.本实施例的绿氢船舶系统，通过与海上风电基站相配合，可在船舶上同时实现绿氢的制取和存储，并在绿氢储满后直接通过船舶运输，实现了绿氢的制备、存储及运输的一体化，减少传统的海上风电制氢装备的施工量及成本，降低各设备的维护难度，提升整个系统的稳定性与灵活度。当船舶接收海上风电基站的电力供应后，制氢装置可稳定输出氢气，并存储在储氢装置中，当船舶储氢满载时，可通过与海上风电基站断开连接，或者与后续空载船舶进行交接，满载氢气的船舶返回母港，将绿氢运至陆地使用，从而源源不断的从海上风电获取绿氢燃料，对海上风能丰富的沿海地区，尤其是深远海风能的高效利用具有重要意义。需要说明的是，本实施例的制氢装置可以直接电解海水制氢，也可以电解淡水，其中，淡水可以由岸上运输至风电场，也可以通过海水淡化方式获取。通过海水淡化的方式获取淡化将在后文详细说明。
35.其中一些实施方式中，所述制氢装置包括电解池5，所述电解池5通过第一输氢管
道24与所述储氢装置连接。
36.电解池5是一种电解水制氢技术，只需向其供应纯水以及电力，即可源源不断地生产氢气与氧气，其能量效率可达到80％，如质子交换膜电解池、碱性电解池、固体氧化物电解池等，与其它制氢技术相比，电解池具有高速率、高纯度、快响应等优势，其与风力发电技术配套是一种非常具有前景的绿氢制取技术。利用电解池可以将深远海获取的风电通过电解水的方式存储在氢气燃料中，并运回陆地广泛用于发电、化工、交通、航天等领域。目前商业级的电解池产品大多针对陆基应用而开发，无法长期适应海上的高盐高腐蚀环境，针对此问题，本实施例中的电解池5对其金属组件进行了喷涂保护，特别是氢气端的金属部件，以保证生产安全。
37.其中一些实施方式中，所述绿氢船舶系统还包括蓄电池3。蓄电池是一种电化学储能装置，具有快速响应、稳定可靠、存储高效等优势，其主要作用是稳定电解池的电力输入功率，避免电解池因瞬态大电流而发生电击穿或氢击穿等安全事故，可根据电解池的额定功率使用商业级蓄电池如锂电、铅酸等。具体地，在风电超过电解池5工作需求时，将额外的电力暂时存储起来；在风电不足以供应电解池5工作时，释放存储的电力来补充；在不同船舶交替轮候接受来自海上风电机组电力供应过程中，将电力暂时存储起来。
38.其中，面对海上风电输入的波动性，考虑到电解池5在小电流区间能效高但产氢慢、在大电流区间能效低但产氢快的特征，本实施例还通过电解池5工作电流与能量效率实时监测与动态调节方法，在电流不足时通过蓄电池3对电解池5进行补电，在电流过大时通过蓄电池3存储部分多余电力，从而在不同风况下维持电解池5产氢速率与能量效率的平衡区间，避免由于海上风电输入的不稳定性影响电解池5的正常产氢。
39.其中一些实施方式中，所述储氢装置包括依次连接的干燥器7、压缩机8和储氢罐9，所述干燥器7用于去除所述制氢装置产生的氢气中的水分，所述压缩机8用于对干燥后的氢气进行压缩，所述储氢罐9用于储存压缩氢气。
40.本实施例中，由电解池5制得的绿氢首先经由干燥器7去除水分，然后进入压缩机8后被压缩至35-70mpa，最后存储在储氢罐9中。其中，储氢罐9的成本、安全性与装载和拆卸难度是非常关键的。传统的钢质ⅰ、ⅱ型气瓶压强普遍在30mpa以下，储氢密度仅达到14-17g/l，而碳纤维或玻璃纤维的ⅲ、ⅳ型气瓶压强可达到30-70mpa，储氢密度可达到40g/l以上，更加具有经济效益。因此，本实施例采用35mpa以及70mpa两种压强的高压储氢罐，高压储氢罐通过加压的方式，能够尽可能提升氢气运输过程中的能量密度。
41.优选示例中，本实施例采用ⅲ型储氢罐，并根据不同运载需求的船舶提供两种储氢罐结构与相应的载、卸模式。具体地，对于小型绿氢船舶，采用移动式的小型储氢罐，将多个储氢罐9并联在固定支架内，并采用多罐多充的加氢模式，利用分支管路与阀门控制系统同时对所有储氢罐9加注氢气，避免因单个罐体容积有限而造成安全事故；在船舶抵达码头后，直接将绿氢连同储氢罐9卸下，同时更换空罐到船舶上，以执行下次出海任务。对于大中型绿氢船舶，采用固定式的大型储氢罐，并采用单罐单充的加氢模式，每次只向单一储氢罐9加气，并依次将若干储氢罐9充满；在船舶抵达码头后，利用管路将绿氢输入至当地运氢管道中，排尽后再执行下次出海任务。
42.其中一些实施方式中，所述绿氢船舶系统还包括海水淡化装置，先通过海水淡化装置进行淡化处理，得到淡水，再进行电解制氢，相比从岸上运输淡水，减少运输费用，且能
够利用足量的海水资源。其中，所述海水淡化装置包括海水淡化舱1以及设置于所述海水淡化舱1内且依次连接的过滤器103、杀菌器104、反渗透装置105和电渗析装置106，所述海水淡化舱1上设置有进水口101，所述海水淡化舱1通过所述进水口101抽取海水，海水依次进入所述过滤器103、所述杀菌器104、所述反渗透装置105和所述电渗析装置106进行淡化处理。
43.本实施例的海水淡化设备相比现有的商业级海水淡化设备，增加了电渗析装置106。商业级海水淡化设备能够将高盐分、多杂质的海水淡化、净化为较高纯度的淡水，其中，利用过滤器103、杀菌器104、反渗透膜等多重处理工艺，可去除海水中的各种微粒、微生物、盐分等，能够获得溶解性总固体达500ppm以下的生活用水，从而满足电解池5的进水需求，避免从陆地运输淡水的巨大成本。但考虑到其最终淡水产物仍包含500mg/l的溶解性总固体以及na
+
、cl-等杂质离子，如果直接通入电解池5中，既会造成电解池5的污染与变质，也会影响所制绿氢的纯度。因此，本实施例中的海水淡化装置在反渗透装置105的后端增加额外的电渗析装置106，通过施加外部电场引导正负离子迁移，从而获得符合电解池5标准的高纯水。
44.优选实施方式中，在电渗析装置106的后端，还增加ph调控装置6以及第一换热器10，将纯水输入调节至电解池5的最佳工况，从而保证其产氢效率与纯度。
45.其中一些实施方式中，所述绿氢船舶系统还包括淡水储罐2、第一换热器10和第二换热器11；所述淡水储罐2的一端与所述电渗析装置106连接，所述淡水储罐2的另一端与所述电解池5连接；所述第一换热器10的一端与所述船舶的发动机连接，所述第一换热器10的另一端与所述淡水储罐2连接；所述第二换热器11的一端与所述船舶的发送机连接，所述第二换热器11的另一端与所述电解池5连接。
46.其中一些实施方式中，所述绿氢船舶系统还包括电力电子转换装置，所述海上风电基站包括风电机组，所述风电机组用于通过风力发电，所述电力电子转换装置用于将所述风电机组产生的电能转换为所述制氢装置和所述海水淡化装置所需规格的电能。
47.其中，所述电力电子转换装置包括ac/dc转换器4、dc/ac转换器、第一dc/dc转换器以及第二dc/dc转换器。电力电子转换装置用于将海上风电基站的风电转换为绿氢船舶系统所能使用的电能。
48.其中，ac/dc转换器4，用于将所述风电机组产生的交流电转换为直流母线中的直流电；dc/ac转换器，分别连接所述直流母线和所述海水淡化装置，用于将所述直流母线中的直流电转换为所述海水淡化装置所需规格的交流电；第一dc/dc转换器，分别连接所述直流母线和所述电解池5，用于将所述直流母线中的直流电转换为所述电解池5所需规格的直流电；第二dc/dc转换器，分别连接所述直流母线和蓄电池3，用于将所述直流母线中的直流电转换后存储在所述蓄电池3中，所述蓄电池3用于为所述船舶提供生活用电以及供所述电解池5削峰填谷时使用。
49.如图1所示，本实施例中的绿氢船舶系统(虚线框内)将电力电子转换、能质转换、能质存储与氢气海运四个功能集成在单艘船舶内部。该船舶能够利用海上风电场的交流风电输入，首先经由ac/dc转换器4转为直流母线中的直流电，然后部分直流电经由dc/ac转换器转为海水淡化装置所需规格的交流电，从而利用海水输入制取高纯度淡水，并供给至电解池5或存储在淡水储罐2中。其次，直流母线中的部分直流电通过dc/dc转换器转为电解池
5所需规格的直流电，从而驱动电解池5将淡水分解为氢气与氧气，其中氢气经由压缩机8压缩至合适压强后，存储在高压储氢罐9中。此外，直流母线中的部分直流电通过dc/dc转换器后存储在蓄电池3中，以供电解池5削峰填谷所用，以及满足船上生活用电需求。在氢气储罐储满后，通过向船舶的动力系统提供燃油输入，将所制绿氢运回岸上，以作进一步商业用途。本实施例中，与制氢、储氢、运氢相关的功能模块全部集成在单艘船舶内部，所需输入仅为海上风电、海水与燃油，整个船舶能够完全在陆地生产制造与维修维护，并可根据海上风电机组容量匹配定制，综合成本远低于目前较多采用的海上平台式制氢储氢方案。
50.对本实施例的绿氢船舶系统的工作过程进行说明。本实施例的绿氢船舶系统是一个复杂的物质与能量系统，涉及物质与能量的调配和优化，具体如图2所示：输入的海上风电首先经由ac/dc转换器4转换为特定电压的直流电，并供给蓄电池3以及电解池5使用，其中蓄电池3主要起短期储能调峰作用，以稳定电解池5的电力输入。与此同时，海水通过水泵102的作用依次进入过滤器103、杀菌器104、反渗透装置105以及电渗析装置106，最终获得符合标准的纯水并存储于淡水储罐2中；此外，通过ph调控装置6以及第一换热器10，可以进一步调节纯水的ph以及温度，从而以最佳状态进入电解池5，并获得高纯度的氢气(约30bar压强)与氧气。考虑到船体容量限制，氧气将直接释放进入大气，而氢气则将在压差作用下进入干燥器7，并在压缩机8的作用下进一步压缩，最终存储于耐高压的储氢罐9中。通过船舶发动机18将储满的绿氢运回至附近码头，再通过管运或汽运的方式分配给各个陆上用氢侧13，从而完成整个绿氢制、储、运、用的闭环。其中船舶发动机工作的余热，可通过第二换热器11及第一换热器10，分别供应给电解池5和淡水储罐2，以提高整个系统的能量效率。
51.为了实现高效率的能质调配，本实施例的绿氢船舶系统内还涉及“风机-储能-制氢”一体化微电网系统硬件集成系统的搭建，包括交/直流耦合的总线耦合技术和系统拓扑结构，微电网系统内部关键电力电子变流器、电池管理系统、能量管理系统、电能质量优化单元关键设备与集成技术，船舶离风运行硬件支撑技术，船舶“风-储-氢”一体化运行的系统硬件支撑技术等。相关控制软件方面，主要涉及到该绿氢船舶内的“风机+储能+制氢”一体化功率协调控制技术与能量优化算法，包括多能耦合条件下微电网稳定控制与事件触发控制算法，多级日间调度与能量优化控制算法，船舶系统“离风”运行时混合能源驱动的电网稳定性控制及燃料优化算法，船舶微电网内设备间通信协议及控制拓扑设计方案等。
52.如图3所示，展示了本发明中一个双储氢罐型船舶实例的具体实施方式。与海上风电机组相对应，该船舶系统主要包括制氢、储氢、运氢三个功能模块。制氢方面，海水淡化舱1通过进水口101抽取海水，经过淡化处理后，将纯水通过内部管路输送给电解池5，蓄电池3则通过电力接口12与海上风电机组相连，获得经ac/dc转换器4处理后的直流电力，并通过内部线路供应给海水淡化装置与电解池5。储氢方面，经电解池5制取的高纯度氢气在压缩机8的作用下，通过第一输氢管道24首先进入第一高压储氢罐901，并在第一高压储氢罐901储满后通过第二输氢管道25进入第一高压储氢罐902。在两个高压储氢罐9的侧面，分别留有第一窗口28与第二窗口29，主要用于船舶靠岸后的绿氢卸载。在两个高压储氢罐9的顶部，分别安装有第一避雷装置26与第二避雷装置27，主要用于防范海上的雷暴天气。运氢方面，船舶包括船体、驾驶舱14、烟囱15、操舵舱16、螺旋桨17，发动机18、用于存储燃油的双重底舱(分别为第一底舱19和第二底舱21)、用于固定储氢罐9的船舱(分别为第一船舱20和第二船舱22)以及球鼻艏23，本实施例的船舶可采用现有设计中的船舶。
53.需要说明的是，该实施案例仅为本发明的其中一种可行性示例，其制氢、储氢、运氢模块的相对位置可根据实际需求调换，各模块的设备参数(如功率、能量、容量等)可根据实际需求调整、各模块的技术手段(如其它电解池技术、蓄电池技术、海水淡化技术、氢气存储技术等)也可根据实际需要和成本控制进行选择。
54.本发明的实施例还提供一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的运行方法，针对采用海水淡化方式获取淡水，并对淡水进行电解制氢的系统，所述运行方法包括：
55.步骤s1，载有空的储氢罐9的第一船舶从母港出发到达指定的海上风电基站，锚定所述第一船舶的船身，并使所述第一船舶与所述海上风电基站连接；
56.步骤s2，通过所述第一船舶内的海水淡化装置抽取海水进行淡化处理，并在所述第一船舶内的淡化储罐中储存定量纯水；
57.步骤s3，通过所述第一船舶内的电解池5电解纯水，并将电解得到的氢气储存在所述第一船舶的储氢罐9中；
58.步骤s4，当所述第一船舶的储氢罐9达到设定储量时，载有空的储氢罐9的第二船舶从所述母港出发，所述第二船舶到达所述海上风电基站时所述第一船舶的储氢罐9储满氢气；
59.步骤s5，中断所述第一船舶与所述海上风电基站的电力连接，并使所述第一船舶返回所述母港，同时，所述第二船舶锚定船身并与所述海上风电基站进行连接，重复所述第一船舶的工作。
60.其中，运回母港的绿氢既可通过罐装模式，也可经由第三输氢管道，进一步运输至用氢目的地。
61.需要说明的是，对于直接电解海水或电解从岸上运输的淡水的系统，所述运行方法与上述类似，区别在于，省略步骤s2，在步骤s3中通过所述第一船舶内的电解池5电解海水或从岸上运输的淡水即可。
62.其中一些实施方式中，所述第一船舶和所述第二船舶的数量分别为多个，即，同时连接至所述海上风电基站电力接口12的船舶可以为多个，同时，海上风电基站的数量也可以为多个。因此，可以理解，对于单个的海上风电基站，其电力接口12的数量大于或等于所述第一船舶和所述第二船舶数量中的较大者。
63.一种示例中，对于同一基站接口所需船舶数量可由风电场离岸距离、船行速度、制氢速率计算得出，将单个基站接口所需船舶数量乘以基站接口的总数目，即可得到总的船舶数量，从而形成高效率的海上风电制氢船舶体系。
64.其中，所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的连接包括所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的电力连接，此外，船舶到风电基站后与风电机组的连接，还将包括船舶与风电基站的握手通讯协议，船舶与风电基站的输电接口，接口过流与过压保护解决方案，船舶与风电基站“多对多”运行时船舶优化调度策略算法等。
65.一种示例中，所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的通讯连接包括以下六个阶段：
66.1)建立物理连接阶段：所述第一船舶和所述第二船舶的船舶管理系统与所述海上风电基站的风电机组分别进行物理开关状态检测，确认物理上的电力连接是否完成；
67.2)低压辅助上电阶段：当确认完成物理上的连接后，所述风电机组发送握手报文给所述船舶管理系统，并将通信协议版本发送给所述船舶管理系统，所述船舶管理系统将握手报文发送给所述风电机组，并给所述风电机组发送自身的保护阈值；
68.3)船舶与风机握手阶段：首先，所述风电机组进行包括绝缘检测在内的系统自检，检测成功后，所述风电机组将自检成功报文发送给所述船舶管理系统；其次，所述船舶管理系统接收到所述自检成功报文后，给所述风电机组发送反馈报文，所述反馈报文包括确认收到所述自检成功报文的信息以及所述船舶管理系统所使用的通信协议版本、供电需求、识别码信息；最后，所述风电机组接收所述反馈报文后，进行算法逻辑分析，确认是否要开启供电；
69.4)船舶制氢参数配置阶段：所述第一船舶和所述第二船舶的船舶充电系统将自身的完整参数信息发送给所述风电机组，所述风电机组将工作报文发送给所述第一船舶和所述第二船舶的船舶控制器，所述工作报文包括所述风电机组的自身供电能力约束和绝缘状态；所述船舶充电系统和所述风电机组对各自接收的信息确认完毕后，互相发送就绪确认报文，闭合各自的高压连接；
70.5)制氢船舶制氢阶段：首先，所述船舶控制器给所述风电机组发送供电需求报文以及实时测量数据，实现风电机组的闭环控制；其次，所述风电机组根据所述船舶控制器提出的需求，对供电参数进行控制，同时也将实时运行信息发送给所述船舶控制器，以便其进行需求调整；若制氢过程发生故障，则需提供故障保护功能，双方互相发送停止故障请求，停止供电；
71.6)制氢结束阶段：船舶控制器发送停止请求，并将最后状态发送给风电机组，充电机组确认请求，并发送风电机组编号、充电时间、电量、账单等信息，完成制氢。
72.本实施例的绿氢船舶系统，将制氢与储氢模块集成在船舶内部，同时实现了海上绿氢的制、储、运一体化集成，极大降低了系统的制造成本。本实施例的绿氢船舶系统作为绿氢制造工厂，可完全在陆地造船厂生产改造，极大降低了制造难度与风险，且其维护与修理也可在船舶返港后进行，可避免成本高、风险大的出海作业。另外，本实施例的绿氢船舶系统属于模块化产品，可根据海上风电场的规模，精确计算所需船舶的吨位、电解池功率、储氢罐容量等关键参数，从而精准对接其需求。同时，本实施例的绿氢船舶系统不涉及集中式的海上、海底大规模储氢，单船储氢量有限，能够实现最大程度的降低风险。
73.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，其特征在于，包括：船舶以及设置于所述船舶内的制氢装置、储氢装置，所述制氢装置用于将海水或淡水电解成氢气和氧气，所述储氢装置用于储存所述制氢装置产生的氢气，所述船舶用于与海上风电基站连接以及在所述海上风电基站与母港之间往来。2.根据权利要求1所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，其特征在于，所述制氢装置包括电解池(5)，所述电解池(5)通过第一输氢管道(24)与所述储氢装置连接。3.根据权利要求2所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，其特征在于，所述储氢装置包括依次连接的干燥器(7)、压缩机(8)和储氢罐(9)，所述干燥器(7)用于去除所述制氢装置产生的氢气中的水分，所述压缩机(8)用于对干燥后的氢气进行压缩，所述储氢罐(9)用于储存压缩氢气。4.根据权利要求3所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，其特征在于，还包括海水淡化装置，所述海水淡化装置包括海水淡化舱(1)以及设置于所述海水淡化舱(1)内且依次连接的过滤器(103)、杀菌器(104)、反渗透装置(105)和电渗析装置(106)，所述海水淡化舱(1)上设置有进水口(101)，所述海水淡化舱(1)通过所述进水口(101)抽取海水，海水依次进入所述过滤器(103)、所述杀菌器(104)、所述反渗透装置(105)和所述电渗析装置(106)进行淡化处理。5.根据权利要求4所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，其特征在于，还包括淡水储罐(2)、第一换热器(10)和第二换热器(11)；所述淡水储罐(2)的一端与所述电渗析装置(106)连接，所述淡水储罐(2)的另一端与所述电解池(5)连接；所述第一换热器(10)的一端与所述船舶的发动机(18)连接，所述第一换热器(10)的另一端与所述淡水储罐(2)连接；所述第二换热器(11)的一端与所述船舶的发送机连接，所述第二换热器(11)的另一端与所述电解池(5)连接。6.根据权利要求1-5任一项所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，其特征在于，还包括电力电子转换装置，所述海上风电基站包括风电机组，所述风电机组用于通过风力发电，所述电力电子转换装置用于将所述风电机组产生的电能转换为所述制氢装置和所述海水淡化装置所需规格的电能。7.根据权利要求6所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，其特征在于，所述电力电子转换装置包括：ac/dc转换器(4)，用于将所述风电机组产生的交流电转换为直流母线中的直流电；dc/ac转换器，分别连接所述直流母线和所述海水淡化装置，用于将所述直流母线中的直流电转换为所述海水淡化装置所需规格的交流电；第一dc/dc转换器，分别连接所述直流母线和所述电解池(5)，用于将所述直流母线中的直流电转换为所述电解池(5)所需规格的直流电；第二dc/dc转换器，分别连接所述直流母线和蓄电池(3)，用于将所述直流母线中的直流电转换后存储在所述蓄电池(3)中，所述蓄电池(3)用于为所述船舶提供生活用电以及供所述电解池(5)削峰填谷时使用。8.一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的运行方法，其特征在于，基于如权利要求1-7任一项所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统，包括：步骤s1，载有空的储氢罐(9)的第一船舶从母港出发到达指定的海上风电基站，锚定所
述第一船舶的船身，并使所述第一船舶与所述海上风电基站连接；步骤s2，通过所述第一船舶内的海水淡化装置抽取海水进行淡化处理，并在所述第一船舶内的淡化储罐中储存定量纯水；步骤s3，通过所述第一船舶内的电解池(5)电解纯水，并将电解得到的氢气储存在所述第一船舶的储氢罐(9)中；步骤s4，当所述第一船舶的储氢罐(9)达到设定储量时，载有空的储氢罐(9)的第二船舶从所述母港出发，所述第二船舶到达所述海上风电基站时所述第一船舶的储氢罐(9)储满氢气；步骤s5，中断所述第一船舶与所述海上风电基站的电力连接，并使所述第一船舶返回所述母港，同时，所述第二船舶锚定船身并与所述海上风电基站进行连接，重复所述第一船舶的工作。9.根据权利要求8所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的运行方法，其特征在于，所述第一船舶和所述第二船舶的数量分别为多个，所述海上风电基站的电力接口(12)的数量大于或等于所述第一船舶和所述第二船舶数量中的较大者。10.根据权利要求8所述的面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统的运行方法，其特征在于，所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的连接包括：所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的电力连接以及通讯连接，其中，所述第一船舶和所述第二船舶与所述海上风电基站的通讯连接基于握手通讯协议。

技术总结
本发明提供了一种面向海上风电的绿氢制储运一体化船舶系统及其运行方法，涉及海上风电开发技术领域。所述系统包括船舶以及设置于所述船舶内的制氢装置、储氢装置，所述制氢装置用于将海水或淡水电解成氢气和氧气，所述储氢装置用于储存所述制氢装置产生的氢气，所述船舶用于与海上风电基站连接以及在所述海上风电基站与母港之间往来。本发明将制氢与储氢装置集成在船舶内部，同时实现海上绿氢的制、储、运一体化集成，结构简单，功能明确，可根据海上风电规模大小实现精准定制，减少施工量及成本，降低各设备的维护难度，提升整个系统的稳定性与灵活度，并可于岸上进行制造、改造、维护与维修，避免了成本高、风险大的海上与海底作业。作业。作业。


技术研发人员：张明明 王夷飞 徐心海 董广忠 冯宇 杨月
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2022.12.12
技术公布日：2023/4/20