本发明涉及一种可再生能源供应系统、一种应用于该可再生能源供应系统的浮式海上太阳能发电站(以下简称“浮式海上发电站”)以及一种可再生能源供应方法。
背景技术：
1、目前，全球变暖在全球范围内不断加剧，因此迫切需要建立不排放co2的可持续能源系统。为了实现所述可持续能源系统，必须解决以下三个挑战。
2、挑战(1)：生产足够数量的可再生能源，以替代国家和全球范围内所需的几乎所有一次能源。
3、挑战(2)：以低成本、高质量和稳定的方式向消费者供应所生产的可再生能源。
4、挑战(3)：有计划地捕获并清除大气中已经储存的大量co2。
5、关于挑战(3)，如果挑战(1)和挑战(2)得到解决，根据无碳技术的进展情况，预计自然界(森林和海洋)将吸收co2(18gt-co2/年)，从大气中捕获co2的技术的实际应用将成为可能。因此，迫切需要解决挑战(1)和挑战(2)。
6、传统上，作为一种与可再生能源供应相关的技术，已知有一种利用太阳能发电装置产生的电能电解水以生成氢气，并将氢气供应给氢气利用设备的系统。(专利文献1：日本未审查专利申请公开号2020-58168)
7、此外，还有一些已知的系统，可在海上太阳能发电站发电，利用电力电解海水产生氢气，储存氢气，并利用氢气发电(专利文献2：日本未审查专利申请公开号2012-94363；专利文献3：日本专利第5754029号)。
8、此外，还已知一种系统，利用太阳能发电产生氢气，以氢气为原料合成氨，并以液化氨(能量载体)的形式储存，将液化氨、氨气或氨水运输到能源消耗区，并在能源消耗区将液化氨转化为氢气，将氢气供应给燃料电池汽车或燃料电池发电系统(专利文献4：日本未审查专利申请公开号2016-150890)。
技术实现思路
1、发明要解决的问题
2、然而，上述专利文献1至专利文献4中公开的技术难以解决第0002段中提到的挑战(1)和挑战(2)。这是因为专利文献1至专利文献4所公开的技术并没有假定实现大面积的浮式海上发电站，而大面积的浮式海上发电站对于建立一个能够生产大量可再生能源的系统以满足全国甚至全球范围的能源需求是必不可少的。
3、本发明提供了一种向各种供应设施稳定供应低成本、高质量能源的可再生能源供应系统，以及一种浮式海上太阳能发电站，以实现该系统在年平均日照充足的海域生产出足以替代全国乃至全球范围内几乎所有一次能源需求的足量可再生能源，并将生产出的可再生能源转化为能量载体，储存至预定量。本发明旨在为实现《巴黎协定》的目标发挥作用，该协定要求将全球平均气温比工业革命前水平的升幅限制在2℃以下，如有可能，限制在1.5℃以下。
4、解决问题的方法
5、为了解决第0002段和第0010段所述的问题，根据本发明的一个方面，提供一种可再生能源供应系统，通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，向所述设施供应能源。所述可再生能源供应系统包括以下内容：
6、一个或多个利用可再生能源发电的发电站；
7、一个或多个第一能量转换装置，用于稳定所述发电站产生的电能；
8、一个或多个第二能量转换装置，利用所述第一能量转换装置输出的电能产生氢气；或一个或多个第三能量转换装置，将所述第二能量转换装置输出的氢气转换为可稳定储存的能量载体；或一个或多个能量载体储存装置，储存所述第三能量转换装置转换的能量载体的预定量；
9、一个或多个能量转换供应装置，将从所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置或所述能量载体储存装置中的任何一个装置输出或取出的能量转换成适合一个或多个供应目的地设施的能量形式，以向所述设施供应能量；以及
10、一个或多个管理控制装置，用于管理和控制所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置和所述供应目的地设施中的至少部分或全部。
11、在根据本发明的一个方面的所述可再生能源供应系统中，所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置、所述管理控制装置以及所述供应目的地设施中的部分或全部都被分配了一个逻辑地址，用于基于tcp/ip的数据包通信，其中信息通过附加验证码的安全通信进行交换。所述验证码允许接收端至少验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性。
12、在根据本发明的一个方面的所述可再生能源供应系统中，所述能量载体是液化氨、甲基环己烷、液化氢或氢气中的至少一种。
13、在根据本发明的一个方面的所述可再生能源供应系统中，所述能量转换供应装置包括以下至少一项：
14、将所述第一能量转换装置输出的电能转换成预定直流电以向直流电源系统供电的功能；
15、将所述第一能量转换装置输出的电能转换成预定交流电以向交流电源系统供电的功能；
16、将所述第二能量转换装置输出的氢气转换成预定的液化氢，以向所述供应目的地设施供应液化氢的功能；
17、将所述第二能量转换装置输出的氢气加压至预定压力，以向所述供应目的地设施供应氢气的功能；
18、将所述第三能量转换装置输出的能量载体转换成不同能量载体，以向所述供应目的地设施供应不同能量载体的功能；
19、利用从所述能量载体储存装置中取出的能量载体产生预定的直流电，向直流电源系统提供直流电的功能；
20、利用从所述能量载体储存装置中取出的能量载体产生预定的交流电，向交流电源系统提供交流电的功能；
21、将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换成预定的氢气，以对氢气进行加压，并将氢气供应给所述供应目的地设施的功能；
22、将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换成预定的液化氢，以将液化氢供应给所述供应目的地设施的功能；
23、将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体转换为预定能量载体，以向所述供应目的地设施供应能量载体的功能；
24、将从所述能量载体储存装置中取出的能量载体调整到预定流速和流压，以向所述供应目的地设施供应能量载体的功能；或
25、电力输出指示功能，当向所述供应目的地设施供应的能量过剩时或者按照预定计划，指示所述第一能量转换装置将从所述第一能量转换装置输出的部分或全部电能输出到所述第二能量转换装置。
26、所述发电站由浮式海上太阳能发电站组成。
27、所述可再生能源供应系统包括一个或多个发电站，所述发电站利用其他可再生能源发电，以消除所发电量的时变性和季节不均衡性，并降低所述能量载体储存装置所储存的预定量的上限。
28、利用其他可再生能源发电的发电站至少是以下其中之一：陆上太阳能发电站、系泊式海上或水上太阳能发电站、陆上海上风力发电站、系泊式海上风力发电站、浮式海上风力发电站、地热发电站或中小型水力发电站。
29、根据本发明的一个方面，提供一种浮式海上太阳能发电站，漂浮在接收太阳辐射超过预定年均值且水深大于预定水深的海域中。所述浮式海上太阳能发电站包括多个多边形太阳能电池板连接起来形成一个逻辑层次结构。所述多边形太阳能电池板包括以下至少一项：
30、太阳能发电功能，通过海底电缆产生和传输预定的直流电，太阳能电池板通过不同的电源路径连接器分别在所述逻辑层次结构的各层之间串联、或隔离串联、或并联、或树状结构并联连接；
31、控制功能，当自身太阳能电池板或相邻太阳能电池板出现故障时，通过未使用的电源路径连接器切换到其他太阳能电池板，形成旁路路径；
32、下潜和上浮功能，通过向太阳能电池板的电池板外壳内注水，将浮式海上太阳能发电站下潜到预定的下潜深度，并通过从太阳能电池板的电池板外壳内排水，使浮式海上太阳能发电站在下潜状态下上浮；
33、耦合功能，通过连接相邻的太阳能电池板形成浮式海上太阳能发电站，在每一侧或部分太阳能电池板上设有机械耦合器，允许相邻电池板外壳之间至少垂直摆动，并设有容纳部分或全部电源路径连接器、通信路径连接器和压缩空气管道连接器的耦合器；
34、减震功能，用于通过在太阳能电池板的部分或全部平面顶点处设置弹性减震部件，以吸收意外冲击，防止太阳能电池板因海面波动而上翘；
35、当前位置和方向测量功能，用于测量浮式海上太阳能发电站的当前位置和方向；
36、推进和转向功能，用于使浮式海上太阳能发电站固定在预定位置，并保持预定的方位或方向；
37、非发电期间的静止维护功能，用于在夜间或潜水时接收通过海底电缆传输的电能，利用所述推进和转向功能将浮式海上太阳能发电站固定在预定位置和方向上；
38、数据包通信功能，用于发送和接收根据第0012段所述逻辑层次结构分配了物理地址和逻辑地址的数据包；
39、安全通信功能，用于发送和接收带有验证码的数据包，验证码允许接收端验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性；
40、压缩空气生成功能，用于生成压缩空气，向电池板外壳注水和排水，将浮式海上太阳能发电站下潜至预定下潜深度，并通过压缩空气管道和压缩空气管道连接器将压缩空气供应给其他太阳能电池板的压缩空气罐；
41、浮式灯塔功能，利用灯光、无线电波或声波中的部分或全部，在浮式海上太阳能发电站周围显示自己的存在。
42、在根据本发明的一个方面的所述浮式海上太阳能发电站中，所述太阳能电池板在平面图上大致呈六边形，所述浮式海上太阳能发电站包括多个所述太阳能电池板，所述太阳能电池板相互连接，在平面图上形成蜂巢结构。
43、在根据本发明的一个方面的所述浮式海上太阳能发电站中，所述浮式海上太阳能发电站的建造包括：通过多台起重机将所述太阳能电池板从将所述太阳能电池板运输到预定海域的运输船上下放到海洋上；
44、根据附在所述太阳能电池板上的标识符和所述浮式海上太阳能发电站的配置信息，使用一个或多个专用于所述逻辑层次结构各层的运输和装配机器人，在所述逻辑层次结构各层同时组装作为所述逻辑层次结构各层组成部分的太阳能电池板或所述逻辑层次结构下层的一组太阳能电池板；
45、在组装过程中，通过向耦合器中注入预装在所述太阳能电池板中的压缩空气罐内的压缩干燥空气来擦除海水成分，并将所述太阳能电池板与预定的相邻太阳能电池板紧密连接。
46、根据本发明的一个方面，提供一种可再生能源供应方法，通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，以向所述设施供应能源。该方法包括以下步骤：
47、由一个或多个发电站利用可再生能源发电；
48、通过一个或多个第一能量转换装置稳定所述发电站产生的电能；
49、通过一个或多个第二能量转换装置利用所述第一能量转换装置输出的电能产生氢气，或通过一个或多个第三能量转换装置将所述第二能量转换装置输出的氢气转换为可稳定储存的能量载体，或将所述第三能量转换装置转换的能量载体储存在一个或多个能量载体储存装置中，储存量达到预定量；
50、将从所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置或所述能量载体储存装置中的任一装置输出或取出的能量转换成适合一个或多个供应目的地设施的能量形式，以通过一个或多个能量转换供应装置向所述设施供应能量；
51、通过一个或多个管理控制装置，管理和控制至少部分或全部所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置和所述供应目的地设施。
52、有益效果
53、根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统产生一定数量的可再生能源，以满足全国以及全球范围内对能源的总需求，该系统不排放co2，但其输出功率不稳定，无法大量和长期储存；该系统将可再生能源转化为足够数量的能量载体，最多可将能量载体储存六个月；通过将能量载体转化为适合供应目的地设施的能量形式，向供应目的地设施供应能源，这使得几乎所有的一次能源都是无碳的。此外，可再生能源供应系统通过管理控制装置的精细管理和控制，全年365天、每天24小时持续供应能源。
54、根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统可使用互联网上广泛使用的tcp/ip技术和资源，为每个组件(通信节点)分配一个逻辑(ip)地址，并可通过验证码提供安全通信，使接收端能够验证数据包来源的真实性(检查是否存在所谓的“欺骗”)和传输内容的完整性(检查是否存在“篡改”，也称为“完全性”)。这样就能防止网络恐怖袭击，例如，即使未经授权访问了可再生能源供应系统，也可迫使浮式海上电站下潜。此外，还可对通信内容进行加密，以防止窃听可再生能源供应系统的配置信息。然而，这样就很难发现未经授权的访问或不适当的控制信息的传输。
55、根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统可以使用液化氨、甲基环己烷、液化氢和高压氢气作为可稳定储存的能量载体，但这些载体可以舍弃，也可以根据供应目的地设施的特点进行选择。其中，液化氨或甲基环己烷具有较高的体积和质量能量密度，可以在室温下长期大量储存，例如可以储存长达半年之久，从而可以使发电量每天、每个季节以及在极端天气条件下都会有很大波动的可再生能源作为能源基础设施。
56、根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统通过将可再生能源转化为适合各供应目的地设施的能源形式，并高效、廉价、稳定地向各种供应目的地设施供应能源，从而实现各行业的无碳能源。所述供应目的地设施包括：
57、现有交流电力系统；
58、因输电效率高而在欧洲和其他地区迅速发展的高压直流电力系统(hvdc)；
59、火力发电站和其他设施中的nh3单燃发电机和nh3混燃发电机；
60、氢气发电机；
61、机场液化氢储罐，为使用高纯度液化氢燃料的飞机设计，计划于2035年投入使用；
62、为大型轿车、公共汽车和卡车的氢燃料电池车提供高纯度氢燃料的加氢站；
63、安装在港口的nh3储罐，这些港口供使用nh3单燃发动机航行的船只进港和离港；以及在钢铁行业使用氢气代替焦炭进行氢还原炼钢的高炉，该行业的co2排放量占所有行业的40％。
64、此外，根据本发明的一个方面，可再生能源供应系统主要利用被认为是日本发电能力最高的浮式海上太阳能发电，与利用其他可再生能源的发电站相结合，增加可再生能源资源的多样性，消除可再生能源发电的时变性和季节不均衡性，同时提高能量载体相关设备(以下简称能量载体系统)的使用效率，并降低能量载体储存装置的储存容量上限，从而实现低成本能源的稳定供应。
65、此外，例如位于日本专属经济区(eez)最南端的冲之鸟岛和南鸟岛附近海域的年平均太阳辐射量约为日本陆地面积的1.5倍，根据本发明的一个方面，浮式海上太阳能发电站可在该岛周围约2％的专属经济区内生产相当于日本一次能源总需求的电能。此外，如果使用海底电缆以±250kv直流高压输电，则输电损耗可降至百分之几，这意味着所有无碳能源都可以在国内生产。
66、如果能在南北纬30度以内的赤道海域，跨越国界、专属经济区、公海等，就能使世界能源需求总量在未来很长一段时间内实现无碳排放，为防止全球变暖做出重大贡献。
67、此外，通过采用近似六边形、矩形、平行四边形或三角形的平面形状，使太阳能电池板平面填充(在一个表面上排列，没有间隙)，太阳能电池板可以尽可能密集地排列(最紧密的排列)。这样，浮式海上发电站的顶面，即朝向太阳的一面，就可以最大限度地由太阳能电池板的受光面构成。因此，浮式海上太阳能发电站的结构可以最大限度地提高发电效率。
68、例如，从最低逻辑层次开始进行串联连接、隔离串联连接和树状结构并联或并行连接，可在海上产生高压直流电，而无需采取过多的绝缘保护措施，并可将隔离串联连接所需的变压器减少到电池板外壳内可容纳的容量(约300kva，重约1吨)。此外，树状结构并联可将输出电流从高达约6ka的大型聚合体限制到仅海底电缆和容纳海底电缆的太阳能电池板中，这就减少了太阳能电池板之间电源路径连接器中的电流，从而简化了耦合器的结构。
69、此外，当一块太阳能电池板发生故障时，通过未使用的耦合器或电源路径连接器自动切换到另一块太阳能电池板的控制功能会形成一条旁路，使浮式海上发电站能够保持并继续其太阳能发电功能。
70、如果浮式海上发电站漂浮在水深约50米以上的海域，即使发生东日本大地震级别的巨大海啸，也不会摧毁浮式海上发电站，因为海啸对发电站的影响微乎其微。
71、此外，在暴风雨天气期间，通过向电池板外壳注水，同时用压缩空气向浮筒充气，可使浮式海上发电站保持在预定的下潜深度(例如5-20米)；暴风雨过后，通过向电池板外壳注入压缩空气使浮式海上发电站排出外壳中的水，可使其浮出水面，这种下潜和上浮功能可以最大限度地减少台风和其他风暴的影响。
72、此外，允许太阳能电池板垂直摆动的机械连接功能和太阳能电池板顶端的减震功能也可以构成一个坚固的浮式海上太阳能发电站。
73、此外，浮式海上发电站还具有海流位置和航向测量功能、推进和转向功能(如浮式海上发电站外围的螺旋推进器)以及不发电时的静止维护功能。有了这些功能，浮式海上发电站就可以无论白天还是黑夜，在任何天气条件下都能固定在预定位置，并保持预定的方位或方向，而不会被洋流或强风卷走。
74、然后，根据逻辑层次结构为每个节点分配ip地址，从而减少数据包转发处理(路由)负荷，并在由100万块太阳能电池板组成的浮式海上发电站内提供高效的数据包通信环境。
75、根据本发明的一个方面，通过将浮式海上发电站中的太阳能电池板在平面上做成规则的六边形，并将多个太阳能电池板在平面上连接成蜂巢结构，因此，即使在受到海浪或与大型海洋生物碰撞等意外冲击时，冲击力也可以分散到六个方向上。此外，可使太阳能电池板垂直摆动的机械连接功能和太阳能电池板顶端的减震功能，使得建造极其坚固的浮式海上太阳能电站成为可能。此外，由于可以在规则六边形的两侧各设置一个耦合器，如果一块太阳能电池板出现故障，则可以更容易地形成旁路，通过未使用的耦合器或电源路径连接器切换到另一块太阳能电池板，从而进一步提高了浮式海上发电站的可靠性。
76、此外，如果在海上施工期间以每分钟一块太阳能电池板的速度将总共100万块太阳能电池板安装(或连接)到浮式海上太阳能发电站中，那么建造一座浮式海上发电站只需要不到两年的时间，而建造满足日本一次能源总需求的963座发电站则需要1800多年的时间。通过使用多个配备人工智能的运输和装配机器人同时并行组装这些电站，每座发电站的建设周期可缩短至90天，963座发电站的建设周期约为9年。
77、此外，海上组装需要格外小心，因为海水成分会在耦合器连接±250kv高压电线时渗入，导致浮式海上发电站投入运行后出现严重的绝缘击穿。在特定海域运输和组装太阳能电池板时，要事先在电池板壳体内的压缩空气罐中充入压缩干燥空气，在耦合时用所述压缩干燥空气吹除耦合器中的海水成分，然后将耦合器紧密连接，以防止耦合器绝缘击穿。
78、根据本发明的一个方面，可再生能源供应方法能够产生不排放co2、但输出功率不稳定且无法长期大量储存的可再生能源，其数量足以满足全国以及全球范围内的能源总需求，并将其转化为能量载体，储存起来，例如最多储存半年，然后再将其转化为适合供应目的地设施的能量形式并进行供应，从而使几乎所有的一次能源都可以实现无碳化。此外，通过管理控制装置的精细管理和控制，可再生能源供应系统全年365天、每天24小时运行，持续供应能源。
1.一种可再生能源供应系统，该系统通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，以向所述设施供应能源，所述可再生能源供应系统包括：
2.根据权利要求1所述的可再生能源供应系统，其中所述发电站、所述第一能量转换装置、所述第二能量转换装置、所述第三能量转换装置、所述能量载体储存装置、所述能量转换供应装置、所述管理控制装置以及所述供应目的地设施中的部分或全部都被分配了一个逻辑地址，用于基于tcp/ip的数据包通信，其中信息通过附加验证码的安全通信进行交换，所述验证码允许接收端至少验证数据包传输源的真实性和传输内容的完整性。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的可再生能源供应系统，其中所述能量载体是液化氨、甲基环己烷、液化氢或氢气中的至少一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的可再生能源供应系统，所述能量转换供应装置包括以下至少一项：
5.根据权利要求1～4中任一项所述的可再生能源供应系统，其中所述发电站由浮式海上太阳能发电站组成。
6.根据权利要求5所述的可再生能源供应系统，包括
7.根据权利要求6所述的可再生能源供应系统，其中利用其他可再生能源发电的发电站至少是以下其中之一：陆上太阳能发电站、系泊式海上或水上太阳能发电站、陆上海上风力发电站、系泊式海上风力发电站、浮式海上风力发电站、地热发电站或中小型水力发电站。
8.一种浮式海上太阳能发电站，漂浮在接收太阳辐射超过预定年均值且水深大于预定水深的海域中，所述浮式海上太阳能发电站包括多个多边形太阳能电池板连接起来形成一个逻辑层次结构，所述多边形太阳能电池板包括以下至少一项：
9.根据权利要求8所述的浮式海上太阳能发电站，其中所述太阳能电池板在平面图上大致呈六边形，所述浮式海上太阳能发电站包括多个所述太阳能电池板，所述太阳能电池板相互连接，在平面图上形成蜂巢结构。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的浮式海上太阳能发电站，其中，所述浮式海上太阳能发电站的建造包括：通过多台起重机将所述太阳能电池板从将所述太阳能电池板运输到预定海域的运输船上下放到海洋上；
11.一种可再生能源供应方法，通过利用可再生能源发电，确保整个国家、某一地区或某一特定行业所需的全部或部分能源需求，并将所发电能转换为适合供应目的地设施的能源形式，以向所述设施供应能源，该方法包括以下步骤：
