一种综合使用海上可再生能源的集成发电装置的制作方法

本发明属于一种利用太阳能烟囱热气流发电、风力发电、海流能发电、太阳能光伏发电、及燃料电池发电的方法及装置领域，具体涉及一种漂浮式的综合使用海上可再生能源的集成发电装置。

背景技术

随着经济的不断发展，能源消耗严重，气候变暖、环境污染、能源紧张等问题越发严峻，在诸多挑战面前，世界各国都不谋而合地大力发展可再生能源。我国拥有漫长的海岸线和广阔的海洋面积，这就为利用海上风能、波浪能、太阳能等可再生能源提供了可能。

太阳能烟囱发电又称为太阳能热气流发电，传统的太阳能烟囱发电采用开放式透光集热棚收集太阳辐射，集热棚内温度升高后，与烟囱顶部低温空气形成温差，经过烟囱的抽力作用形成上升的热气流。同时由于集热棚内热气流向上流动导致集热棚内形成负压，棚内外压差推动集热棚外地面大气压的空气流经棚四周的进气通道向集热棚中心汇流，最后由烟囱顶部排出，在烟囱底部布置风力涡轮发电机组，热气流推动风力涡轮发电机叶片，形成热气流发电。1978年德国schlaich教授提出太阳能烟囱发电技术，1982年德国和西班牙合作建造了第一座太阳能热气流发电原型电站，目前太阳能热气流发电的研究仅限于陆地，海上太阳能烟囱的研究还鲜有人涉足。夜晚热气流温度降低，发电量减少是陆地太阳能烟囱发电的缺点之一，而海面上气温日较差小，海水相当于储热物质将白天吸收的太阳能的热量储存起来，因此相比于陆地，海面的温度在夜晚时下降不大，所以若将太阳能烟囱发电应用于海面上，将在一定程度上克服陆地太阳能烟囱发电的缺点。

风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，随着陆地风力发电技术的发展，人们已经注意到陆地风力发电存在占用土地、噪声污染等问题。由于海上风能资源储量更为丰富且稳定，人们把风力发电由陆地转向海洋。海上风力发电根据固定形式的不同分为底部固定式海上风力发电和漂浮式海上风力发电，固定式海上风电适用于浅水区，漂浮式海上风电更适合于深水海域。漂浮式海上风力发电根据漂浮式基础平台的设计形式分类可分为张力腿平台、半潜式平台和立柱式平台。

海流能发电主要是利用海面下方稳定流动的海水动能发电，它与潮汐能发电类似，只是海流能发电装置的工作位置位于更深的海水处。海流的产生主要是因为太阳对海面照射不同或海水盐度不均产生的对流现象，它是海洋和海峡中一种较为稳定的海水流动，携带着巨大的能量。目前，海流能发电有桨叶式、导管涡轮式、浮筒水下风车、水下风筝等。

燃料电池(fuelcell)是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，燃料电池的种类很多，根据其电解质的不同，可以分为碱性燃料电池(afc)、磷酸燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、固态氧化物燃料电池(sofc)和质子交换膜燃料电池(pemfc)。由于燃料电池的工作效率在40％-60％之间，所以要有40％-60％的能量以热能的形式消耗。除此之外，燃料电池的电堆工作温度大约在65℃左右，为了将燃料电池的余热利用起来，同时也是为了使燃料电池保持在一个合适的反应温度，考虑将燃料电池催化燃烧室内反应生成的热蒸汽回收利用，结合太阳能烟囱进行废热发电。

专利cn200820047332.5公开了一种烟囱式太阳能和风能集合发电装置，该装置主要采取太阳能热水器、烟囱支座和支座顶部的风力发电机组的组合结构，利用太阳能热水器加热空气，增强上升气流速度推动烟囱支架内的多个风力机转动发电，同时烟囱支架的顶部安装外部风力发电机组捕获外部风力。但是该装置仅仅是风力发电和太阳能热气流发电的简单相加，没有将风能和热气流发电二者互补结合。

专利cn201620757377.6公开了一种联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置，该装置除了采用传统太阳能烟囱发电中的集热棚、烟囱和涡轮机外，还在烟囱顶部端口处加入了一个通风机，通风机外接风力机，外界风力吹动风力机后，可以带动烟囱顶端的通风机转动，可以起到将烟囱内部热气流抽出，加速气流流动速度的作用。但是本专利并非太阳能烟囱发电和风力发电的结合，风力仅仅是用作通风机的动力源。

专利201510227545.0公开了一种风能-波浪能-海流能一体的发电系统，该系统采用单柱塔筒竖直固定的支撑形式，塔筒竖直固定在海床上，在塔筒自下向上分别安装海流能发电系统、波浪能发电系统和风能发电系统。该发电系统仅仅将三种发电形式进行了简单相加，没有体现多种新能源发电的互补性，也没有采用太阳能烟囱的发电形式。

综上所述，至今还没有出现将所有海上可再生能源发电形式集成在一起的综合利用平台，本发明目的就是要设计一种集太阳能烟囱热气流发电、风力发电、海流能发电、太阳能光伏发电、燃料电池发电于一体的海洋漂浮式集成发电装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种漂浮式的综合使用海上可再生能源的集成发电装置，实现对海洋上太阳能、风能、海流能、氢能的综合发利用。

为实现上述目的，本发明提供一种漂浮式的综合使用海上可再生能源的集成发电装置，该装置采用立柱式平台，其余的设备都在该平台上安装组合，主要由海流能发电机组3，立柱体1，平台层7，集热棚19，太阳能烟囱22，垂直轴风机36组成。海流能发电机组3位于立柱体1的底部吸收海流动能，太阳能烟囱22安装在立柱式漂浮平台的平台层7之上，利用太阳能集热器24和燃料电池11余热加热空气，推动烟囱内的下部涡轮发电机组29和上部涡轮发电机组30进行发电。盘式永磁发电机37位于太阳能烟囱22之上，同时利用风能和太阳热能昼夜连续发电，实现了两种能源互补。整个系统实现对海洋上多种可再生能源的综合利用。

所述的海流能发电机组3通过海流推动它的水轮机4转动，海流能发电机组3采用双向对称结构，正反方向水流均可以推动水轮机4发电。海流能发电机组3安装在立柱体1的最下方，可以非常方便的获取海面下一定深度的稳定的海流能。海流能发电机组3发出的电经过电力变换装置组6和变压器组18变换为幅值、频率稳定的正弦交流电输送到岸边大电网或者临近的海洋平台微电网。

所述的立柱式漂浮平台的立柱体1主体为封闭的圆柱体结构，其中，立柱体1上端为中空或者装填低密度物质，提供平台整体浮力；立柱体1下端为压载箱，加入压载海水或者高密度固体压载物，降低平台重心，使其重心低于浮心，保证整个装置的稳定性。立柱体1上通过多根半张紧的悬链线式系泊缆2组成的系泊系统控制其水平方向上的位移。

所述的立柱式漂浮平台的平台层7位于立柱体1的上方，该层包含海水电解池8、电解池海水入口阀10、储氢罐9、燃料电池11、燃料电池氢气入口12、燃料电池空气入口13、燃料电池换热器14、燃料电池冷却管15、燃料电池冷却管入口阀16、控制中心17、蓄电池5、电力变换装置组6、变压器组18。

所述的集热棚19位于平台层7的上方，其主要作用是加热棚内的空气。为保持棚内温度，不使热量散失，集热棚19的最内层和底面为一层保温材料20。第二层为钢支撑结构21，与钢制的太阳能烟囱22连为一体，起到支撑整个上层结构的作用。此外，棚内还有一圈钢制支撑架23，起到增加集热棚19支撑能力的作用。第三层为太阳能集热器24，该层采用太阳能平板集热器，在海水入口阀25打开的前提下，抽水泵26抽取海水进入集热器24，白天时可采集太阳能，将太阳能转化为集热器24内水的内能储存起来，加热后的水进入集热棚内的热循环管27，由于空间有限，图1中只绘制了极少的热循环管，实际热循环管的数量很多，空气由集热棚上的多个进气孔28进入集热棚19，在热循环管27的加热作用下逐渐升温，太阳能转化为空气的内能，在烟囱效应下，热空气上升流动，空气内能转化为动能，集热棚19内的热气流被持续不断地由太阳能烟囱22抽出到烟囱外，推动涡轮发电机组叶轮转动，进而带动盘式永磁发电机37发电，空气动能转化为电能。此外，集热棚内还有储热罐31，温度较低的时候，太阳能集热器24内的水处于加热状态，第一阀门32打开，关闭第二阀门33和第三阀门34，当控制中心17检测到太阳能集热器24内水温高到一定值时，关闭第一阀门32和第三阀门34，打开第二阀门33，温度较高的水流入储热罐31中，储存起来，当进入夜晚或者连续阴天的时候，储热罐31中的热水作为备用热源继续加热集热棚19内的空气，保持集热棚19内的温度，使太阳能烟囱能持续发电。发电机发出的电能经过电力变换装置组6和变压器组18变换为稳定的正弦电压即可输出。

所述的太阳能烟囱22位于整个装置的几何中心线上，作为太阳能烟囱热气流发电最重要的部分，它是太阳能烟囱发电的热气流的流通通道。其支撑结构采用钢制结构，与集热棚19的钢支撑结构21连接在一起，使得太阳能烟囱22在垂直高度很高的情况下仍然可以保持可靠固定。其钢结构外包裹一层太阳能光伏电池板35，在晴朗的白天，太阳能光伏电池板35吸收太阳能转化为电能，储存在蓄电池5中。当蓄电池5充满电后，光伏电池板35发出的电能用于海水电解池8电解海水制取氢气，制取的氢气储存在储氢罐9中，与此同时，储氢罐9中的氢气通过燃料电池氢气入口12通入燃料电池11的阳极，燃料电池11的阴极通过燃料电池空气入口13通入空气，以此实现燃料电池11发电运行。当夜晚或者阴天日照不足的时候，仅靠太阳能光伏电池板35电解海水制取的氢气较少，此时蓄电池5放电，电解海水制取氢气。燃料电池11的反应伴随着反应热的释放，废热的散失既是对资源的浪费，也不利于提高系统的效率，所以有必要收集废热进行发电。控制中心17时刻监视着燃料电池11的温度变化，当燃料电池反应温度上升到一定值时，燃料电池冷却管入口阀16打开，海水作为冷却液，经燃料电池冷却管15运输到燃料电池11处，通过燃料电池换热器14发生气液热交换，燃料电池冷却管15中的水在吸热后温度升高，随后通入到集热棚19内的热循环管27，用以加热集热棚19内的空气，合理利用了燃料电池余热。

所述的垂直轴风机36位于太阳能烟囱22上方。在集热棚19内加热后的热气流通过太阳能烟囱22，并推动上下两个涡轮机的叶片，带动发电机转子转动发电。其中，下部涡轮发电机组29仅在热气流的推动下发电，上部涡轮发电机组20的转子与太阳能烟囱22上端的垂直轴风机36的转子同轴连接，利用盘式永磁发电机37发电。该种结构有以下几点好处：1，由于垂直轴风机36存在启动转矩大，不易启动的缺点，转子同轴的结构有利于烟囱内的上部涡轮发电机组30带动同轴的转子旋转，帮助垂直轴风机36启动。2，当烟囱中的热气流到达上部涡轮发电机组30处时，流速降低，涡轮机叶轮转速降低，与外部垂直轴风机36同轴连接，有助于上部涡轮发电机组30的启动与转速稳定。3，白天日照强烈，集热棚内收集的热量多，热气流温度高，流速快，进而推动上部涡轮机/发电机转速快，而白天海面上风力小，垂直轴风机36转动慢，二者结合使转子转速保持在一个稳定的高速状态；当夜晚时段，集热棚19内温度较低，太阳能烟囱22内热气流流速较慢，仅靠太阳能烟囱22内的两个涡轮发电机组发出的电较少，而夜晚往往海面上风力较大，垂直轴风机36转速较快，二者结合仍可以使转子转速保持在一个稳定的高速状态。通过这种同轴结构可以使得风力发电和太阳能烟囱发电互补，且有利于二者的启动。

本装置运行方式：

光伏电池板发出的电在白天供给蓄电池储能和电解池电解海水制氢，在夜间蓄电池中储存的电能供给电解池电解制氢。电解制得的氢气通入燃料电池发电，发出的电能经变换后并入大电网，反应期间的反应热利用起来辅助太阳能烟囱发电中的热气流加热。除此之外，太阳能烟囱发电主要利用太阳能集热器收集太阳能转化为空气内能进而转化为空气动能进行发电。风力发电系统与太阳能烟囱发电形成互补发电，使输出的电能更加稳定。海流能是一个相对独立的发电系统，其发出的电能经过变换之后可直接并入大电网或微电网。

本发明的有益效果在于：

1.综合使用多种可再生能源，将多种新能源发电有机结合，并起到一加一大于二的效果

2.将立柱式平台的立柱与海流能发电机组结合，海流能发电需要一定的深度，而立柱式平台的设计也是深入海平面下的巨大立柱，所以据此将海流能涡轮发电机组安装于立柱式平台的立柱下方，可以起到稳定吸收海流能的作用，有利于海流能的稳定利用，且节约了另行修建海流能发电设施的成本；

3.将太阳能烟囱发电与风力发电结合，太阳能烟囱发电需要一定高度的烟囱作为热气流流动的通道，而风力发电需要一定高度的塔架才可以提高风力发电的效率，并且太阳能烟囱发电白天发电较多，风力发电夜晚具有一定优势，所以考虑将风力发电应用在太阳能烟囱上，两种发电形式互为补充，且节约了修建风电塔架的成本；

4.将太阳能烟囱发电与燃料电池余热发电结合，燃料电池发电会产生余热，而太阳能烟囱发电也需要加热空气，所以考虑将二者结合，合理利用燃料电池的余热资源，既节约资源，提高了燃料电池的效率，还可以提升太阳能烟囱发电中空气的加热速度，减小太阳能烟囱发电集热棚的面积。

附图说明

图1是漂浮式的综合使用海上可再生能源的集成发电装置及其内部布置的主视图；

图2是漂浮式的综合使用海上可再生能源的集成发电装置运行框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述

一种综合使用海上可再生能源的发电平台，本发明涉及一种利用风力发电、海流能发电、太阳能光伏发电、太阳能烟囱热气流发电及燃料电池发电的方法及装置，特别是涉及一种漂浮式的的综合使用海上可再生能源的集成发电装置。

随着经济的不断发展，能源消耗严重，气候变暖、环境污染、能源紧张等问题越发严峻，在诸多挑战面前，世界各国都不谋而合地大力发展可再生能源。我国拥有漫长的海岸线和广阔的海洋面积，这就为利用海上风能、太阳能、波浪能等可再生能源提供了可能。

太阳能烟囱发电又称为太阳能热气流发电，传统的太阳能烟囱发电采用开放式透光集热棚收集太阳辐射，集热棚内温度升高后，与烟囱顶部低温空气形成温差，经过烟囱的抽力作用形成上升的热气流。同时由于集热棚内热气流向上流动导致集热棚内形成负压，棚内外压差推动集热棚外地面大气压的空气流经棚四周的进气通道向集热棚中心汇流，最后由烟囱顶部排出，在烟囱底部布置风力涡轮发电机组，热气流推动风力涡轮发电机叶片，形成热气流发电。1978年德国schlaich教授提出太阳能烟囱发电技术，1982年德国和西班牙合作建造了第一座太阳能热气流发电原型电站，目前太阳能热气流发电的研究仅限于陆地，海上太阳能烟囱的研究还鲜有人涉足。夜晚热气流温度降低，发电量减少是陆地太阳能烟囱发电的缺点之一，而海面上气温日较差小，海水相当于储热物质将白天吸收的太阳能的热量储存起来，因此相比于陆地，海面的温度在夜晚时下降不大，所以若将太阳能烟囱发电应用于海面上，将在一定程度上克服陆地太阳能烟囱发电的缺点。

风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，随着陆地风力发电技术的发展，人们已经注意到陆地风力发电存在占用土地、噪声污染等问题。由于海上风能资源储量更为丰富且稳定，人们把风力发电由陆地转向海洋。海上风力发电根据固定形式的不同分为底部固定式海上风力发电和漂浮式海上风力发电，固定式海上风电适用于浅水区，漂浮式海上风电更适合于深水海域。漂浮式海上风力发电根据漂浮式基础平台的设计形式分类可分为张力腿平台、半潜式平台和立柱式平台。

海流能发电与潮汐能发电类似，只是海流能发电装置的工作位置位于更深的海水处，它主要是利用海面下方稳定流动的海水动能发电。海流的产生主要是因为太阳对海面照射不同或海水盐度不均产生的对流现象，它是海洋和海峡中一种较为稳定的海水流动，携带着巨大的能量。目前，海流能发电有桨叶式、导管涡轮式、浮筒水下风车、水下风筝等。

燃料电池(fuelcell)是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，燃料电池的种类很多，根据其电解质的不同，可以分为碱性燃料电池(afc)、磷酸燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、固态氧化物燃料电池(sofc)和质子交换膜燃料电池(pemfc)。由于燃料电池的工作效率在40％-60％之间，所以要有40％-60％的能量以热能的形式消耗。除此之外，燃料电池的电堆工作温度大约在65℃左右，为了将燃料电池的余热利用起来，同时也是为了使燃料电池保持在一个合适的反应温度，考虑将燃料电池催化燃烧室内反应生成的热蒸汽回收利用，结合太阳能烟囱进行废热发电。

烟囱是太阳能烟囱发电系统不可缺少的一部分，而风力发电系统的风力机需要高耸的塔架支撑，所以考虑将二者结合以节约成本。若将烟囱顶部的垂直轴风力机的转轴与烟囱顶部的涡轮机转轴同轴连接，共同驱动盘式永磁发电机转子转动，可以起到昼夜能源的互补供应。海上风力发电漂浮式基础平台采用立柱式平台，这样在圆柱形压载柱体下可以安装海流能涡轮发电机组用于采集海流能。为了提高发电稳定性，加入光伏制氢-燃料电池发电系统，并以燃料电池余热辅助太阳能烟囱发电加热空气，以此形成集太阳能烟囱、风能、海流能、太阳能、燃料电池发电于一体的海洋漂浮式集成发电系统及平台，并实现孤岛微网电能供应或向外网并网供电。

专利cn200820047332.5公开了一种烟囱式太阳能和风能集合发电装置，该装置主要采取太阳能热水器、烟囱支座和支座顶部的风力发电机组的组合结构，利用太阳能热水器加热空气，增强上升气流速度推动烟囱支架内的多个风力机转动发电，同时烟囱支架的顶部安装外部风力发电机组捕获外部风力。但是该装置仅仅是风力发电和太阳能热气流发电的简单相加，没有将风能和热气流发电二者互补结合。

专利cn201620757377.6公开了一种联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置，该装置除了采用传统太阳能烟囱发电中的集热棚、烟囱和涡轮机外，还在烟囱顶部端口处加入了一个通风机，通风机外接风力机，外界风力吹动风力机后，可以带动烟囱顶端的通风机转动，可以起到将烟囱内部热气流抽出，加速气流流动速度的作用。但是本专利并非太阳能烟囱发电和风力发电的结合，风力仅仅是用作通风机的动力源。

专利201510227545.0公开了一种风能-波浪能-海流能一体的发电系统，该系统采用单柱塔筒竖直固定的支撑形式，塔筒竖直固定在海床上，在塔筒自下向上分别安装海流能发电系统、波浪能发电系统和风能发电系统。该发电系统仅仅将三种发电形式进行了简单相加，没有体现多种新能源发电的互补性，也没有采用太阳能烟囱的发电形式。

综上所述，当今还没有出现将所有海上可再生能源发电形式集成在一起的综合利用平台，本发明目的就是要设计一种集太阳能热发电、风力发电、海流能发电、光伏发电、海水制氢、燃料电池发电于一体的海洋漂浮式集成发电平台。

本发明的目的是通过一种漂浮式可再生能源集成发电装置，实现对海洋上风能、海流能、太阳能和氢能的综合发电利用。太阳能烟囱安装在立柱式漂浮平台之上，利用太阳能集热器和燃料电池余热加热空气，推动烟囱内的涡轮发电机组进行发电。盘式永磁发电机位于太阳能烟囱之上，同时利用风能和太阳热能昼夜连续发电，实现了两种能源互补。海流能发电机组位于立柱体的底部吸收海流动能。整个系统实现对海洋上多种可再生能源的综合利用。

图1为整个装置及其内部布置的主视图，图2为装置运行框图。

如图1所示，立柱式平台的立柱体1主体为封闭的圆柱体结构，其中，立柱体1上端为中空或者装填低密度物质，提供平台整体浮力；立柱体1下端为压载箱，加入压载海水或者高密度固体压载物，降低平台重心，使其重心低于浮心，保证整个装置的稳定性。立柱体1上通过多根半张紧的悬链线式系泊缆2组成的系泊系统控制其水平方向上的位移。

在立柱体1的最下方安装有海流能发电机组3，海流推动海流能发电机组3的水轮机4转动，海流能发电机组3采用双向对称结构，正反方向水流均可以推动水轮机4发电。由于安装在立柱体1的最下方，海流能发电机组3可以非常方便的获取海面下一定深度的稳定的海流能。海流能发电机组3发出的电经过电力变换装置组6和变压器组18变换为幅值、频率稳定的正弦交流电输送到岸边大电网或者临近的海洋平台微电网。

立柱体1的上方为平台层7，该层包含蓄电池5、电力变换装置组6、海水电解池8、储氢罐9、电解池海水入口阀10、燃料电池11、燃料电池氢气入口12、燃料电池空气入口13、燃料电池换热器14、燃料电池冷却管15、燃料电池冷却管入口阀16、控制中心17、变压器组18。平台层7的上方是集热棚19，其主要作用是加热棚内的空气。为保持棚内温度，不使热量散失，集热棚19的最内层和集热棚19的地面为一层保温材料20。集热棚19的第二层为钢支撑结构21，与钢制的太阳能烟囱22连为一体，起到支撑整个上层结构的作用。此外，棚内还有一圈钢制支撑架23，起到增加集热棚19支撑能力的作用。集热棚19第三层为太阳能集热器24，该层采用太阳能平板集热器，在海水入口阀25打开的前提下，抽水泵26抽取海水进入集热器24，白天时可采集太阳能，将太阳能转化为集热器24内水的内能储存起来，加热后的水进入集热棚内的热循环管27(由于空间有限，图1中只绘制了极少的热循环管，实际热循环管的数量很多)，空气由集热棚上的多个进气孔28进入集热棚19，在热循环管27的加热作用下逐渐升温，太阳能转化为空气的内能，在烟囱效应下，热空气上升流动，空气内能转化为动能，集热棚19内的热气流被持续不断地由太阳能烟囱22抽出到烟囱外，推动下部涡轮发电机组29和上部涡轮发电机组30的叶轮转动，进而带动盘式永磁发电机37发电，空气动能转化为电能。此外，集热棚内还有储热罐31，温度较低的时候，太阳能集热器24内的水处于加热状态，阀门32打开，关闭阀门33和阀门34，当控制中心17检测到太阳能集热器24内水温高到一定值时，关闭阀门32和阀门34，打开阀门33，温度较高的水流入储热罐31中，储存起来，当进入夜晚或者连续阴天的时候，储热罐31中的热水作为备用热源继续加热集热棚19内的空气，保持集热棚19内的温度，使太阳能烟囱能持续发电。发电机发出的电能经过电力变换装置组6和变压器组18变换为稳定的正弦电压即可输出。

太阳能烟囱22的钢结构外包裹一层太阳能光伏电池板35，在晴朗的白天，太阳能光伏电池板35吸收太阳能转化为电能，储存在蓄电池5中。当蓄电池5充满电后，光伏电池板35发出的电能用于海水电解池8电解海水制取氢气，制取的氢气储存在储氢罐9中，与此同时，储氢罐9中的氢气通过燃料电池氢气入口12通入燃料电池11的阳极，燃料电池11的阴极通过燃料电池空气入口13通入空气，以此实现燃料电池11发电运行。当夜晚或者阴天日照不足的时候，仅靠太阳能光伏电池板35电解海水制取的氢气较少，此时蓄电池5放电，电解海水制取氢气。燃料电池11的反应伴随着反应热的释放，废热的散失既是对资源的浪费，也不利于提高系统的效率，所以有必要收集废热进行发电。控制中心17时刻监视着燃料电池11的温度变化，当燃料电池反应温度上升到一定值时，燃料电池冷却管入口阀16打开，海水作为冷却液，经燃料电池冷却管15运输到燃料电池11处，通过燃料电池换热器14发生气液热交换，燃料电池冷却管15中的水在吸热后温度升高，随后通入到集热棚19内的热循环管27，用以加热集热棚19内的空气，合理利用了燃料电池余热。

太阳能烟囱22位于整个装置的几何中心线上，作为太阳能烟囱热气流发电最重要的部分，它是太阳能烟囱发电的热气流的流通通道。其支撑结构采用钢制结构，与集热棚19的钢支撑结构21连接在一起，使得太阳能烟囱22在垂直高度很高的情况下仍然可以保持可靠固定。在集热棚19内加热后的热气流通过太阳能烟囱22，并推动上下两个涡轮机的叶片，带动发电机转子转动发电。其中，下部涡轮发电机组29仅在热气流的推动下发电，上部涡轮发电机组30的转子与太阳能烟囱22上端的垂直轴风机36的转子同轴连接，利用盘式永磁发电机37发电。该种结构有以下几点好处：1，由于垂直轴风机36存在启动转矩大，不易启动的缺点，转子同轴的结构有利于烟囱内的上部涡轮发电机组30带动同轴的转子旋转，帮助垂直轴风机36启动。2，当烟囱中的热气流到达上部涡轮发电机组3处时，流速降低，涡轮机叶轮转速降低，与外部垂直轴风机36同轴连接，有助于上部涡轮发电机组30的启动与转速稳定。3，白天日照强烈，集热棚内收集的热量多，热气流温度高，流速快，进而推动上部涡轮机/发电机30转速快，而白天海面上风力小，垂直轴风机36转动慢，二者结合使转子转速保持在一个稳定的高速状态；当夜晚时段，集热棚19内温度较低，太阳能烟囱22内热气流流速较慢，仅靠太阳能烟囱22内的两个涡轮发电机组发出的电较少，而夜晚往往海面上风力较大，垂直轴风机36转速较快，二者结合仍可以使转子转速保持在一个稳定的高速状态。通过这种同轴结构可以使得风力发电和太阳能烟囱发电互补，且有利于二者的启动。

图2为装置运行框图。如图2所示，光伏电池板发出的电在白天供给蓄电池储能和电解池电解海水制氢，在夜间蓄电池中储存的电能供给电解池电解制氢。电解制得的氢气通入燃料电池发电，发出的电能经变换后并入大电网，反应期间的反应热利用起来辅助太阳能烟囱发电中的热气流加热。除此之外，太阳能烟囱发电主要利用太阳能集热器收集太阳能转化为空气内能进而转化为空气动能进行发电。风力发电系统与太阳能烟囱发电形成互补发电，使输出的电能更加稳定。海流能是一个相对独立的发电系统，其发出的电能经过变换之后可直接并入大电网或微电网。

工作原理：本发明的特点在于将多种新能源发电有机结合，并起到一加一大于二的效果。海流能发电需要一定的深度，而立柱式平台的设计也是深入海平面下的巨大立柱，所以据此将海流能涡轮发电机组安装于立柱式平台的立柱下方，可以起到稳定吸收海流能的作用；太阳能烟囱发电需要一定高度的烟囱作为热气流流动的通道，而风力发电需要一定高度的塔架才可以提高风力发电的效率，并且太阳能烟囱发电白天发电较多，风力发电夜晚具有一定优势，所以考虑将风力发电应用在太阳能烟囱上，二者互为补充；燃料电池发电会产生余热，而太阳能烟囱发电也需要加热空气，所以考虑将二者结合，合理利用燃料电池的余热资源。

有益效果：该装置综合使用多种可再生能源，将立柱式平台的立柱与海流能发电机组结合，有利于海流能的稳定利用，且节约了另行修建海流能发电设施的成本；将太阳能烟囱发电与风力发电结合，两种发电形式互为补充，且节约了修建风电塔架的成本；将太阳能烟囱发电与燃料电池余热发电结合，既节约资源，提高了燃料电池的效率，还可以提升太阳能烟囱发电中空气的加热速度，减小太阳能烟囱发电集热棚的面积。

图1为整个装置的正面正视图，图2为装置运行框图，整个装置采用立柱式平台，其余的设备都在该平台上安装组合。其中，根据图中标识，1为立柱体，2为悬链线式系泊缆，3为海流能发电机组，4为水轮机，5为蓄电池，6为电力变换装置组，7为平台层，8为海水电解池，9为储氢罐，10为电解池海水入口阀，11为燃料电池，12为燃料电池氢气入口，13为燃料电池空气入口，14为燃料电池换热器，15为燃料电池冷却管，16为燃料电池冷却管入口阀，17为控制中心，18为变压器组，19为集热棚，20为保温材料，21为钢支撑结构，22为太阳能烟囱，23为钢制支撑架，24为太阳能集热器，25为海水入口阀，26为抽水泵，27为热循环管，28为进气孔，29为下部涡轮发电机组，30为上部涡轮发电机组，31为储热罐，32为阀门32，33为阀门33，34为阀门34，35为太阳能光伏电池板，36为垂直轴风机，37为盘式永磁发电机。

立柱式平台的立柱体1主体为封闭的圆柱体结构，其中，立柱体1上端为中空或者装填低密度物质，提供平台整体浮力；立柱体1下端为压载箱，加入压载海水或者高密度固体压载物，降低平台重心，使其重心低于浮心，保证整个装置的稳定性。立柱体1上通过多根半张紧的悬链线式系泊缆2组成的系泊系统控制其水平方向上的位移。

在立柱体1的最下方安装有海流能发电机组3，海流推动海流能发电机组3的水轮机4转动，海流能发电机组3采用双向对称结构，正反方向水流均可以推动叶轮发电。由于安装在立柱体1的最下方，海流能发电机组3可以非常方便的获取海面下一定深度的稳定的海流能。海流能发电机组3发出的电经过电力变换装置组6和变压器组18变换为幅值、频率稳定的正弦交流电输送到岸边大电网或者临近的平台微电网。

立柱体1的上方为平台7，该层包含蓄电池5，海水电解池8，储氢罐9，电解池海水入口阀10，燃料电池11，燃料电池氢气入口12，燃料电池空气入口13，燃料电池换热器14，燃料电池冷却管15，燃料电池冷却管入口阀16，控制中心17，变压器组18。

中间层7的上方是集热棚19，其主要作用是加热棚内的空气。为保持棚内温度，不使热量散失，集热棚19的最内层和集热棚19的地面为一层保温材料20。集热棚19的第二层为钢支撑结构21，与钢制的太阳能烟囱22连为一体，起到支撑整个上层结构的作用。此外，棚内还有一圈钢制支撑架23，起到增加集热棚19支撑能力的作用。集热棚19第三层为太阳能集热器24，该层采用太阳能平板集热器，在海水入口阀25打开的前提下，抽水泵26抽取海水进入集热器24，白天时可采集太阳能，将太阳能转化为集热器24内水的内能储存起来，加热后的水进入集热棚内的热循环管27(由于空间有限，图1中只绘制了极少的热循环管，实际热循环管的数量很多)，空气由集热棚上的多个进气孔28进入集热棚19，在热循环管27的加热作用下逐渐升温，太阳能转化为空气的内能，在烟囱效应下，热空气上升流动，空气内能转化为动能，集热棚19内的热气流被持续不断的由太阳能烟囱22抽出到烟囱外，推动下部涡轮发电机组29和上部涡轮发电机30叶轮转动，进而带动盘式永磁发电机37发电，空气动能转化为电能。此外，集热棚内还有储热罐31，温度较低的时候，太阳能集热器24内的水处于加热状态，阀门32打开，关闭阀门33和阀门34，当控制中心17检测到太阳能集热器24内水温高到一定值时，关闭阀门32和阀门34，打开阀门33，温度较高的水流入储热罐31中，储存起来，当进入夜晚或者连续阴天的时候，储热罐31中的热水作为备用热源继续加热集热棚19内的空气，保持集热棚19内的温度，太阳能烟囱持续发电。发电机发出的电能经过电力变换装置组6和变压器组18变换为稳定的正弦电压即可输出。

太阳能烟囱22的钢结构外包裹一层太阳能光伏电池板35，在晴朗的白天，太阳能光伏电池板35吸收太阳能转化为电能，储存在蓄电池5中。当蓄电池5充满电后，光伏电池板发出的电能用于海水电解池8电解海水制取氢气，制取的氢气储存在储氢罐9中，与此同时，储氢罐9中的氢气通过燃料电池氢气入口12通入燃料电池11的阳极，燃料电池11的阴极通过燃料电池空气入口13通入空气，以此实现燃料电池11发电运行。当夜晚或者阴天日照不足的时候，仅靠太阳能光伏电池板35电解海水制取的氢气较少，此时蓄电池5放电，电解海水制取氢气。燃料电池11的反应伴随着反应热的释放，废热的散失既是对资源的浪费，也不利于提高系统的效率。控制中心17时刻监视着燃料电池11的温度变化，当温度上升到一定值时，燃料电池冷却管入口阀16打开，海水作为冷却液，经燃料电池冷却管15运输到燃料电池11处，通过燃料电池换热器14发生气液热交换，燃料电池冷却管15中的水在吸热后温度升高，随后通入到集热棚19内的热循环管27，用以加热集热棚19内的空气，合理利用了燃料电池余热。

太阳能烟囱22位于整个装置的几何中心线上，作为太阳能烟囱热气流发电最重要的部分，它是太阳能烟囱发电的热气流的流通通道。其支撑结构采用钢制支撑结构，与集热棚19的钢支撑结构21连接在一起，使得太阳能烟囱22在垂直高度很高的情况下仍然可以保持稳定。在集热棚19内加热后的热气流通过太阳能烟囱22，并推动上下两个涡轮机的叶片，带动发电机转子转动发电。其中，下部涡轮发电机组29仅在热气流的推动下发电，上部涡轮发电机组30的转子与太阳能烟囱22上端的垂直轴风机36的转子同轴连接，利用盘式永磁发电机37发电。