CN117294026A - 基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统及方法，可再生能源间歇发电设备(1)与能量管理设备(2)相连，能量管理设备(2)与电解水设备(3)和用电负载(12)相连，氩气动力循环内燃机机体(8)与能量管理设备(2)相连；能量管理设备(2)输送电力至电解水设备(3)和用电负载(12)，经电解水设备(3)储存电力、氩气动力循环内燃机机体(8)转换电力，在工作时氩气动力循环内燃机机体(8)以氢气为燃料、氩氧混合气为工质，氢氧燃烧转换能量，排放产物包括氩气和水，再重新获取电力。与现有技术相比，本发明具有建设难度低、成本低、节能减排、储能量大、适用地域广和可靠稳定的优点。

Description

基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统及方法

技术领域

本发明属于电力储能与高效发电回馈电网技术领域，涉及一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统及方法。

背景技术

在双碳目标下，大力发展清洁能源成为趋势和热点。清洁能源，如太阳能、风能、海洋能等，具有环保、零二氧化碳排放和可再生的优点，被认为是实现双碳目标和可持续发展的重要途径。然而，太阳能、风能和海洋能等具有间歇性、季节性和区域性等特点，需结合储能系统转化为其他能量形式后进行储运和再利用。

目前常见的储能系统包括蓄水储能、电化学储能、机械储能和热储能。然而，蓄水储能受地域性限制且建设成本高，电化学储能的储能容量小，机械储能和热储能的系统效率较低。

专利CN103441564A公开了一种无需水源的太阳能离网制氢储能供电系统，包括太阳能电池组、控制器；所述系统还包括平衡波动储能单元、逆变器、空气制水机、电解水制氢机、固化储氢单元、氢能发电机；所述控制器分别连接太阳能电池组、平衡波动储能单元、电解水制氢机；所述平衡波动储能单元的输出具有单向性，接入逆变器和电解水制氢机；所述逆变器连接空气制水机，空气制水机连接电解水制氢机，电解水制氢机、固化储氢单元、氢能发电机依次连接；所述空气制水机提供电解水制氢机用水，同时还能提供饮用水。虽然该专利通过使用氢作为储能载体，克服了水源限制，但该专利所使用的氢能发电机以空气为循环工质，存在效率低的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统及方法，本发明具有建设难度低、成本低、节能减排、储能量大、适用地域广和可靠稳定的优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一在于，提供一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，包括可再生能源间歇发电设备、能量管理设备、电解水设备和氩气动力循环内燃机机体，所述可再生能源间歇发电设备与能量管理设备相连，所述能量管理设备与电解水设备和用电负载相连，所述氩气动力循环内燃机机体与能量管理设备相连；

所述能量管理设备根据可再生能源间歇发电设备的产电量和用电负载的用电需求分配输送电力至电解水设备和用电负载，经电解水设备储存电力、氩气动力循环内燃机机体转换电力，在工作时氩气动力循环内燃机机体以氢气为燃料、氩氧混合气为工质，氢氧高效燃烧转换能量，排放产物包括氩气和水，再从氩气动力循环内燃机机体重新获取电力。

进一步地，所述可再生能源间歇发电设备包括风能发电设备、太阳能发电设备和海洋能发电设备，可同时工作，也可根据实际情况选择性工作。

进一步地，所述系统包括储水罐、储氧罐和储氢罐，所述储水罐与电解水设备相连，所述电解水设备与储氢罐和储氧罐相连，所述电解水设备将满足用电负载供电需求外的过剩电力以氢气和氧气的形式储存。

进一步地，所述系统包括氩氧混合罐和氩气缓冲罐，所述储氧罐和氩气缓冲罐与氩氧混合罐相连，所述氩氧混合罐将氧气和氩气预混合。

进一步地，所述储氢罐和氩氧混合罐与氩气动力循环内燃机机体相连。

进一步地，所述系统包括冷凝器，所述氩气动力循环内燃机机体与冷凝器相连，所述冷凝器与氩气缓冲罐和储水罐相连，所述冷凝器分离排放产物中的氩气和水，实现氩气和水的循环利用。

进一步地，所述系统包括氩气补充罐，所述氩气补充罐与氩气缓冲罐相连，所述氩气补充罐在氩气缓冲罐压力低于规定阈值时补充氩气。

进一步地，所述能量管理设备与电网相连，所述能量管理设备根据可再生能源间歇发电设备的产电量和用电负载的用电需求分配输送电力至电解水设备、电网和用电负载。

进一步地，所述氩气动力循环内燃机机体包括气缸以及气缸上设有的氢气喷嘴、进气门和排气门，所述氩氧混合气经进气门进入气缸，所述氢气经氢气喷嘴进入气缸，所述排放产物经排气门排出气缸。

作为优选的技术方案，所述氢气喷嘴为高压氢气喷嘴，喷射压力需要达到100个大气压以上，低压无法保证氢气直接喷入气缸内。

本发明的技术方案之一在于，提供一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电方法，该方法使用所述的系统进行储能发电，所述方法包括以下步骤：

所述能量管理设备根据可再生能源间歇发电设备的产电量和用电负载的用电需求来分配电力，优先满足用电负载的用电需求，过剩电力输送至电解水设备制取氢气和氧气存储能量，在电网需要输入电力时，通过氩气动力循环内燃机机体氢氧高效燃烧转换能量，将储能转化为电力重新输入电网；

通过储氧罐内的氧气与氩气缓冲罐内的氩气在氩氧混合罐中进行预混合后经进气门进入气缸，通过储氢罐内的氢气经氢气喷嘴进入气缸，并与气缸内的氩氧混合气组成可燃混合气，所述可燃混合气在气缸内被活塞压燃或由火花塞点燃，以氢气为燃料、氩氧混合气为工质，排放产物包括燃烧产物水以及不燃物氩气，经排气门排出气缸，并经冷凝器分离，所述水进入储水罐，供电解水设备使用，所述氩气进入氩气缓冲罐，以再次被利用；

根据压力表测量氩气缓冲罐中的压力，以此为依据判断循环系统中是否氩气泄露，并在压力表示数低于规定阈值时，通过氩气补充罐向氩气缓冲罐中补充氩气。

作为优选的技术方案，所述氩气与氧气预混合的摩尔比为(70-90):(30-10)。

氩气动力循环氢气机是一种面向高效和零排放的新型动力循环系统。在工作时，系统以氩气为循环工质、以氧气为氧化剂、以氢气为燃料。氩气是一种单原子气体，其比热容比为1.67，而空气的比热容比低于1.4。氩气的高比热容比是系统实现高效的关键因素。根据理论奥托循环热效率公式：

式中为η为理论热效率，CR为压缩比，γ为比热容比，以压缩比为11为例，氩气动力循环氢气机的理论热效率接近80％，而以空气为循环工质的氢气机的热效率仅约为62％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过电解水将清洁能源以氢气和氧气的形式储存，并通过高效、零污染的氩气动力循环氢气机消耗氢气和氧气产生动力输出，与现有蓄水储能、热力储能和化学电池储能技术相比，具有建设难度低、成本低、节能减排、储能量大、适用地域广和可靠稳定的优点；

(2)本发明可用于利用风能、太阳能和海洋能等间歇发电无法上网能源，通过电解水制氢和氧，并在现场存储能量；在电网需要输入电力时，利用高效、零排放的氩气动力循环氢气机，通过氢氧高效燃烧和能量转换，将储能转化为电力重新输入电网，实现蓄水储能的综合效率；

(3)本发明通过以氩气动力循环氢气机替代常规以空气为循环工质的氢气机，很好地解决了常规氢气机无法高效燃烧氢氧的问题，显著提升了系统的发电效率；基于氩气动力循环氢气机的发电系统，具有与抽水蓄能相当的系统效率(50％以上)；

(4)本发明通过使用电解水制氢设备和氩气动力循环内燃机实现储能和能量转换，避免了蓄水储能和热力储能所需的建设工程量，也避免了使用大量化学电池储能的电池成本，因此建设难度低、成本低；

(5)本发明通过使用氩气动力循环内燃机替代传统以空气为循环工质的氢气机，利用氩气高比热容比特性提高了内燃机热效率，在实现零碳排放的同时，实现了零氮氧化物排放，因此更有利于节能减排；

(6)本发明以氢气作为储能载体，通过高压储氢技术，可以更容易实现较大的储能量；

(7)本发明通过因地制宜，使用一种或多种清洁能源，具有适用地域广的优势；

(8)本发明以发展成熟的内燃机为发电装置，具有可靠稳定的优势。

附图说明

图1为本发明实施例中基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中氩气动力循环氢气机的结构示意图。

图中标记说明：

1—可再生能源间歇发电设备、101—风能发电设备、102—太阳能发电设备、103—海洋能发电设备、2—能量管理设备、3—电解水设备、4—储水罐、5—储氧罐、6—储氢罐、7—氩氧混合罐、8—氩气动力循环内燃机机体、801—气缸、802—氢气喷嘴、803—进气门、804—排气门、9—冷凝器、10—氩气缓冲罐、11—氩气补充罐、12—用电负载、13—电网。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等用来描述共同的对象，仅表示指代相同对象的不同实例，而并不是要暗示这样描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其它方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，如图1所示，包括可再生能源间歇发电设备1、能量管理设备2、电解水设备3、储水罐4、储氧罐5、储氢罐6、氩氧混合罐7、氩气动力循环内燃机机体8、冷凝器9、氩气缓冲罐10、氩气补充罐11、用电负载12和电网13；

可再生能源间歇发电设备1包括风能发电设备101、太阳能发电设备102和海洋能发电设备103，可同时工作，也可根据实际情况选择性工作；

可再生能源间歇发电设备1与能量管理设备2相连，能量管理设备2与电解水设备3、电网13和用电负载12相连，氩气动力循环内燃机机体8与能量管理设备2相连，能量管理设备2根据可再生能源间歇发电设备1的产电量和用电负载12的用电需求输送输送电力至电解水设备3、电网13和用电负载12，经电解水设备3储存电力、氩气动力循环内燃机机体8转换电力，再从氩气动力循环内燃机机体8重新获取电力；

储水罐4与电解水设备3相连，电解水设备3与储氢罐6和储氧罐5相连，电解水设备3将满足用电负载12供电需求外的过剩电力以氢气和氧气的形式储存；

储氧罐5和氩气缓冲罐10与氩氧混合罐7相连，氩氧混合罐7将氧气和氩气预混合；

储氢罐6和氩氧混合罐7与氩气动力循环内燃机机体8相连，在工作时氩气动力循环内燃机机体8以氢气为燃料、氩氧混合气为工质，氢氧高效燃烧转换能量，排放产物包括氩气和水；

氩气动力循环内燃机机体8与冷凝器9相连，冷凝器9与氩气缓冲罐10和储水罐4相连，冷凝器9分离排放产物中的氩气和水，实现氩气和水的循环利用；

氩气补充罐11与氩气缓冲罐10相连，氩气补充罐11在氩气缓冲罐10压力低于规定阈值时补充氩气。

如图2所示，氩气动力循环内燃机机体8包括气缸801以及气缸801上设有的氢气喷嘴802、进气门803和排气门804，氩氧混合气经进气门803进入气缸801，氢气经氢气喷嘴802进入气缸801，排放产物经排气门804排出气缸801。

氢气喷嘴802为高压氢气喷嘴，喷射压力需要达到100个大气压以上，在本实施例中优选为150个大气压，低压无法保证氢气直接喷入气缸801内。

一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电方法，使用上述的系统进行储能发电，具体步骤如下：

如图1所示，能量管理设备2根据可再生能源间歇发电设备1的产电量和用电负载12的用电需求来分配电力，优先满足用电负载12的用电需求，过剩电力输送至电解水设备3制取氢气和氧气存储能量，在电网13需要输入电力时，通过氩气动力循环内燃机机体8氢氧高效燃烧转换能量，将储能转化为电力重新输入电网13；

如图2所示，储氧罐5内的氧气与氩气缓冲罐10内的氩气在氩氧混合罐7中以一定比例进行预混合后经进气门803进入气缸801，储氢罐6内的氢气经氢气喷嘴802进入气缸801，并与气缸801内的氩氧混合气组成可燃混合气，可燃混合气在气缸801内被活塞压燃或由火花塞点燃(在本实施例中优选为被活塞压燃)，以氢气为燃料、氩氧混合气为工质，排放产物包括燃烧产物水以及不燃物氩气，经排气门804排出气缸801，并经冷凝器9分离，水进入储水罐4，供电解水设备3使用，氩气进入氩气缓冲罐10，以再次被利用；

根据压力表测量氩气缓冲罐10中的压力，以此为依据判断循环系统中是否氩气泄露，并在压力表示数低于规定阈值时，通过氩气补充罐11向氩气缓冲罐10中补充氩气。

内燃机应在最高效率的点工况下运行，因此氩氧比例应是固定的。氩氧摩尔比可选择的范围为(70-90):(30-10)，根据文献及试验经验，兼顾效率和负荷的最佳氩氧比为85:15，因此可以选择氩气:氧气＝85:15作为一种具体实施方式。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，包括可再生能源间歇发电设备(1)、能量管理设备(2)、电解水设备(3)和氩气动力循环内燃机机体(8)，所述可再生能源间歇发电设备(1)与能量管理设备(2)相连，所述能量管理设备(2)与电解水设备(3)和用电负载(12)相连，所述氩气动力循环内燃机机体(8)与能量管理设备(2)相连；

所述能量管理设备(2)输送电力至电解水设备(3)和用电负载(12)，经电解水设备(3)储存电力、氩气动力循环内燃机机体(8)转换电力，在工作时氩气动力循环内燃机机体(8)以氢气为燃料、氩氧混合气为工质，氢氧燃烧转换能量，排放产物包括氩气和水，再从氩气动力循环内燃机机体(8)重新获取电力。

2.根据权利要求1所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述可再生能源间歇发电设备(1)包括风能发电设备(101)、太阳能发电设备(102)和海洋能发电设备(103)。

3.根据权利要求1所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述系统包括储水罐(4)、储氧罐(5)和储氢罐(6)，所述储水罐(4)与电解水设备(3)相连，所述电解水设备(3)与储氢罐(6)和储氧罐(5)相连，所述电解水设备(3)将满足用电负载(12)供电需求外的过剩电力以氢气和氧气的形式储存。

4.根据权利要求3所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述系统包括氩氧混合罐(7)和氩气缓冲罐(10)，所述储氧罐(5)和氩气缓冲罐(10)与氩氧混合罐(7)相连，所述氩氧混合罐(7)将氧气和氩气预混合。

5.根据权利要求4所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述储氢罐(6)和氩氧混合罐(7)与氩气动力循环内燃机机体(8)相连。

6.根据权利要求4所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述系统包括冷凝器(9)，所述氩气动力循环内燃机机体(8)与冷凝器(9)相连，所述冷凝器(9)与氩气缓冲罐(10)和储水罐(4)相连，所述冷凝器(9)分离排放产物中的氩气和水，实现氩气和水的循环利用。

7.根据权利要求4所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述系统包括氩气补充罐(11)，所述氩气补充罐(11)与氩气缓冲罐(10)相连，所述氩气补充罐(11)在氩气缓冲罐(10)压力低于规定阈值时补充氩气。

8.根据权利要求1所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述能量管理设备(2)与电网(13)相连，所述能量管理设备(2)输送电力至电解水设备(3)、电网(13)和用电负载(12)。

9.根据权利要求1所述的一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电系统，其特征在于，所述氩气动力循环内燃机机体(8)包括气缸(801)以及气缸(801)上设有的氢气喷嘴(802)、进气门(803)和排气门(804)，所述氩氧混合气经进气门(803)进入气缸(801)，所述氢气经氢气喷嘴(802)进入气缸(801)，所述排放产物经排气门(804)排出气缸(801)。

10.一种基于氩气动力循环氢气机的高效清洁储能发电方法，其特征在于，该方法使用如权利要求1至9中任一所述的系统进行储能发电，所述方法包括以下步骤：

所述能量管理设备(2)满足用电负载(12)的用电需求，过剩电力输送至电解水设备(3)制取氢气和氧气存储能量，在电网(13)需要输入电力时，通过氩气动力循环内燃机机体(8)氢氧燃烧转换能量，将储能转化为电力重新输入电网(13)；

通过储氧罐(5)内的氧气与氩气缓冲罐(10)内的氩气在氩氧混合罐(7)中进行预混合后经进气门(803)进入气缸(801)，通过储氢罐(6)内的氢气经氢气喷嘴(802)进入气缸(801)，并与气缸(801)内的氩氧混合气组成可燃混合气，所述可燃混合气在气缸(801)内被活塞压燃或由火花塞点燃，以氢气为燃料、氩氧混合气为工质，排放产物包括燃烧产物水以及不燃物氩气，经排气门(804)排出气缸(801)，并经冷凝器(9)分离，所述水进入储水罐(4)，供电解水设备(3)使用，所述氩气进入氩气缓冲罐(10)，以再次被利用；

根据压力表测量氩气缓冲罐(10)中的压力，以此为依据判断循环系统中是否氩气泄露，并在压力表示数低于规定阈值时，通过氩气补充罐(11)向氩气缓冲罐(10)中补充氩气。