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

本发明属于电力储能与高效发电回馈电网，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、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；

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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：

15、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；

16、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；

17、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。

18、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)。

19、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：

20、

21、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％。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、(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；

24、(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；

25、(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)；

26、(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；

27、(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；

28、(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；

29、(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；

30、(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。