АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГОПИТАНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к области автономных систем энергопитания (АСЭП) отдельных объектов, удаленных от линии электропередачи, а именно к АСЭП, включающим возобновляемые источники энергии в качестве внешнего источника электроэнергии, электрохимический генератор (ЭХГ), электролизер и баллоны для хранения реагентов (водорода и кислорода).
6
Как известно, возобновляемые источники электроэнергии, такие как солнечные батареи или ветряные энергоустановки, не могут обеспечить потребителя стабильным электропитанием в течение всего времени суток. Это связано с непостоянством как солнечного излучения, так и скорости ветра. Поэтому АСЭП, содержащие ЭХГ и электролизер, в периоды, когда внешние источники энергии (солнечные батареи или ветряные энергоустановки) не способны выдавать электроэнергию потребителю, потребитель получает электроэнергию от ЭХГ. В этот период электроэнергию получают за счет химической реакции соединения кислорода с водородом. Химическая реакция соединения кислорода с водородом с образованием воды проходит на топливных элементах (ТЭ) электрохимического генератора. В периоды, когда внешние источники энергии (солнечные батареи или ветряные энергоустановки) выдают электроэнергию потребителю, часть этой электроэнергии используется для разложения образовавшейся воды на кислород и водород. Разложение образовавшейся воды на кислород и водород происходит на электролизных ячейках (ЭЯ) электролизера. Этот способ реализован в автономной системе энергопитания (патент RU 2277273 от 27.05.2006, МПК: H01M 8/06; H01M 16/00), взятой за прототип. Автономная система энергопитания содержит внешний источник электроэнергии, подключенный к потребителю электроэнергии, электрохимический генератор на основе топливных элементов, электролизер, водородный и кислородный баллоны, соединенные посредством трубопроводов и клапанов с соответствующими газовыми полостями топливных элементов электрохимического генератора и электролизера и снабженные датчиками верхнего и нижнего предельно допустимых значений давлений, теплообменник, емкость теплоносителя, циркуляционный насос, при этом топливные элементы электрохимического генератора и электролизер имеют общий контур циркуляции теплоносителя.
АСЭП работает следующим образом. В периоды, когда внешние источники энергии (солнечные батареи или ветряные энергоустановки) не способны выдавать электроэнергию потребителю, водород и кислород из баллонов подается в ЭХГ. ЭХГ генерирует ток, который подается потребителю. Образующаяся в результате реакции вода накапливается в емкости электролита, вызывая его разбавление и увеличение объема. Выделяющееся при работе ЭХГ тепло отводится контуром прокачки электролита и сбрасывается в окружающую среду теплообменником. В периоды, когда внешние источники энергии (солнечные батареи или ветряные энергоустановки) выдают электроэнергию потребителю, часть этой электроэнергии используется для разложения образовавшейся воды на кислород и водород. Это реализуется следующим образом. Контур циркуляции электролита отключается от ЭХГ и подключается к электролизеру, к которому подается электроэнергия от внешнего источника электроэнергии. Щелочной электролит подвергается электролизу на ЭЯ, разлагая воду на кислород и водород, что приводит к увеличению концентрации щелочи и уменьшению объема электролита. Образующиеся при электролизе водород и кислород накапливаются в баллонах. При срабатывании датчиков верхнего предельно допустимого давления в баллонах реагентов контур циркуляции электролита отключается от электролизера. Внешний источник электроэнергии отключается от электролизера. Питание потребителей во время переключения составляющих АСЭП производится от аккумуляторной батареи.
Недостатками прототипа являются малый ресурс работы АСЭП и невысокая надежность ее эксплуатации. Это связано со следующим:
- Использование в качестве теплоносителя (жидкости, циркуляция которой обеспечивает работоспособность АСЭП в заданном температурном диапазоне) электролита резко снижает ресурс и надежность АСЭП, так как электролит является агрессивной жидкостью для многих материалов, например, для широко применяемых металлов.
- Малый ресурс и невысокая надежность также связаны с тем, что при длительном нахождении ЭХГ или электролизера в нерабочем состоянии (отключение цепей электрического тока) и при наличии реагентов (водорода и кислорода) внутри корпусов, резко падают ресурс и характеристики как ТЭ ЭХГ, так и ЭЯ электролизера. Это связано с тем, что при отключении цепей электрического тока на аноде и катоде как ТЭ, так и ЭЯ образуются застойные зоны положительных и отрицательных ионов, в результате чего резко снижаются каталитические свойства электродов (анода и катода) как ТЭ, так и ЭЯ. Именно поэтому при длительном хранении ЭХГ всегда должен находиться в атмосфере инертных газов (например, аргона, гелия, азота). При минимальном токосъеме с ТЭ, который определяется экспериментально, застойные зоны положительных и отрицательных ионов отсутствуют, что обеспечивает минимальное снижение характеристик ТЭ на весь период эксплуатации и длительный ресурс.
В настоящее время экспериментально доказано, что если ЭХГ работает непрерывно и выдача электроэнергии в период эксплуатации находится в пределах 2-10%, то это обеспечивает незначительное снижение вольтамперных характеристик ТЭ в течение длительного периода эксплуатации более 6000 ч. При длительном нахождении ЭХГ без выдачи электроэнергии, в случаях, когда отсутствует атмосфера инертного газа на ТЭ, характеристики ТЭ и ресурс ЭХГ снижаются в несколько раз. То же самое относится и к ЭЯ электролизера. Это значит, что электролизер должен постоянно потреблять в диапазоне от 2 до 10% от своей максимально потребляемой электрической мощности, для того чтобы характеристики ЭЯ находились на должном уровне.
Недостатком прототипа является также большое время перехода с режима накопления электроэнергии (режим работы только электролизера) на режим выдачи электроэнергии потребителю (режим работы только ЭХГ) и обратно. Это связано с тем, что в период работы какого-либо из составляющих АСЭП (ЭХГ или электролизера) согласно прототипу обеспечивается лишь съемом тепла с работающего агрегата. Следовательно, неработающий агрегат будет охлаждаться. Известно, что работа ТЭ и ЭЯ эффективно может начаться только при температурах выше 60°С. Поэтому, для того, чтобы обеспечить начало работы неработающего агрегата, его нужно разогреть до необходимой температуры. Следует заметить, что если неработающий агрегат охладится до минусовых температур (это зависит от климатических условий эксплуатации), то это может вывести из строя неработающий агрегат и, как следствие, всю АСЭП.
Таким образом, недостатками АСЭП и способа ее эксплуатации являются: ограниченная область применения, связанная с неработоспособностью при отрицательных температурах, низкая надежность, а также сложность ее конструкции и технологии эксплуатации. Это связано с тем, что в прототипе период переключения составляющих АСЭП с одного режима на другой обеспечивается аккумуляторной батареей, что усложняет процесс выхода неработающего агрегата на рабочий режим и требует значительного времени для того, чтобы разогреть неработающий агрегат до необходимой температуры.
Задачей изобретения является создание АСЭП, обеспечивающей быстрый и надежный переход с одного режима на другой при условиях эксплуатации, когда температура окружающей среды может быть ниже 0°С, и разработка надежного способа эксплуатации АСЭП, лишенного указанных недостатков.
Техническим результатом является снижение энергозатрат и повышение быстродействия АСЭП на переходных режимах; повышение ресурса и надежности эксплуатации АСЭП.
Технический результат достигается тем, что в автономную систему энергопитания, содержащую внешний источник электроэнергии, подключенный шинами питания к потребителю электроэнергии, электрохимический генератор на основе топливных элементов, электролизер, водородный и кислородный баллоны, соединенные посредством трубопроводов и клапанов с соответствующими газовыми полостями топливных элементов электрохимического генератора и электролизера и снабженные датчиками верхнего и нижнего предельно допустимых значений давлений, теплообменник, емкость теплоносителя, циркуляционный насос, при этом топливные элементы электрохимического генератора и электролизер имеют общий контур циркуляции теплоносителя, введены: регулятор расхода теплоносителя, вход которого соединен с выходом циркуляционного насоса, а один выход соединен с входом теплоносителя в электролизер, другой - с входом теплоносителя в электрохимический генератор, электронный преобразователь, обеспечивающий прием питания потребителем электроэнергии от электрохимического генератора, электронный преобразователь, обеспечивающий прием питания электролизером, контур съема тепла с дополнительным циркуляционным насосом, смеситель, один вход которого соединен с общим контуром циркуляции, а другой - с контуром съема тепла, а выход смесителя соединен с входом в емкость теплоносителя, а также введен насос подачи воды в электролизер из емкости теплоносителя, при этом на трубопроводе, соединяющем выход смесителя с входом емкости теплоносителя, установлен датчик температуры, соединенный с дополнительным циркуляционным насосом, а теплообменник установлен в контуре съема тепла, причем электрохимический генератор и электролизер подсоединены к шинам питания через соответствующие им электронные преобразователи.
Указанный технический результат достигается также и тем, что в способе эксплуатации автономной системы энергопитания, включающем периодическое потребление электроэнергии от внешнего источника, для разложения воды на кислород и водород в электролизере и выделение электроэнергии в результате химической реакции кислорода и водорода в электрохимическом генераторе, при этом в период потребления электроэнергии, получаемой от внешнего источника, для разложения воды на кислород и водород в электролизере используют также и часть электроэнергии от мощности электрохимического генератора, а при выделении электроэнергии в результате химической реакции кислорода и водорода в электрохимическом генераторе часть этой выделяемой электроэнергии используют для разложения воды на кислород и водород в электролизере.
Кроме того, в период потребления электроэнергии, получаемой от внешнего источника, для разложения воды на кислород и водород в электролизере используют также и от 2 до 10% мощности электрохимического генератора, а при выделении электроэнергии в результате химической реакции кислорода и водорода в электрохимическом генераторе часть этой выделяемой энергии от 2 до 10% мощности электролизера используют для разложения воды на кислород и водород.
В предлагаемой АСЭП и способе ее эксплуатации, как ЭХГ, так и электролизер работают непрерывно во всех периодах эксплуатации. Это означает, что в период накопления электроэнергии, в период работы электролизера, разложение воды происходит не только за счет электроэнергии, получаемой от внешнего источника, но и за счет электроэнергии, получаемой в результате химической реакции кислорода и водорода, то есть в результате работы ЭХГ. Это позволяет, за счет тепла, выделяемого при работе ЭХГ, обеспечить температуру ЭХГ в заданном диапазоне в период накопления электроэнергии. В период, когда потребитель получает электроэнергию только от ЭХГ, ЭХГ снабжает электроэнергией не только потребитель, но и ЭЯ. Это позволяет, за счет тепла, выделяемого при работе электролизных ячеек, обеспечить температуру электролизера в заданном диапазоне в период выделения электроэнергии ЭХГ потребителю.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема АСЭП, где обозначено:
1 - внешний источник электроэнергии;
2 - потребитель электроэнергии;
3 - электрохимический генератор (ЭХГ);
4 - электролизер;
5 - водородный баллон;
6 - кислородный баллон;
7 - трубопроводы;
8 - клапан водорода;
9 - клапан кислорода;
10 - общий контур циркуляции теплоносителя;
11 - емкость теплоносителя;
12 - циркуляционный насос;
13 - теплообменник;
14 - смеситель;
15 - датчик температуры;
16 - циркуляционный насос;
17 - датчик верхнего и нижнего предельно допустимого давления водорода;
18 - датчик верхнего и нижнего предельно допустимого давления кислорода;
19 - регулятор расхода теплоносителя;
20 - электронный преобразователь, обеспечивающий прием питания электролизером;
21 - электронный преобразователь, обеспечивающий прием питания потребителем электроэнергии от ЭХГ;
22 - насос подачи воды;
23 - контур съема тепла;
24 - шины питания.
АСЭП включает в себя внешний источник электроэнергии 1, например, солнечную батарею или ветряную энергоустановку, которая питает электрической энергией потребитель 2, а также подает питание через электронный преобразователь 20, обеспечивающий питанием ЭЯ электролизера 4. При отсутствии электропитания от первичного источника питание энергией осуществляется от клемм ЭХГ 3 через электронный преобразователь 21, обеспечивающий прием питания потребителем электроэнергии от ЭХГ. Электропитание потребителя обеспечивается шинами питания 24.
Водородный 5 и кислородный 6 баллоны с датчиками верхнего и нижнего предельно допустимых значений давлений водорода 17 и кислорода 18 соответственно и клапанами 8 и 9 подсоединены трубопроводами 7 к соответствующим газовым полостям ТЭ ЭХГ и ЭЯ электролизера. Общий контур циркуляции теплоносителя 10 с емкостью 11, циркуляционным насосом 12, регулятором расхода теплоносителя 19 для изменения расхода жидкости при смене режимов работы АСЭП подсоединен как к ЭХГ 3, так и к электролизеру 4.
Теплообменник 13, для сброса избыточного тепла в окружающую среду, который входит в контур съема тепла 23, соединен с одним из входов смесителя 14, другой вход смесителя соединен с общим контуром циркуляции теплоносителя 10. Выход смесителя 14 соединен трубопроводом, на котором установлен датчик температуры 15, с емкостью теплоносителя 11. Сигнал от датчика температуры 15 поступает на управление работой циркуляционного насоса 16. Насос подачи воды 22 соединяет емкость 11 с электролизером 4.
АСЭП работает следующим образом.
В период работы внешнего источника электроэнергии 1, например, солнечной батареи, по шинам питания 24 электричество поступает к потребителю электроэнергии 2, а также через электронный преобразователь 20 на клеммы электролизера 4, обеспечивая питанием ЭЯ. Незначительная часть электричества (2-10%) в этот период поступает также с клемм ЭХГ 3. Сигнал о том, что электролизер 4 может начать работу, то есть разлагать воду на водород, который должен заполнять водородный баллон 5, и кислород, который должен заполнять кислородный баллон 6, поступает либо с датчика 17, либо с датчика 18. Это связано с тем, что давление как в баллоне 5, так и в баллоне 6, всегда равны между собой, так как внутренние полости этих баллонов связаны с ЭЯ, перепад давления на которых не допускается. Регулирование перепада на ЭЯ обеспечивается арматурой электролизера. Этот же сигнал либо с датчика 17, либо с датчика 18 поступает на регулятор расхода теплоносителя 19. В результате этого, как только электролизер 4 начнет разлагать воду на кислород и водород, а работа электролизера 4 всегда происходит с выделением тепла, через поверхности электролизера 4, контактирующие с теплоносителем, который прокачивается циркуляционным насосом 12, будет проходить максимальный расход теплоносителя, снимая выделяющееся тепло, а через поверхности ЭХГ 3, контактирующие с теплоносителем, будет проходить минимальный расход теплоносителя, обеспечивая температуру ЭХГ 3 таким образом, чтобы она не упала ниже заданного уровня.
От количества тепла, выделившегося при работе электролизера 4, будет зависеть температура горячего теплоносителя в контуре 10. Горячий теплоноситель смешивается в смесителе 14 с охлажденным теплоносителем, который, прокачиваясь циркуляционным насосом 16, через теплообменник 13, охлаждается до температуры окружающей среды в контуре съема тепла 23. В результате такого смешивания, температура теплоносителя, поступающая из смесителя 14 в емкость 11, всегда будет выше температуры окружающей среды. Температура теплоносителя, поступающая из смесителя 14 в емкость 11, поддерживается в заданном диапазоне температур, например, ~60°С за счет регулирования расхода охлажденного теплоносителя, который прокачивается циркуляционным насосом 16 через теплообменник 13. Регулирование расхода охлажденного теплоносителя обеспечивается изменением расхода циркуляционного насоса 16 по сигналам датчика температуры 15. Насос подачи воды 22 постоянно подает воду из емкости 11 в электролизер 4 с давлением, которое фиксируется в емкостях 5 и 6.
В период, когда напряжение внешнего источника электроэнергии 1, например, солнечной батареи, падает ниже допустимого уровня, электричество в шины питания 24 поступает с клемм ЭХГ 3 через электронный преобразователь 21, обеспечивающий прием питания потребителем электроэнергии. При этом основная часть электричества поступает потребителю электроэнергии 2, а незначительная часть электричества (2-10%) в этот период поступает через электронный преобразователь 20, на клеммы электролизера 4. При размыкании кабельной сети поступает сигнал на регулятор расхода жидкости 19. В результате этого через поверхности ЭХГ 3, контактирующие с теплоносителем, который прокачивается циркуляционным насосом 12, будет проходить максимальный расход теплоносителя, снимая выделяющееся тепло, а через поверхности электролизера 4, контактирующие с теплоносителем, будет проходить минимальный расход теплоносителя, обеспечивая температуру электролизера 3 таким образом, чтобы она не упала ниже заданного уровня.
От количества тепла, выделившегося при работе ЭХГ 3, будет зависеть температура горячего теплоносителя в контуре 10. Горячий теплоноситель смешивается в смесителе 14 с охлажденным теплоносителем, который, прокачиваясь циркуляционным насосом 16, через теплообменник 13, охлаждается до температуры окружающей среды. В результате такого смешивания, температура теплоносителя, поступающая из смесителя 14 в емкость 11, всегда будет выше температуры окружающей среды. Температура теплоносителя, поступающая из смесителя 14 в емкость 11, поддерживается в заданном диапазоне температур, например, ~60°С за счет регулирования расхода охлажденного теплоносителя, который прокачивается циркуляционным насосом 16, через теплообменник 13. Регулирование расхода охлажденного теплоносителя обеспечивается изменением расхода циркуляционного насоса 16 по сигналам датчика температуры 15.
Сущность способа заключается в следующем.
В периоды, когда внешние источники энергии (солнечные батареи или ветряные энергоустановки) выдают электроэнергию как потребителю, так и в электролизер, который получает электроэнергию не только от внешних источников, но и обязательно в пределах от 2 до 10% от мощности ЭХГ. Это позволяет ЭХГ постоянно поддерживать в рабочем состоянии. В результате этого температура ЭХГ будет находиться в заданных допустимых рабочих пределах. В случаях неожиданного выхода из строя внешнего источника электроэнергии ЭХГ мгновенно будет подключен на выдачу необходимой электроэнергии потребителю. Нет необходимости разогревать ЭХГ, выходить на заданный режим и т.д. (В прототипе для этой цели введена аккумуляторная батарея.)
В периоды, когда внешние источники энергии не выдают электроэнергию потребителю, а потребитель получает электроэнергию только от ЭХГ за счет химической реакции кислорода и водорода, часть этой электроэнергии, а именно в диапазоне от 2 до 10% от общей потребляемой мощности электролизера используют для разложения воды на кислород и водород в электролизере. Это позволяет поддерживать в заданном рабочем режиме и исключить необходимость разогревания электролизера и постепенного выхода его на заданный рабочий режим.
Таким образом, предлагаемая автономная система энергопитания и способ ее эксплуатации позволяют:
- значительно снизить энергозатраты и повысить быстродействие АСЭП на переходных режимах;
- значительно увеличить надежность и ресурс АСЭП.