ВОДОРОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой путем, например, электролиза.
Из существующего уровня техники известен центробежный электролизер, содержащий вал, на котором установлена полая емкость, выполненная в виде тела вращения тороидальной формы, служащая инерционным маховиком накопителя энергии, который состоит из кольцеобразных пористых пластин, служащих анодами и катодами. Вал имеет канал для подачи воды и каналы для отвода продуктов электролиза и кинематически связан с приводом вращения, например, с двигателем внутреннего сгорания и генератором электрического тока.
Известное устройство предназначено для электролиза воды, обеспечивающее питание водородным топливом двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.
Известное устройство обеспечивает последовательное преобразование механической энергии привода в электрическую, а затем в химическую энергию полученных из воды водорода и кислорода. Такое преобразование энергии определяет низкий КПД устройства, так как компенсация эндотермического эффекта реакции разложения воды производится за счет использования выработанной энергии. При этом не обеспечивается возможность полезного использования энергии на внешней нагрузке без резкого снижения выхода водорода и кислорода (см. патент РФ №2015395, 1990).
Наиболее близким к настоящей полезной модели является устройство для преобразования энергии путем электролиза, принятое за прототип, содержащее технологические линии подачи воды, электролита и отвода продуктов электролиза, емкость с валом, связанную с приводом вращения, один из которых установлен на валу, а другой является внутренней поверхностью вращаемой емкости, каналы подвода и отвода электролита, и отвода продуктов электролиза, выполненные в валу, а также теплообменник, который установлен внутри емкости, и сепаратор. Электрод, установленный на валу, выполнен из набора колец. Угловая скорость вращения емкости определяется из математической зависимости и обеспечивает необходимую эффективность осуществления электролиза. В известном устройстве также и в описанном выше происходит параллельное преобразование механической и
тепловой энергии в электрическую и химическую энергии. Исполнение устройства горизонтальное (см. патент РФ №2174162, 1998).
Недостатками известного устройства являются его низкая производительность, но более высокая, чем в устройстве по патенту РФ №2015395 и нестабильность работы, обусловленные отсутствием контроля за положением границы раздела раствора электролита и газовой среды во вращающейся емкости, в результате чего активные поверхности колец электродов, установленных на валу, оказываются или в газовой среде или в жидкой среде раствора электролита с низким электрическим потенциалом, что эквивалентно сокращению активной поверхности электрода и затрудняет процесс электролиза. К недостаткам описанного устройства также можно отнести сложное конструктивное выполнение, т.к. подача и отвод теплоносителя для расположенного внутри вращаемой емкости теплообменника через каналы во вращаемом валу технически трудно реализовать, что снижает возможность в объеме разложения воды на составляющие (водород и кислород). Кроме того, токопроводящие поверхности теплообменника препятствуют возникновению разности потенциалов в растворе электролита, что снижает эффективность происходящих процессов разложения воды. Для съема электроэнергии электроды соединены в контур через потребителя электроэнергии с использованием токосъемных контактов. Как источник постоянной электроэнергии, он может быть использован только в том случае, когда скорость вращения электролизера превышает скорость необходимую для осуществления гравитационного электролиза.
Кроме того, известна установка для разложения воды электролизом, содержащая электролизер, аналогичный как в патенте РФ №2174162, включающий корпус, вертикально установленный на соединенном с приводом вращения валу с каналами подвода электролита и отвода продуктов электролиза, канал отвода раствора электролита, короткозамкнутые электроды, один из которых расположен на валу, а другой является внутренней поверхностью корпуса, и теплообменник (см. патент РФ №2224051, 2003).
Конструкция создана таким образом, что устранен главный недостаток: одновременная работа электродов в зоне электролита и газовой среде и одновременно контролируется подача воды и электролита, что увеличивает процесс электролиза (этот недостаток в предложенной конструкции отсутствует за счет секторной структуры электродов).
Для съема электроэнергии электроды соединены в контур через потребителя электроэнергии с использованием токосъемных контактов. Как источник постоянной электроэнергии может быть использован только в том случае, когда скорость вращения электролизера превышает скорость необходимую для осуществления гравитационного электролиза.
Известен способ получения водорода гравитационным методом, включающий следующие этапы: вращение водного раствора электролита в роторе гравитационного электролизера при заданной частоте вращения, создавая тем самым центробежную силу, которая создает искусственное гравитационное поле, обеспечивающее отделение ионов согласно их весу, которые затем перемещаются к соответствующим электродам, и осуществление осаждения протонов на катоде для выделения водорода (см. заявку РСТ №WO 00/49205, 2000). Конструкции, реализующие этот способ не отличаются от конструкций устройств, предложенных в российских патентах.
Недостатками установок по патентам РФ №2174162, №2224051 и заявке РСТ №WO 00/49205 по отношению к установкам, описанным в патенте РФ №2015395, являются: неиспользование пористого электрода, который обладает более активной поверхностью и позволяет получать чистый водород и кислород; неиспользование электрической энергии, которая увеличивает эффективность электролиза для получения исходного продукта.
Общими недостатками данных типов преобразователей энергии являются: использование их для электролиза, как основное назначение, с целью получения заданных выходных продуктов электролиза, водорода и кислорода; побочный эффект - получение электроэнергии; использование контактных токосъемников для передачи электроэнергии потребителю, что уменьшает надежность устройства и может привести к нежелательньм последствиям в результате возникновения искры, при скольжении контакта по поверхности электролизера.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства, которое позволило бы совершать параллельное преобразование механической энергии и тепловой энергии в электрическую и химическую энергии с целью получения электрической энергии для дальнейшего использования как источника энергии или как преобразователя энергии. Технический результат заключается в повышении эффективности электролиза по сравнению с имеющимися аналогами, а также утилизации тепла, связанной с ее выделением в
электродвигателях, в электромеханических преобразователях различного назначения, что значительно увеличивает их коэффициент полезного действия.
В основу полезной модели положена задача - разработать водородный генератор для получения электроэнергии с большей эффективностью по сравнению с имеющимися аналогами.
Поставленная задача решается тем, что водородный генератор для получения электроэнергии содержит станину, электропривод, технологические линии подвода раствора электролита, воды, и отвода продуктов электролиза, насосы, сепараторы, преобразователь переменного напряжения в постоянное, сумматор, фазочастотный преобразователь напряжения, буферные устройства, блок управления электроприводом, статор и полый ротор, установленный на приводном валу с электродами, выполненными в виде двух групп колец: первая группа колец-электродов электрически связаны между собой и жестко закреплены на валу, а электроды противоположной полярности - вторая группа колец - электродов электрически связаны между собой и закреплены в полости статора коаксиально снаружи и с поперечным межэлектродным зазором относительно колец - электродов первой группы, при этом каждое кольцо - электрод выполнено из электрически связанных и соединенных между собой в радиальном направлении секторов из электропроводящего магнитного материала, в теле каждого из которых выполнено множество открытых и сквозных каналов различной объемно пространственной конфигурации поверхности и связанных между собой, в свою очередь, на оппозитных поверхностях оппозитных секторов первой и второй группы колец-электродов выполнены сквозные и открытые каналы в совокупности образующие в каждом кольце - электроде каждой группы поперечный и кольцевой канал для обработки раствора электролита, при этом в статоре оппозитно сектором и равньм их количеству в одном кольце установлены обмотки возбуждения электрически связанные между собой и компенсационные обмотки. Объемно пространственная поверхность сектора является сепаратором продуктов электролиза. Технологические линии отвода продуктов электролиза снабжены водородным топливным элементом, преобразующим водород и кислород - продукты электролиза в электроэнергию, и технологической линией связанной с технологической линией подачи воды. Выходная технологическая линия воды в водородном топливном элементе связана с выходом технологической линии подачи воды для охлаждения электропривода, а выходная технологическая линия воды электропривода связана с линией подачи
воды в генератор. Обмотки возбуждения связаны с преобразователем переменного напряжения в постоянное. Преобразователь и водородный топливный элемент связаны через сумматор с потребителем. Сумматор через буферное устройство связан с блоком управления электроприводом.
Функцию теплообменника в данной конструкции устройства выполняет объемно-пространственная поверхность.
Генератор состоит из тела вращения, внутри которого закреплены электроды, в зону взаимодействия подают исходные продукты, вращают полое тело со скоростью, обеспечивающей процесс электролиза для преобразования механической и тепловой энергии. На каждом электроде, который выполнен в форме сектора из электропроводящего магнитного материала, в теле электрода создают объемно-пространственную структурированную поверхность различной конфигурации, которую формируют из множества открытых и сквозных каналов различной объемно-пространственной конфигурации, которые связаны между собой, осуществляют взаимодействие исходных продуктов с объемно-пространственной поверхностью для увеличения внутренней энергии поступающих продуктов и преобразование их в целевые продукты, а именно: в водород и кислород или водородно-кислородную смесь.
Благодаря тому, что в водородном генераторе преобразование энергии происходит в зоне обработки, в которой электроды имеют развитую объемно-пространственную структурированную поверхность, обеспечивающую образование вихревых потоков исходных продуктов, достигается максимальная эффективность в преобразовании не взаимосвязанных различных видов энергии в единице объема.
Каждое кольцо-электрод первой и второй групп выполнен из четного количества секторов, по меньшей мере равного четырем, и каждый сектор выполнен из магнитного токопроводящего материала. Количество секторов, на которые поделены кольца, определяется скоростью вращения ротора.
На оппозитных поверхностях оппозитных секторов первой и второй групп колец-электродов выполнены канавки, в совокупности образующие в каждом кольце каждой группы поперечный кольцевой канал для обработки исходного продукта, а каждый поперечный кольцевой канал в поперечном сечении имеет круговую форму.
На поверхностях, образующих сквозные осевые каналы, было выполнено множество открытых и сквозных каналов различной объемно-пространственной конфигурации, по меньшей мере часть которых сообщена между собой. Множество
открытых и сквозных каналов, выполненных на поверхностях и сами поверхности каждого сектора каждой группы колец-электродов, образовано стенками множества объемно-радиальных выступов и углублений, сформированных на этих поверхностях, а каждый объемно-радиальный выступ или углубление имеет форму, выбранную из группы: конус, полусфера, эллипсоид, профилированное тело, взятые в отдельности или в комбинации.
Устройство содержит электромагнитную систему, установленную в полости статора в зоне расположения колец-электродов и включающую обмотки возбуждения, количество которых равно количеству секторов, размещенных в одном кольце для съема вырабатываемой электроэнергии. Количество секторов определяется скоростью вращения ротора, которая в свою очередь определяется режимом электролиза.
Полезная модель поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - общий вид водородного генератора для получения электроэнергии (вертикальное исполнение); Фиг 2 - то же в разрезе;
Фиг.3 - статор полый; Фиг 4 - сечение по А-А (на Фиг 3) - статор полый с компенсационными и обмотками возбуждения;
Фиг.5 - Фиг.20 - примеры вариантов покрытия поверхностей канальных групп и внутренних поверхностей колец-электродов.
Сущность полезной модели
Водородный генератор для получения электроэнергии (см. Фиг 2) содержит: 1 - станину; 2 - хомут; 3 - электропривод; 4 - корпус; 5 - вал электропривод 3; 6 -муфту; 7 - патрубок; 8 - статор полый; 9 - ротор; 10 - съемный элемент корпуса 4; 11 - переходную муфту; 12 - канал для передачи водорода потребителю; 13 - опору с подшипниковыми узлами; 14 - корпусные диски ротора 9; 15 - объемно-радиальную поверхность статора; 16 - канал для кислорода; 17 - сквозные каналы корпусных дисков; 18 патрубок; 19 - емкость; 20 - резервуар для воды; 21 - разъем для подсоединения электропитания к электроприводу; 22, 23 - соединительные муфты подачи и отвода воды для охлаждения электродвигателя; 24 - первая группа колец, выполненная из четного количества секторов, по меньшей мере, равного четырем; 25 - вторая группа колец, закрепленных на валу; 26 - вал; 27 - поперечный межэлектродный зазор между кольцами 24 и 25; 28 - компенсационные обмотки (фиг 4); 29 - обмотки возбуждения (Фиг 4); 30 - электроразъем (Фиг 4); 31 - насос; 32 - сепаратор; 33 - насос; 34 - насос; 35 - сепаратор; 36 - водородный топливный
элемент; 37 - преобразователь переменного напряжения в постоянное; 38 -сумматор; 39 - буферное устройство; 40 - блок управления электроприводом; 41 -буферное устройство; 42 - фазочастотный преобразователь; 43 - буферное устройство.
Принцип работы генератора поясним с помощью фиг.2. Генератор работает следующим образом. Электролит из емкости электролита 19 по технологической линии подачи электролита подают в генератор через патрубок 18. Включают электродвигатель 3, который приводит во вращение ротор 9, разгоняя его до начала процесса электролиза. В процессе вращения под действием центробежной силы в роторе 9 создается поле искусственной силы тяжести, под воздействием которого катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Более тяжелые ионы, например анионы, образуют около внутренней поверхности в прианодной части ротора отрицательный пространственный электрический заряд, который индуцирует а аноде, выполненном из токопродящего материала, адекватный заряд из электронов проводимости. Легкие ионы сконцентрируются в области между анодом и катодом (дисковое пространство вала), образуя свой пространственный положительный заряд, при этом, если величина его потенциала окажется достаточной для создания электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов, возникшее равновесие будет нарушено на катоде. Легкие ионы приблизятся к поверхности катода и разредятся (расположатся реже). Тяжелые ионы также отдадут свой заряд аноду, и между электродами потечет ток, так как они выполнены из токопроводящего материала и накоротко замкнуты между собой.
Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции. Восстановленные водород и кислород всплывают к центру ротора и в виде кислородно-водородной смеси через канал отвода продуктов электролиза вакуумным насосом для откачивания продуктов электролиза и линию отвода продуктов электролиза отводят потребителю. Для разделения кислородно-водородной смеси на водород и кислород в установке может быть предусмотрен сепаратор, из которого разделенные газы направляют к потребителям водородного топлива и кислорода.
Вода по технологической линии из резервуара 20 поступает в генератор через патрубок 7. Генератор состоит из станины 1, на котором крепится электродвигатель
и все его основные узлы. В генераторе предусмотрен хомут 2 для центровки вала электродвигателя 5 с ротором 9.
Внутри полого статора (корпус генератора) 8, который закреплен с общим корпусом 4, крепится ротор 9, вал которого соединен с валом электродвигателя 3 с помощью муфты 6. Ротор 9 включает в себя электроды противоположной полярности. Кольца-электроды, представляющие собой первую группу колец-электродов 24, жестко закрепленных в полости статора 8, а кольца-электроды противоположной полярности представляют собой вторую группу колец-электродов 25, электрически связанных между собой и жестко закрепленных на валу 26 и с поперечным межэлектродным зазором 27 относительно колец 24 первой группы. В совокупности кольца-электроды 24 и 25 образуют множество электродных пар, выполненных из электрически связанных между собой и соединенных между собой в радиальном направлении секторов, на поверхностях которых выполнено множество открытых и сквозных каналов, частично соединенных между собой, различной конфигурации. Каждый из секторов выполнен из магнитного токопроводящего материала. Между собой одноименные секторы жестко соединены, например, с помощью клеевого соединения. Каждое кольцо-электрод 24, 25 выполнено из четного количества секторов, по меньшей мере равного четырем, и выбирается в зависимости от скорости вращения ротора. При этом каждая кольцевая полость в поперечном сечении имеет П-образную форму.
На оппозитных поверхностях оппозитных секторов первой и второй группы колец-электродов выполнены сквозные и открытые каналы, в совокупности образующие в каждом кольце каждой группы поперечный и кольцевой канал для обработки исходного продукта, а каждый поперечный и кольцевой канал в поперечном сечении имеет круговую форму.
Генератор имеет переходную муфту 11 и 12 - канал для передачи водорода потребителю.
В генераторе имеется опора 13, в которую входят подшипниковые узлы и корпусные диски 14 ротора, в которых имеются сквозные каналы 17 подачи исходного продукта и вывода продуктов электролиза.
Образовавшиеся пространственные заряды размещены в каналах электродной поверхности. За счет вращения ротора в его каналах происходит образование вихревых потоков и вихревых токов, энергия которых зависит от скорости вращения ротора, размеров канала, их количества и пространственной замкнутости.
Так как легкие ионы приблизятся к поверхности катода и разрядятся, а тяжелые ионы отдадут свой заряд аноду, то между электродами потечет ток, так как они выполнены из токопроводящего материала и соединены между собой. Вследствие этого возникает магнитный поток, который наводит ЭДС в обмотках возбуждения 29 и в компенсационных обмотках 28, которые размещены в статоре 8. Так как ротор 9 изготовлен из отдельных секторов, то в обмотках возбуждения будет протекать импульсный ток, при соединении их с потребителем энергии через разъем 30. За счет компенсационной обмотки можно регулировать (изменять) форму тока в обмотке возбуждения.
Учитывая, что для обеспечения нормальной работы электродвигателей им требуется охлаждение, а для этих целей используют в основном воду, то, соединив систему охлаждения двигателя со входом генератора, автоматически получаем систему компенсации потерь мощности электродвигателя на их нагрев.
Объемно пространственная поверхность сектора является сепаратором продуктов электролиза. Технологические линии отвода продуктов электролиза снабжены водородным топливным элементом, преобразующим водород и кислород - продукты электролиза в электроэнергию, и технологической линией связанной с технологической линией подачи воды. Выход технологической линии воды в водородном топливном элементе связан с выходом технологической линии подачи воды для охлаждения электропривода, а выходная технологическая линия воды электропривода связана с линией подачи воды в генератор. Обмотки возбуждения связаны с преобразователем переменного напряжения в постоянное. Преобразователь и водородный топливный элемент связаны через сумматор с потребителем. Сумматор через буферное устройство связан с блоком управления электроприводом.