ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ ПЛАВУЧИХ СРЕДСТВ НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
POWER PLANT BASED ON FUEL ELEMENTS FOR FLOATING FACILITIES OF NAVIGATION EQUIPMENT

Изобретение относится к области водородной энергетики, в интересах возможности ее использования для энергообеспечения светооптических аппаратов плавучих предостерегательных знаков - буев.
Известны буи различных модификаций, использующие для питания светооптической аппаратуры неэлектрические источники, такие как ацетилен, растворенный в ацетоне (20 объемов ацетилена на 1 объем ацетона). До сих пор в ряде случаев гидрографическими службами России используются адетиленовые проблесковые аппараты типа АП-20К и АП-75К.
Существенными недостатками этих установок являются: использование открытого пламени в газовой горелке как источнике света данных буев, взрывоопасность ацетилена, нестабильность характеристик навигационного огня, частая и трудоемкая операция по замене специализированных газовых баллонов с использованием гидрографических судов.
Известны также буи различных модификаций, использующие для питания светооптической аппаратуры химические источники тока.
Существенными недостатками этих источников питания являются: большое количество их типов, высокая стоимость, непродолжительный срок службы, проблема утилизации отработанных элементов питания, частая и трудоемкая операция по замене элементов питания с использованием гидрографических судов.
Целью настоящего изобретения является создание автономной энергетической установки для буев, работа которой основана на использовании достижений водородной энергетики, обеспечивающей экологическую чистоту, надежность, долговечность, экономичность и безопасность эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что энергетическая установка на топливных элементах, предназначенная для плавучих средств навигационного оборудования - буев, в состав которой входит газовая система, содержащая емкость для хранения сжиженного газа, трубопровод, регулятор давления (редуктор) с прерывателем и датчик освещенности, использует вместо ацетилена пропан и снабжена электрохимическим генератором с топливными элементами, преобразующими реагенты в виде пропана и атмосферного воздуха в постоянный электрический ток для питания источника света в виде светодиодного излучателя.
Введенный в состав газовой системы топливный элемент (электрохимическое устройство, подобное гальваническому, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне пропорционально току разряда) позволяет преобразовывать водородосодержащий газ (пропан) в электричество для питания источника света буев.
В мировой практике пропан (наряду с другими углеводородами, такими как природный газ, метанол, керосин и пр.) широко используется как топливо в топливных элементах из-за дешевизны производства.
Использование пропана в качестве топлива для топливных элеменетов обусловлено целым рядом его положительных качеств, отмеченных Международной Ассоциацией Маячных служб (МАМС), а именно:
- широкое распространение (является побочным продуктом нефтепереработки);
- низкая стоимость (в три раза дешевле ацетилена);
- высокая безопасность (в сжиженном виде нечувствителен к ударам);
- низкая взрывоопасность (только 6% возможных вариантов смесей его с воздухом могут быть взрывоопасными - по сравнению с 80% у ацетилена);
- сжижается при давлении 6 атм;
- устойчив к низким температурам (не замерзает до - 40°С);
- не требует для хранения специализированных емкостей.
Герметичные отсеки буя могут быть использованы как емкость для хранения сжиженного пропана. Электрохимический генератор с топливным элементом, блок управления, а также комплект первичных химических источников тока, выполняющий функции аварийного источника питания, размещаются внутри корпуса буя. Источник света (ацетиленовая горелка) заменяется светодиодным излучателем.
Для буев предпочтительней использовать топливный элемент щелочного типа AFC (Alkaline fuel cell), поскольку они наиболее устойчивы к низким температурам во время зимней эксплуатации.
Работа такой системы проста, надежна и долговечна ввиду длительного срока службы светодиодов и топливного элемента, в разы превышающая срок службы химический источник тока. Расход пропана будет значительно меньше, чем в существующих газовых аппаратах, так как используемые в буях светодиоды потребляют малое количество электроэнергии, а расход топлива в топливном элементе пропорционален току разряда.
Предлагаемое устройство значительно сокращает финансовые расходы и упрощает эксплуатацию буев, поскольку обслуживание такого буя сводится только к сезонному пополнению запасов пропана, причем для дозаправки не потребуется подъем буя из воды на палубу гидрографического судна. Требуется лишь через приемный клапан добавить необходимое количество сжиженного пропана, как в бытовых газовых баллонах.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных источников информации не выявлено описание буев с подобной энергетической системой.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартные буи, а также стандартное оборудование и приспособления для модернизации этого вида средства навигационного оборудования.
Пример реализации
На фиг.1 схематично изображен вид и принципиальная блок-схема энергетической установки на топливных элементах стандартного морского буя с расположением внутри его корпуса 12 предлагаемых технических средств и их структурное соединение.
Данная установка имеет в своем составе: светодиодный излучатель 2 с защитным колпаком 1, сопряженный с блоком системы управления 6; герметичный отсек 10, предназначенный для хранения сжиженного пропана, который по трубопроводу 8 через регулятор давления (редуктор) 7 подается на вырабатывающий постоянный ток электрохимический генератор с топливными элементами 3; датчик освещенности 4, подающий сигнал системе управления 6 на включение в работу энергетической установки при наступлении сумерек и выключение установки с рассветом; приемный клапан 5 для дозаправки отсека 10 сжиженным пропаном; резервный источник питания 9, предназначенный для аварийного питания источника света в случае выхода из строя энергетической установки или полного расхода пропана; якорное устройство 11.
Работа энергетической установки на топливных элементах для буя осуществляется следующим образом. С наступлением сумерек датчик освещенности 4 подает электрический сигнал в блок системы управления 6, которая открывает редуктор 7, имеющий в своем составе прерыватель подачи газа. С момента начала подачи в электрохимический генератор 3 пропана по трубопроводу 8 и второго необходимого реагента - атмосферного воздуха, который свободно поступает извне, осуществляется выработка постоянного тока для питания светодиодного излучателя 2. С рассветом датчик освещенности 4 снова срабатывает и система управления останавливает работу электрохимического генератора путем перекрытия подачи газа прерывателем редуктора 7. «Отходами» в процессе работы топливных элементов является вода. Для работы установки в аварийном режиме предусмотрен резервный источник питания 9.
Технико-экономическая эффективность заявленного устройства заключается в существенном повышении экологичности, безопасности, надежности буев по сравнению с газовыми системами или химическими источниками тока, а также в упрощении процесса их эксплуатации. Благодаря предложенным отличительным признакам заявленного изобретения обеспечивается значительное сокращение моторесурса обеспечивающих гидрографических судов, финансовых расходов на их эксплуатацию и приобретение дорогостоящих химических источников питания (десятков тысяч штук ежегодно).