ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
FUEL CELL POWER PLANT

Предложение относится к автономным энергоустановкам на топливных элементах с твердополимерным электролитом мощностью до 10 кВт.
Известно устройство для запуска генератора на топливных элементах транспортного средства (патент США 6815100, МПК H01M 8/00, 04.06.2001), содержащее генератор на топливных элементах, емкостной аккумулятор, преобразователь и управляющий блок. Устройство предназначено для выработки электроэнергии, необходимой для обеспечения работы транспортного средства. Недостатком устройства является необходимость разработки нестандартного преобразователя напряжения под выходное напряжение генератора на топливных элементах.
Известно большое количество промышленных источников бесперебойного питания (СТА - "Современные технологии автоматизации №3, 2005, с.66-72), работающих от аккумуляторных батарей. Содержащиеся в них инверторы рассчитаны на стандартизованные диапазоны входных напряжений. Например, для батареи из четырех последовательно соединенных аккумуляторов диапазон входных напряжений инвертора лежит в пределах от 42 до 60 В. При замене в источнике бесперебойного питания аккумуляторной батареи на генератор на топливных элементах, имеющий более широкий диапазон изменения выходного напряжения (от 40 до 72 В), инвертор отключается, делая невозможным совместное использование генератора на топливных элементах и стандартного инвертора.
За прототип взят электрический блок питания (патент США 6775368, МПК H01M 10/44, 2001), содержащий аккумуляторную батарею, преобразователь, датчики и блок управления. Недостатком устройства является узкий диапазон рабочих напряжений.
Предлагаемая энергоустановка позволяет согласовать диапазон рабочих напряжений (42-60 В) стандартного инвертора с выходным напряжением генератора на топливных элементах (40-72 В), повысить энергоотдачу и универсальность установки при минимальных потерях мощности.
Энергоустановка, схема которой представлена на чертеже, содержит генератор на топливных элементах 1, инвертор 2, датчик выходного напряжения генератора 3, подключенный к входу системы автоматического управления и контроля 4. Энергоустановка снабжена стабилизатором 5, преобразователем DC-DC 6 и тремя коммутационными элементами 7, 8, 9. Входы стабилизатора 5 и преобразователя DC-DC 6 подключены к выходу генератора 1. Выходы стабилизатора 5, генератора 1 и преобразователя DC-DC 6 через элементы 7, 8, 9 соединены с входом инвертора 2. Управляющие входы элементов 7, 8, 9 связаны с выходами системы автоматического управления и контроля 4.
В качестве стабилизатора 5 могут быть использованы параллельно соединенные мощные транзисторы Дарлингтона 10, 11 с выравнивающими резисторами 12, 13, к базе которых подключен параметрический стабилизатор на стабилитроне 14 и резисторе 15.
Преобразователь DC-DC 6 имеет гальванически развязанные вход и выход. Выход преобразователя включен последовательно и согласно с выходом генератора 1, создавая вольтодобавку к напряжению генератора 1.
Коммутационные элементы 7, 8, 9 могут быть реализованы на стандартных контакторах.
Работа энергоустановки происходит следующим образом. На холостом ходу генератор 1 вырабатывает максимальное напряжение. Датчик 3 информирует систему 4 о том, что выходное напряжение генератора 1 превышает верхний предел входного напряжения инвертора 2. Система 4 замыкает элемент 7, подключая к входу инвертора выход стабилизатора 5, ограничивающего (с некоторым запасом) напряжение генератора 1. При этом инвертор 2 включается и вырабатывает однофазное напряжение 220 В промышленной частоты. При подключении и увеличении нагрузки напряжение генератора 1 падает и входит в рабочий диапазон входных напряжений инвертора 2, что фиксируется датчиком напряжения 3. В результате система 4 размыкает элемент 7 и замыкает элемент 8. Инвертор 2 продолжает свою работу. При увеличении нагрузки до величины, близкой к максимальной, напряжение генератора 1 падает до нижнего предела входного напряжения инвертора 2. Под действием сигнала с датчика 3 система 4 размыкает элемент 8 и замыкает элемент 9, подключающий к входу инвертора 2 суммарное напряжение генератора 1 и преобразователя DC-DC 6. Аналогично работает энергоустановка и при уменьшении нагрузки и увеличении напряжения генератора 1. Значения напряжений, при которых происходит замыкание и размыкание элементов 7, 8, 9, выбираются из условия обеспечения устойчивости (отсутствия дребезга) работы энергоустановки. Потери мощности, обусловленные включением в энергоустановку стабилизатора напряжения 5 и преобразователя DC-DC 6, не превышают 2-3%.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет полностью использовать энергетические возможности генератора на топливных элементах при совместной работе с серийно изготавливаемым, относительно недорогим инвертором.