Многие из нас (особенно жители частных домов) хотели бы иметь собственный, персональный электрогенератор и быть независимыми от существующих коммунальных структур. Было бы классно поставить у себя во дворе ветряк или сделать крышу своего дома из солнечной батареи и даже не подводить электропроводку. И вроде бы современные технологии могут предоставить достойные устройства электрогенерирования (современные солнечные батареи уже имеют приемлемый КПД и срок эксплуатации, к ветрякам также критичных замечаний нет), но системы накопления и хранения электроэнергии, чаще всего представленные аккумуляторными батареями, имеют ряд существенных недостатков (высокая стоимость, низкая емкость, короткий срок службы, плохие эксплуатационные характеристики при низких температурах и т. д.). И эти недостатки делают всю концепцию индивидуальных, возобновляемых источников электроэнергии, непривлекательной для рядовых граждан.
В этой статье предлагаю познакомиться с концепцией индивидуального водородного накопителя электроэнергии, который, в некоторой перспективе, может заменить классические аккумуляторные батареи.
Примечания
- Все представленные схемы и изображения носят исключительно концептуальный характер, при проектировании инженерной модели обязательно надо будет пересмотреть все размеры и конструктивные особенности компонентов устройства;
- Я допускаю, что где-то описаны аналоги представленного устройства, даже возможно есть коммерческие образцы, но я ничего подобного не нашел.
Общая концепция (принцип работы)
Несмотря на то, что конструкция получилась весьма громоздкой, принцип работы устройства достаточно прост. Поступающий от возобновляемого источника (солнечная батарея, ветряк и т. д.) электрический ток, подается на две электролизные камеры (A), где в результате процесса электролиза начинает накапливаться кислород/водород. Полученный кислород/водород, с помощью компрессора (B) накачивается в газосберегающую камеру (С). Из газосберегающей камеры (С), кислород/водород подается на электрогенерирующие батареи (E), после чего, не принявший участие в реакции кислород/водород, а также полученная в результате реакции вода, поступает обратно в газосберегающую камеру. Полученный в результате химического объединения кислорода и водорода электрический ток поступает на трансформатор, далее на инвертор и блок управления турбиной/дренажным клапаном (H). С инвертора, электрический ток подается потребителю. Накопленная в газосберегающей камере вода, через дренажный механизм (F), поступает в накопительный бак (G) и обратно в электролизные камеры.
Далее, предлагаю более подробно рассмотреть механику работы компонентов системы.
Электролизная камера
Основное назначение — выработка и первичное накопление кислорода/водорода, и его передача в компрессор.
Поступающий на контакт (A) электрический ток, попадает на электрод (С) где и начинается процесс электролиза воды в камере. Газ, постепенно накапливаясь в верхней части камеры и попадая непосредственно к компрессору через отверстие (E), выталкивает воду через отверстие (B), обратно в бак. Таким образом происходит первичное накопление газа, перед его закачкой в газосберегающую камеру компрессором. Весь процесс первичного накопления газа контролируется оптическим (лазерным) датчиком (D), показания которого передаются на контролирующее устройство.
Компрессор
Основное назначение — накачка полученного в результате электролиза газа, в газосберегающую камеру.
Газ (кислород/водород) из электролизной камеры поступает в камеру компрессора через клапан (A). Когда газ в камере компрессора накапливается в достаточном количестве (сигнал об этом поступает с оптического датчика электролизной камеры), активируется электродвигатель (F) и с помощью поршня (С), накопленный газ накачивается в газосберегающую камеру через клапан (B).
Наличие компрессора позволяет создать в газосберегающей камере определенное давление, что позволяет повысить эффективность работы электрогенерирующих ячеек.
Очень важно рассчитать конструкцию компрессора (мощность двигателя, передаточное отношение редуктора, объем камеры компрессора и т. д.) таким образом, чтобы компрессор мог полноценно работать (создавать необходимое давление) от энергии возобновляемого источника питания.
Система управления подачей электроэнергии
Основное назначение — управление процессом генерирования и накопления газа (кислород/водород), полученного в результате электролиза.
В исходном состоянии, устройство подает напряжение источника питания (D), на электроды электролизных камер (B). В результате, в электролизных камерах начинает образовываться и накапливаться газ, а уровень воды постепенно уменьшается. Как только один из оптических датчиков уровня воды (С) покажет, что достигнут нижний предел (т. е. газа в электролизной камере накопилось достаточно), устройство должно отключить подачу напряжения на электролизные камеры (B) и задействовать один из электродвигателей компрессора (A), выполнив один полный цикл работы поршня. В случае, если нижний уровень воды достигнут одновременно в 2-х электролизных камерах, то устройство должно обеспечить последовательную работу компрессоров (иначе, напряжения источника может не хватить для выполнения цикла работы компрессора). После завершения цикла работы компрессора, устройство должно вернуться в исходное состояние и подать напряжение на электроды электролизных камер.
Газосберегающая камера
Основное назначение — накопление, хранение и подача газа (кислород/водород) к электрогенерирующим батареям.
Газосберегающая камера — это баллон с набором отверстий, через которые газ поступает в камеру (С), подается на электрогенерирующие батареи (A) и возвращается от них (B), а также обеспечивается вывод воды из системы (D). Объем газосберегающей камеры прямо пропорционально влияет на способность системы накапливать энергию, и ограничен только физическими размерами самой камеры.
Турбина
Основное назначение — обеспечение циркуляции газа (кислород/водород) в электрогенерирующих батареях.
Газ, из газосберегающей камеры, попадает в камеру устройства из отверстия (B). Далее, с помощью лопастей турбины (С) и центробежной силы, газ нагнетается в выпускное отверстие (A). Работа лопастей турбины (С) обеспечивается с помощью электродвигателя (D), питание на который подается через разъем (E).
Турбина, пожалуй, самый сомнительный модуль из всей концепции. С одной стороны, мои скудные познания в химии говорят, что циркулирующие реагенты гораздо лучше вступают в химические реакции. С другой стороны, я не нашел ни подтверждения, ни опровержения того, что активная циркуляция газа повысит эффективность электрогенерирующих ячеек. В итоге я решил предусмотреть данное устройство в конструкции, но его влияние на КПД работы системы надо проверить.
Электрогенерирующая батарея
Основное назначение — обеспечивает выработку электрического тока из процесса химического объединения кислорода и водорода.
Кислород и водород, попадая в соответствующие камеры через отверстия (A) и (B) вступает в латентную химическую реакцию, при этом на электродах (E) образуется электрический ток, который передается потребителю через контакты (F) и (G). В результате химического объединения кислорода и водорода, в кислородной камере будет образовываться большое количество воды.
Пожалуй, самое любопытное устройство. При подготовке конструкции этого модуля я пользовался публичной информацией предоставленной на сайте компании Honda (в момент написания статьи, ссылок было несколько, в том числе и на документы, но в момент публикации, рабочей осталась только одна).
Основная проблема в том, что Honda предлагает использовать в качестве электродов (E) платиновые [Pt] пластины. Что делает всю конструкцию непомерно дорогой. Но я уверен, что вполне реально найти значительно более дешевый (народный) химический состав для электродов электрогенерирующих ячеек. На крайний случай, всегда можно сжигать водород в двигателе внутреннего сгорания, но при этом значительно упадет КПД всей конструкции, а сложность и стоимость вырастет.
Дренажная система
Основное назначение — обеспечение вывода воды из газосберегающих камер.
Вода, поступая через отверстие (A) в камеру дренажной системы, постепенно в ней накапливается, что фиксируется оптическим датчиком (B). По мере наполнения камеры водой, управляющая система (D) открывает задвижку (С) и вода выходит через отверстие (E).
Важно предусмотреть, что при отсутствии питания, задвижка должна закрываться (например, при возникновении внештатной ситуации). В противном случае, возможна ситуация когда большие объемы водорода и кислорода попадут в отстойник, где может произойти детонация.
Отстойник для воды
Основное назначение — накопление, хранение и дегазация воды.
Вода из дренажной системы через отверстия (B), попадает в камеру где происходит её дегазация путем отстаивания. Высвобожденная смесь кислорода и водорода выходит через вентиляционное отверстие (A). Отстоянная и готовая к электролизу вода, подается в электролизные камеры через отверстие (С).
Стоит отметить, что вода поступающая из дренажной системы будет сильно насыщенна газом (кислород/водород). Обязательно необходимо реализовать механизмы дегазации воды, перед её подачей в электролизные камеры. Иначе это скажется на эффективности и безопасности работы системы.
Управление электрогенерацией (стабилизатор, инвертор)
Основное назначение — подготовка выработанной электроэнергии к подаче потребителю, питание и управление дренажной системой и турбинами.
Поступающее от электрогенерирующих ячеек напряжение (A), подается на трансформатор/стабилизатор, где оно выравнивается до 12-ти вольт. Стабилизированное напряжение подается на инвертор и систему управления внутренними устройствами. В инверторе напряжение из 12-ти вольт постоянного тока преобразуется в 220 вольт переменного тока (50 герц), после чего подается к потребителю (D).
Управляющее устройство обеспечивает питание для дренажной системы (B) и турбин (С). Причем устройство следит за работой турбины и при повышении нагрузки от потребителя, повышает обороты, стимулируя интенсивность выработки энергии электрогенерирующими батареями.
Особенности эксплуатации
Когда с механикой работы устройства стало все более ли менее понятно, предлагаю рассмотреть особенности (ограничения) эксплуатации установки.
- Установка всегда должна находиться в перпендикулярном положении, относительно силы гравитации. Т. к. в механике работы системы широко используется гравитационное притяжение (первичное накопление газа, дренажная система и т. д.). В зависимости от уровня отклонения, от этого условия, установка либо снизит КПД, либо вообще станет неработоспособной;
- С оглядкой на предыдущий пункт (по тем-же причинам) можно сделать вывод, что для нормальной работы установки, она должна быть в состоянии покоя (т. е. должна быть установлена стационарно);
- Устройство должно работать исключительно в открытом пространстве (за пределами помещения, на улице). Т. к. установка постоянно выделяет свободный кислород и водород, в рамках закрытого пространства, это приведет к накоплению и дальнейшей детонации этих газов. Соответственно, в рамках закрытого пространства, эксплуатация устройства является небезопасной.
Недостатки представленной конструкции
Представленная в статье конструкция является 1-й версией моей идеи. Т. е. все имеет тот вид, который я изначально задумал. Соответственно, в процессе реализации концепции, я увидел определенные недоработки/ошибки, но схему переделывать не стал (т. к. это привело бы к бесконечному, итеративному процессу доработок/усовершенствований, и эта статья так и не была бы опубликована). Но пройти мимо того, что мне прям бросилось в глаза я тоже не могу, поэтому я просто кратко опишу те недоработки, которые обязательно необходимо исправить.
- Так как диффузные процессы никто не отменял, в кислородной газосберегающей камере будет появляться и накапливаться водород и соответственно, в водородной камере будут аналогичные процессы. В результате, это приведет к детонации газа в соответствующей газосберегающей камере. Такую ситуацию необходимо предусмотреть и в конструкцию газосберегающих камер необходимо добавить перегородки для гашения взрывной волны. Также, газосберегающие камеры необходимо оснастить клапанами для выпуска газа при избыточном давлении;
- В представленной конструкции нет никакого механизма индикации накопления энергии. Соответственно установка датчика давления в газосберегающей камере позволит реализовать индикацию накопленной энергии (на самом деле газа, но т. к. мы на выходе получаем электроэнергию, то опосредованно получается энергия). Также, при достижении максимального расчетного давления в обеих газосберегающих камерах, процесс газообразования можно остановить (чтобы установка не работала впустую);
- Текущая конструкция водоотстойной камеры недостаточно эффективна. Достаточно много загазованной воды будет попадать прямо в электролизные камеры, что отрицательно скажется на КПД работы установки. В идеальной ситуации, конструкцию необходимо переделать таким образом, чтобы водородный и кислородный кругооборот не пересекались (т. е. сделать два независимых контура). В более простом варианте, конструкцию водоотстойника следует сделать двухкамерной (возможно даже трехкамерной);
- Если устройство и расположение компрессора оставить без изменений, то со временем, в камере компрессора и околоклапанных трубках образуется конденсат, который снизит эффективность работы компрессора (или даже сделает его неработоспособным). Поэтому, как минимум, компрессор следует перевернуть, а в идеале, заменить механический компрессор, например, пъезоэлектрическим.
Заключение
В итоге, если я не допустил принципиальных ошибок (например, в устройстве электрогенерирующей батареи), получится устройство накопления энергии, отличающееся простотой конструкции (и соответственно надежностью) с относительно компактными размерами (в отношении ампер/часы к объему), лишенное каких либо серьезных эксплуатационных ограничений (например, работоспособность при отрицательных температурах окружающей среды). Причем, ограничения описанные в разделе «Особенности эксплуатации», теоретически, можно устранить.
К сожалению, в силу различных обстоятельств, я скорее всего не смогу собрать и протестировать описанное устройство. Но я надеюсь, что кто нибудь, когда нибудь, начнет делать и продавать что-то подобное, а я смогу это купить.
Возможно уже существуют аналоги описанного устройства, но я такой информации не нашел (возможно плохо искал).
В общем, вперед, в светлое, экологически чистое будущее!!!
Автор: Magister-Ice
