Подпишитесь

Персональный водородный накопитель

Экология потребления.Наука и техника: В этой статье предлагаю познакомиться с концепцией индивидуального водородного накопителя электроэнергии, который, в некоторой перспективе, может заменить классические аккумуляторные батареи.

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

  1. Все представленные схемы и изображения носят исключительно концептуальный характер, при проектировании инженерной модели обязательно надо будет пересмотреть все размеры и конструктивные особенности компонентов устройства;
  2. Я допускаю, что где-то описаны аналоги представленного устройства, даже возможно есть коммерческие образцы, но я ничего подобного не нашел.

Общая концепция (принцип работы)

Персональный водородный накопитель

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.Персональный водородный накопитель

Компрессор

Персональный водородный накопитель

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

Персональный водородный накопитель

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

Персональный водородный накопитель

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

Персональный водородный накопитель

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

Персональный водородный накопитель

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

Персональный водородный накопитель

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)

Персональный водородный накопитель

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.

  1. 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;
  2. 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);
  3. 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.

  1. 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;
  2. 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);
  3. 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);
  4. 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!!! опубликовано econet.ru

Автор:   Kyrylo Kovalenko 
 

Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтактеОдноклассниках

Источник: https://econet.ru/

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
, чтобы видеть ЛУЧШИЕ материалы у себя в ленте!
Комментарии (Всего: 0)

    Добавить комментарий

    Пройдите тест!
    Что-то интересное