Электроэнергетическая система

 

Изобретение относится к электроэнергетическим системам на базе топливных элементов. Технический результат заключается в повышении полезного использования топлива и удельной и суммарной выходной мощности. Система содержит, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, постоянный ток с выхода которого преобразуется в переменный, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции, турбинный узел, регулятор и стабилизатор частоты переменного тока и обеспечивает сложение и согласование выходов переменного электрического тока, производимого блоком топливных элементов и турбинным узлом. Турбинный узел выполнен в виде магнитотеплового устройства с радиально-осевой турбиной с рабочими лопатками, помещенными в магнитное поле внешней магнитной системы. Выделяемый в процессе работы топливных элементов тепловой поток преобразуется в механическую энергию вращения радиально-осевой турбины путем подачи в области расположения внешней магнитной системы на указанные лопатки по мере их выхода из области действия магнитной тяги внешней магнитной системы теплового потока, обеспечивающего нагрев их до температуры перехода их магнитомягкого материала в парамагнитное состояние. Охлаждение указанных лопаток до температуры ниже перехода их магнитомягкого материала в парамагнитное состояние осуществляют воздухом, подаваемым в блок топливных элементов для забора из него кислорода. Часть производимого топливными элементами постоянного электрического тока используется для создания магнитного поля внешней магнитной системы радиально-осевой турбины. 1 ил.

Изобретение относится к электроэнергетическим системам на базе топливных элементов, в частности, основанных на применении комбинации электрохимических преобразователей энергии и магнитотепловых устройств, с целью увеличения количества получаемой электрической энергии, а также повышения удельной и суммарной выходной мощности установки.

Известны электроэнергетические системы, содержащие, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции, турбинный блок и блок контроля и автоматического управления (см. RU 2168806 С2, H 01 M 8/06, 10.06.2001).

Важнейшей особенностью электрохимического способа производства энергии является высокий коэффициент прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию постоянного тока, уже сегодня, в лучших образцах электрохимических преобразователей достигающий от 50 до 70%. При всем этом электрохимические топливные элементы бесшумны, не загрязняют окружающую среду и способны работать в течение длительного времени. Электрохимический метод производства энергии в топливных элементах превосходит по экологической чистоте традиционную топливную энергетику в десятки и сотни раз, а по удельным энергетическим характеристикам обычные химические источники тока в тысячи раз.

В настоящее время наиболее перспективными представляются электрохимические установки, создаваемые на базе топливных элементов, в которых сопутствующее выработке электрической энергии тепло порядка 30-50% используют в целях теплофикации или для запуска паровых турбин, с целью получения дополнительной электроэнергии, таким образом, утилизируя тепловую часть химической энергии топлива.

В этой связи представляется интересным рассмотреть электроэнергетическую систему, представляющую собой комбинацию электрохимического генератора с магнитотепловым устройством, в которой выделяемое топливными элементами тепло используется для получения дополнительного количества электрической энергии, производимой радиально-осевой турбиной, посредством соосно встроенного генератора переменного тока, рабочие лопатки которой изготовлены из магнитомягкого материала, обладающего свойством фазового перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно под воздействием подаваемого на лопатки теплового импульса.

Техническим результатом изобретения является практически полная утилизация теплоты, выделяемой в процессе работы топливных элементов, получение дополнительного количества относительно дешевой электрической энергии, а также повышение удельной и соответственно суммарной мощности электроэнергетической системы.

Технический результат достигается тем, что электроэнергетическая система содержит, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции, турбинный узел, блок контроля и автоматического управления и снабжена преобразователем постоянного тока в переменный, регулятором и стабилизатором частоты переменного тока и согласующим трансформатором, подключенным одной своей первичной обмоткой к выходу преобразователя, а другой - к выходу регулятора и стабилизатора частоты переменного тока, производимого турбинным узлом, выполненным в виде магнитотеплового устройства с радиально-осевой турбиной с рабочими лопатками, изготовленными из магнитомягкого материала, обладающего скачком намагниченности в точке магнитного фазового перехода и соосно агрегатированного с турбиной генератором переменного тока, причем часть производимой топливными элементами энергии постоянного электрического тока используется для создания магнитного поля турбины и генератора магнитотеплового устройства, а часть энергии переменного тока, производимой электроэнергетической системой, используется для работы вспомогательных узлов и исполнительных механизмов, блока контроля и автоматического управления, а также вычислительного комплекса, осуществляющего оптимизацию работы энергетической системы, в соответствии с рабочими параметрами, в зависимости от тока нагрузки.

Турбина с рабочими лопатками, выполненными из магнитомягкого материала, с вышеуказанными магнитными свойствами, будучи помещенной во внешнее магнитное поле, способна высвобождать под воздействием теплового импульса запасенную в этом поле и рабочем теле лопаток магнитную энергию, трансформируемую в процессе их взаимодействия в энергию вращения турбины, с частотой, определяемой скоростью протекания фазовых переходов в материале лопаток, в окрестностях точки перехода Кюри - Тc.

Магнитные фазовые переходы в описываемой ниже электроэнергетической системе осуществляются под воздействием тепла, выделяемого в процессе работы топливных элементов и подаваемого на рабочие лопатки, в области расположения магнитной системы, по мере их выхода из области действия сил магнитной тяги. При этом магнитотепловое устройство содержит генератор переменного тока, непосредственно встроенный в корпус турбины либо соосно агрегатированный с ней.

Этот системный принцип управляемого процесса совместной работы электрохимического генератора и магнитотеплового устройства, выполненного в виде турбины с лопатками, изготовленными из магнитомягкого материала, и встроенного генератора переменного тока может быть реализован в конструкциях произвольного масштаба и различного назначения, от портативных и мобильных до стационарных бытовых и промышленных электроэнергетических установок.

На чертеже приведена принципиальная схема такой электроэнергетической системы, иллюстрирующая принцип ее работы. Система включает блок электрохимических топливных элементов, который вырабатывает постоянный электрический ток и тепло, и магнитотепловое устройство, выполненное в виде радиально-осевой турбины с рабочими лопатками из магнитомягкого материала, с температурозависимыми магнитными свойствами и встроенного генератора переменного тока, способных воспринимать от топливных элементов постоянный электрический ток для создания постоянного магнитного поля и тепловую энергию для осуществления фазовых переходов в рабочем теле лопаток с преобразованием магнитной энергии и тепла во вращательное движение турбины.

Изображенная на чертеже принципиальная блок-схема работы электроэнергетической системы включает: батарею из блоков электрохимических топливных элементов 1, резервуар для хранения топлива 2, исполнительный механизм подачи топлива 3, измерительный комплекс 4, исполнительный механизм 5 забора, например, воздуха из окружающей среды, радиально-осевую турбину 6 со встроенным генератором переменного тока 7, преобразователь постоянного тока в переменный 8, согласующий трансформатор 9, регулятор и стабилизатор частоты 10, сборник-накопитель тепла 11, блок отвода продуктов реакции 12, вычислительный комплекс 13, управляющий комплекс 14 и монитор 15.

Суть работы электроэнергетичесой системы заключается в следующем. Топливо в виде чистого водорода или другого реакционно-активного вещества из специального резервуара 2 посредством исполнительного механизма подачи топлива 3 подается в блок электрохимических топливных элементов 1, в котором происходит прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую. Забор кислорода осуществляется, например, из воздуха, причем воздух предварительно прокачивают через радиально-осевую турбину 6 с целью охлаждения рабочих лопаток турбины и статора генератора, а затем подают в блок топливных элементов.

Электрохимические топливные элементы непрерывно вырабатывают постоянный электрический ток, а именно до тех пор, пока на его электроды продолжают поступать топливо и окислитель, а продукты окислительно-востановительной реакции выводятся наружу.

Протекающий электрохимический процесс одновременно сопровождается выделением достаточно большого количества тепла, от 30 до 50% и более в зависимости от типа используемых топливных элементов.

В рассматриваемой системе это сопутствующее работе электрохимических топливных элементов тепло используется для получения дополнительного количества электрической энергии путем его преобразования сначала в механическую энергию вращения турбины 6 с рабочими лопатками, изготовленными из магнитомягкого материала, претерпевающего магнитный фазовый переход, а затем посредством встроенного генератора 7 в электрическую. С этой целью выделяемое в процессе работы топливных элементов тепло предварительно отводится в сборник-накопитель 11, откуда под соответствующим давлением подается на лопатки турбины 6, нагревая рабочее тело лопаток до температуры его перехода в парамагнитное состояние.

Таким образом, возникает резко выраженный градиент магнитодвижущей силы, действующий со стороны сил магнитной тяги, создаваемой магнитной системой, например постоянными магнитами, в направлении вращения турбины на рабочие лопатки, находящиеся до воздействия тепла в ферромагнитном состоянии, и противоположной силы, направленной на торможение покидающих зону нагрева лопаток, претерпевших под воздействием теплового импульса фазовый переход в парамагнитное состояние.

В результате такого динамического магнитотеплового взаимодействия рабочего тела лопаток с магнитным полем постоянных магнитов или индуцированного постоянным током, полученным от топливных элементов, происходит преобразование тепловой энергии, энергии фазовых переходов и кинетической энергии теплоносителя в механическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую в виде переменного тока на выходе встроенного генератора 7 с индуктором, питаемого от сети постоянного тока, производимого топливными элементами, или с ротором, выполненного на постоянных магнитах.

Электроэнергетическая система функционирует следующим образом: постоянный ток с выхода блока топливных элементов 1 после преобразования в переменный из блока преобразователя 8 подается на первичную обмотку согласующего трансформатора 9, подключенного другой своей первичной обмоткой к выходу регулятора и стабилизатора частоты 10 переменного тока, произведенного генератором 7.

Таким образом, происходит сложение и согласование выходов электрической энергии в виде преобразованного в переменный постоянного электрического тока, идущего от топливных элементов 1, и переменного тока, вырабатываемого генератором 7. При этом часть получаемой электрической энергии используется для поддержания работы вспомогательных узлов и исполнительных механизмов, а также компьютерного комплекса, осуществляющего автоматический контроль и управление за расходом подаваемого топлива, подержанием температурного режима, отвода продуктов реакции и стабилизации работы электроэнергетической системы по частоте и напряжению в зависимости от тока нагрузки.

В предлагаемой электроэнергетической системе с магнитотепловым устройством достигается существенно более эффективное использование сопутствующего работе электрохимической установки тепла по сравнению с традиционно применяемыми паровыми турбинами, работа которых основана на многоступенчатом процессе получения высокотемпературного пара при относительно низких значениях КПД.

Очевидным преимуществом магнитотепловых устройств, выполненных в виде турбины со встроенным генератором, по сравнению с традиционными паровыми турбинами является возможность использования для работы турбины существенно более низкопотециального тепла, что в случае ее применения в комбинации с электрохимическими генераторами имеет принципиальное значение.

Не менее важным представляется то обстоятельство, что применение электрохимических генераторов на базе топливных элементов и магнитотепловых устройств позволяет решить одну из наиболее актуальных проблем, связанную с накоплением энергии. В самом деле, хорошо известно, что крупномасштабное промышленное использование низкопотенциальных природных источников энергии немыслимо без создания эффективных накопителей энергии.

В связи с этим предлагаемая электроэнергетическая система, включающая магнитотепловое устройство в качестве дополнительного источника электрической энергии, представляется перспективной не только для утилизации попутного тепла, производимого топливными элементами, но и для ее эффективного накопления.

Последнее достигается благодаря возможности независимой работы магнитотеплового устройства в составе электроэнергетической системы с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды, например тепловой энергии солнечного излучения, геотермальных вод и др. природных источников тепловой энергии, а также теплых промышленных стоков. Необходимое при этом для работы магнитотеплового устройства магнитное поле устанавливается посредством использования высококоэрцитивных постоянных магнитов.

Формула изобретения

Электроэнергетическая система, содержащая, по меньшей мере, один блок электрохимических топливных элементов, постоянный ток с выхода которого преобразуется в переменный преобразователем постоянного тока в переменный, систему хранения, подвода, отвода и распределения реагентов, каналы отвода продуктов химической реакции, турбинный узел и блок контроля и автоматического управления, отличающаяся тем, что она снабжена регулятором и стабилизатором частоты переменного тока и согласующим трансформатором, подключенным одной первичной обмоткой к выходу указанного преобразователя постоянного тока в переменный, а другой - к выходу регулятора и стабилизатора частоты переменного тока, производимого турбинным узлом, обеспечивающего сложение и согласование выходов переменного электрического тока, производимого блоком топливных элементов и турбинным узлом, выполненным в виде магнитотеплового устройства с радиально-осевой турбиной с рабочими лопатками из магнитомягкого материала, обладающего скачком намагниченности при температуре точки Кюри, помещенных в магнитное поле внешней магнитной системы и встроенного генератора переменного тока, выделяемый в процессе работы топливных элементов тепловой поток преобразуется в механическую энергию вращения радиально-осевой турбины путем подачи в области расположения внешней магнитной системы на указанные лопатки радиально-осевой турбины по мере их выхода из области действия магнитной тяги внешней магнитной системы теплового потока, обеспечивающего нагрев их до температуры перехода их магнитомягкого материала в парамагнитное состояние, а охлаждение указанных лопаток до температуры ниже перехода их магнитомягкого материала в парамагнитное состояние осуществляют воздухом, подаваемым в блок топливных элементов для забора из него кислорода, при этом часть производимого топливными элементами постоянного электрического тока используется для создания магнитного поля внешней магнитной системы радиально-осевой турбины и встроенного генератора переменного тока магнитотеплового устройства, а блок контроля и автоматического управления выполнен в виде компьютерного комплекса, осуществляющего автоматический контроль и управление за расходом подаваемого топлива поддержанием температурного режима, отвода продуктов реакции и стабилизацией работы электроэнергетической системы по частоте и напряжению в зависимости от тока нагрузки.

РИСУНКИ

Рисунок 1