多功能家用电站，用于利用氢对其供电的设备以及操作其的方法
【专利摘要】一种多功能家用电站(1)包括反应室(11)，其连接至水和空气的加压混合物的源(15)，连接至能够与所述混合物发生吸热地反应的第一燃料的第一源(12)以及第二燃料的第二源(25)。所述电站还包括加热设备(14)，其能够将第一燃料加热至燃烧温度以便为燃料和混合物之间的反应作好准备；以及用于利用由所述反应所生成的热能以便使得所述电站作为发电机、热量生成器以及用于家用废料处理的设备进行操作的设备(16)。还提供了一种用于利用第二燃料对所述电站供电的设备以及一种操作所述电站(1)的方法。
【专利说明】多功能家用电站，用于利用氢对其供电的设备以及操作其的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多功能家用电站，涉及一种用于利用氢对其供电的设备以及一种操作其的方法。
[0002]更具体地，本发明涉及一种具有发电机、热量生成器以及用于家用废料处理的设备的功能的家用电站。
【背景技术】
[0003]由于对于环境保护问题的敏感度的增加，近年来，已经观察到在涉及用于生成所谓的“清洁”能量的处理和系统的研究中的持续发展，上述处理和系统是不使用化石燃料或者生成污染物质或者对健康有害的物质或者难以处理的物质的其它燃料的处理和系统。
[0004]近年来，已经观察到在涉及用于高效率能量生成的处理和系统的研究中的发展。
[0005]例如，在专利公开W095/23942中公开了一种使用反应室或燃烧室的方法和设备，其使用水和加热的油来生成能量。该现有技术的设备包括燃烧室，其被配置为生成通过连接而被水平转向至常规锅炉之中的火焰。
[0006]该现有技术公开文献的发明人已经意识到，该现有技术的燃烧室具有一些缺陷。
[0007]实际上，被转向以便在水平布置的锅炉中进行作用的燃烧室火焰被布置为对锅炉之外的连接加热比对锅炉内部加热的程度更大，因此导致了在其它情况下能够得以被采用的热能的高度损失。
[0008]另外，燃烧室和锅炉之间的连接对于操作人员而言是可能的危险来源，操作人员可能会在与使用中的炽热连接相接触的情况下被灼伤。
[0009]本发明的目的是提供一种多功能家用电站、一种用于对其供电的设备以及一种对其进行操作的方法，其具有高性能并且能够以低成本在工业上制造。
【发明内容】
[0010]依据本发明的第一方面，该电站包括结构，该结构包括燃烧室，在其中进行至少一种燃料与水的吸热反应以便生成高温热能。
[0011]该燃烧室被配置为直接将例如竖直火焰的热能引向利用设备，诸如燃烧室外部的锅炉和/或燃烧室内部的锅炉。
[0012]提供一个或多个将燃烧室内所生成的热能直接引向其上的锅炉允许获得特别高的效率而没有热量损失。
[0013]燃烧室或反应室连接至水和空气的加压混合物的源，并且至少连接至能够与该混合物进行吸热反应的第一燃料的源。
[0014]该家用电站进一步包括加热设备，其用于将该第一燃料加热至燃烧温度以便为反应作好准备。
[0015]根据本发明的第一实施例，植物或矿物油(优选为被排放的)的第一燃料的源在反应准备阶段期间和反应维持阶段期间均被连接至反应室，从而被排放的油和水-空气混合物之间的反应在这两个阶段中进行。
[0016]根据本发明的另一个实施例，除了第一燃料的源之外或者作为其替代，该电站还包括含氢的第二燃料的源，该源在反应维持阶段期间可连接至反应室。
[0017]依据本发明的另一方面，该电站包括可用作第二燃料的源的氢生成器。该生成器包括一个或多个单元，每个单元均包括:
[0018]-用于水的电解分解的室，该室在内部配备有多个传导材料的元件，它们互相串联连接并且与脉冲电压生成器串联连接；以及
[0019]-加压容器，其在一侧连接至该分解室以便从其接收水、氢和电解分解的其它产物并且用于将加压的水再次引入该室，并且在另一侧连接至该电站的反应室以便向该室馈送将氢和电解分解的其它产物。
[0020]根据本发明的优选实施例，该脉冲电压生成器包括连接至锯齿波电压生成器的dc电压源(诸如电池或蓄电池)。
[0021]依据本发明另外的方面，一种操作电站的方法包括，在能够与混合物进行吸热反应的燃料已经被加热至燃烧温度以便对该燃料和混合物之间的反应作好准备之后，使水和空气的加压混合物与该能够与混合物进行吸热反应的燃料相接触。
[0022]在反应准备阶段，该燃料为植物或矿物油(优选为被排放的)，并且在反应维持阶段，该燃料可以是油或者是氢(更具体地，含氢燃料)或者是油-氢混合物。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]本发明的其他特征将由于以下参考附图通过非限制性示例所给出的对优选实施例的描述而变得明显，其中:
[0024]-图1是根据本发明的电站的原理图；
[0025]-图2a是一种变化形式的原理图；
[0026]-图2b是图2a所示的电站的示意性表示；以及
[0027]-图3是在本发明中可使用的氢生成器的示图。
【具体实施方式】
[0028]参考图1，总体上由附图标记I所表示的根据本发明的多功能家用电站包括反应室或燃烧室11，其在该室的上端配备有排放端11a。在室11中，在水(优选为处于室温的源水)和经预热的燃料之间发生剧烈吸热反应。在该实施例中，该燃料是油(植物油，例如种籽油、橄榄油等，或者矿物油，例如用于发动机的油或液压油)，其优选地是被排放的从而限制其成本。
[0029]室11优选地被成形为圆锥体或者具有方形基座的角锥体的截头锥体，并且在其顶端具有排放端11a。由于所生成的动力能量，这样的结构有助于在多重反射时维持室内的水-燃料反应，从而产生旋转的火球，该火球并不立即通过排放端IIa离开该室并且因此有必要时间来燃烧该吸热反应的可能残余物，由此大幅减少或消除可能残余物并且/或者同时升高该室的操作温度。
[0030]在任意情况下，该室可能是棱柱体的，而并不背离所描述并请求保护的本发明的范围，并且其优选地具有处于15X 15cm至200X200cm的范围内的基座以及处于15cm至200cm的范围内的高度。
[0031]该吸热反应优选地生成火焰，在所有实施例中，该火焰通过排放端Ila竖直地离
开该室。
[0032]燃料被包含在罐体12中，例如具有电操作阀门12a的重力储罐，并且该燃料优选地利用泵13被送至反应室11。
[0033]罐体12还以常规方式与液面检测器22相关联，所述液面检测器22被配置为监视罐体12的填充水平并且在有必要再次向罐体提供燃料时对外部泵(未示出)进行操作。其它液面检测器23有利地与反应室11相关联，并且被配置为作用于泵13从而将室11内的燃料水平保持在最小值和最大值之间以确保最优电站操作。考虑到该反应产生非常高的温度，如以下将更详细公开的，检测器23可以例如包括布置在室11外部的激光设备，或者它们可以是浸入燃料之中的检测器。
[0034]反应室11进一步与两个燃烧炉14、15相关联。第一燃烧炉14(引火燃烧炉)是常规燃烧炉，例如油或气体燃烧炉，并且用对油进行预热到导致其燃烧的温度。第二燃烧炉15(反应维持燃烧炉)旨在用于在油点火之后将加压的水-空气混合物(典型地处于
0.5-1巴量级的压力)送入反应室11之中。在可替换方案中，燃烧炉15可以被压缩空气喷射器所替代，后者以数巴(例如3-4巴)的压力进行操作，并且与用于空气吸取的文丘里管(Venturi)相关联。
[0035]因此提供了两个操作阶段。在第一阶段(准备阶段)，使得油达到燃烧温度，所述燃烧温度将取决于所使用的特定类型的油，并且通常将为大约350°C至450°C的范围之中。在第二阶段(反应维持阶段)，水-空气混合物被引入室11。当该混合物与燃烧的油相接触时，以非常高的温度发生剧烈反应，如发明人依据经验所验证的，这使得水分解以及原子和分子氢、氧和H+和0H—离子的后续形成。
[0036]这种表现的解释可以是在室11内发生了与不同水平的顺序反应以及原子水平的膨胀相结合的机械效应，如发明人依据经验所验证的，该效应以在开放空气中测量大约为15000C -1600°c的温度以及100-120db的噪声而在排放端Ila形成了实际的推力。反应产物的噪声以及外放压力将明显取决于排放端Ila的大小。
[0037]对所发生的是原子水平的反应而不是化学反应的假设的确认由在实验测试期间所得到的UV辐射的发射所给出。
[0038]由于这样的高温，由燃烧所产生并且通过排放口 Ila离开室的气体中，污染物质实际上不存在，或者以可忽略的数量存在。由发明人所进行的测量实际上已经显示，CO2和氮氧化物NOx以百万分之几的数量出现(对于CO2而言为2-3ppm，对于NOx而言为5-10ppm)。
[0039]总体上由附图标记16所表示的用于利用热能的设备被直接连接至燃烧室11的排放口 Ila，所述设备被配置为对该反应所产生的热能加以利用。
[0040]更具体地，设备16可以包括蒸汽产生设备(锅炉)17，随后为常规涡轮18 (这种情况下为蒸汽涡轮)，其被制作为通过锅炉17中所产生的蒸汽进行旋转。涡轮18进而例如连接至一个或多个交流发电机19以便生成供家用使用的电能，例如每个电极为3至5kW/h。
[0041]依据被认为是优选的变化形式的实施例，第二锅炉17a位于反应室11内部。这样的实施例允许对吸热反应所产生的热量加以双重利用。[0042]作为连接至排放口 Ila的设备的替代或者除了其之外，设备16可以包括热交换器20，例如包围反应室11的线圈11，以用于对要在供热电厂中使用的水进行加热，作为供家用使用的卫生热水。
[0043]依据又一实施例，在锅炉中所生成的蒸汽，例如在第一锅炉17中生成并且用来驱动(多个)涡轮18的蒸汽在被凝结成水时以及在被送至收集容器之前，被用于应用在加热电厂(例如具有辐射器的电厂)中，或者用于生产热水，并且随后在进入用于锅炉17的供水容器之前通过热交换器进行冷却。
[0044]此外，优选地，屉件或其它容器21被插入在反应室11和锅炉17之间，所述容器(显然由耐受以上所提到的高温的材料所制成)被布置为容纳家用废料，特别是无法进行差别化收集并因此进行循环的废料。优选地，该屉件被布置为朝向暴露于火焰的壁炉倾斜从而使得暴露于反应所产生的高温的废料进行充分燃烧而不排出诸如二噁英的污染和有毒物质，并且具有可忽略的上述CO2和NOx排放。该电站因此也可以被用作家用的废料-能量电厂。
[0045]图2a和2b示出了本发明的第二实施例，其表示为1A。已经参考图1所公开的元件由相同的附图标记表示。
[0046]在该第二实施例中，来自罐体12的油仍然在反应准备阶段被用作燃料，而油或者油-氢混合物(包含例如70%油和30%氢，或者仅有氢)能够在反应维持阶段被用作燃料。氢例如由至少一个氢生成器25所产生。
[0047]在使用包含油与氢的混合物(例如排放油)的燃料的情况下，发明人已经注意到与仅使用油作为燃料时所获得的产出相比高50 %。
[0048]同时使用两种燃料允许将至少两个电流生成器或交流发电机19布置在锅炉17的输出处，例如通过将配置为利用齿轮对交变发电机进行操作的滑轮连接至涡轮18。
[0049]在使用氢作为维持阶段的燃料的情况下，电控制阀门12a被关闭因此将罐体12与反应室11隔离，泵13不进行操作，并且氢和加压的水-空气混合物被送至室11。
[0050]优选地，如图2a所示，提供至少一对同样的发电机。例如，假设提供两个发电机，其中之一可以是被配置为在另一发电机出现故障的情况下介入的备用发电机。然而，该发电机能够根据适当时序而以交替方式使用，或者同时使用，例如用于满足功率需求的峰值。
[0051]在所有实施例中，能够优选地提供被配置为检测反应室11中的火焰温度数值的设备。这样的设备能够连接至用于在异常操作情况下自动关闭电站的器件。
[0052]优选地，该电站包括控制面板，所述控制面板包括例如用于测量该电站的各个组件中的温度和压力数值的仪器。
[0053]此外，出于安全原因，还可能在该电站中提供止回阀、压力开关和其它安全设备。
[0054]图3中更为详细地示出了生成器25的结构。
[0055]该发电机包括用于去矿物质水的电解分解的室30，其具有用于供应去矿物质水的导管21，所述导管21优选地通过添加碱性金属化合物而导电，上述碱性金属化合物优选为这样的金属的氢氧化物，特别是氢氧化钠或者作为替换的氢氧化钾。该水中还可能包含由以高达50%的百分比(例如10至50% )所添加的浓缩过氧化氢。添加过氧化氢针对室30的给定大小而允许所产生的氢的数量增大。
[0056]一组例如不锈钢和/或钛的传导材料元件32被布置在室30之内。例如盘或碟(“盘”)的元件同轴地安装在一个或多个杆33上(例如，如图中所示的中心杆，或者沿盘32的外围分布的多个杆)并且被例如数毫米厚度(例如，l_2mm厚)的间隔件34分隔开来。盘32具有稍小于室30的尺寸并且与室的侧壁一起定义了用于水的基本上弯曲的路径。
[0057]优选地，该用于水的弯曲路径通过在每个盘32的末端插入例如Teflon的塑料材料的被固定至分解室30的适当密封环或组件32a，并且通过在每个盘32上提供一个或多个通孔52而获得，相邻盘32中的开孔位于在直径上相对的位置。
[0058]盘32互相串联电连接，并且与例如电池或蓄电池41 (通常为具有12V标称电压的汽车电池或者具有24V标称电压的工业车辆电池)的dc电压的生成器串联电连接，并且室30的壁(特别是顶部30a)充当接地。该电压源诸如用于在多个盘中的第一盘32与接地30a之间以及在相邻盘32之间建立相同的电压差，特别是大约2V并且优选地处于2.1至
2.35V范围之内的电压差。利用这样的电压差值，提供至少六个盘32，原因在于低于12V的标称电压无法允许生成器的良好操作。盘的实际数量将取决于电池41所产生的电压。
[0059]器件42被布置在电池41和盘32的集合之间以用于将电池41所产生的dc电压转换为脉冲电压，例如具有与电池的标称电压相对应的最大数值锯齿电压，而其最小数值则优选地可以处于这一标称电压的40 %至50 %的范围之内，优选为大约50 %。
[0060]由于水的分解，这样的脉冲电压导致在盘32的表面上形成小的氢气泡，其大小随着施加到个体盘的电压的增大而增大(并且因此随着水通过沿弯曲路径而在室30内行进而增大)。
[0061]在该弯曲路径对应于最后盘32的末端，由于表面张力而获得小的氢气泡，这样的大小使得它们能够自行从相同盘的表面脱落。以上所提到的相邻盘之间大约2V的电压差是用于形成那些气泡的最优数值。
[0062]水以及电解分解的产物(氢、氧和H+和0H_离子)通过导管35离开室30，并且可能通过辐射器38而被送至加压容器37 (例如为2-3巴)，该辐射器38被配置为对电解分解的产物进行冷却。
[0063]作为替代，特别是在小型电厂的情况下，冷却可以利用dc供电的冷却风扇来执行，例如在个人计算机中所使用的类型。
[0064]更具挥发性的气体产物和离子通过通向反应室11的顶部导管39离开容器37 (图
l、2a、2b)，而去矿物质水则在压力下通过底部出口导管40和泵36被再次引入电解分解室30。
[0065]依据生成器25的构造变化，例如以本发明人署名的专利公开W02007/119141A中所公开的类型的质子加速器位于顶部导管39的出口处，其将来自生成器的氢化合物引向燃烧室11。如发明人依据经验所验证的，所述加速器能够提高生成器25的产量。
[0066]在有利实施例中，气体在被引入反应室11之前被加热(例如，通过使用以上所提到的线圈20)，由此形成压力和体积的增大以及相同气体的更强吸力。在这种情况下，导管39将必须与止回阀(未示出)相关联，以便防止由于加热而经历压力和体积增大的氢以及其它电解分解产物返回至容器37中。
[0067]将电解分解产物送至反应室11中促成了高温反应。
[0068]考虑到生成器25的描述，所要指出的是，当使用氢作为已经在电站的描述中所提到的燃料时，术语“氢”更为一般地是表示水的电解分解的整个产物。[0069]所要意识到的是，由于使用了碱性金属化合物，所以生成器25的组件并不包含将会被所述化合物腐蚀的铝。
[0070]本发明所具备的优势由于之前的描述而清楚地明显。
[0071]基本反应物是廉价的(基本上是水、碱性化合物和经排放的油)并且因此整个处理和电站将能够以经济的方式实施/制造和管理。
[0072]所获得的非常高的温度允许获得高性能。此外，如所述的，在所指示的温度，反应气体包含数量可以忽略不计的污染物质。
[0073]至少在反应准备阶段使用经排放的油作为燃料也有助于对这样的油进行处理。
[0074]此外，使用该电站作为废料-能量电厂的可能性有助于消除无法回收的废料。
[0075]此外，不可否认的是，由于使用非常少量的经排放的液态燃料(诸如经排放的油)和/或从去矿物质水的分解所获得的气体(其进而为廉价资源)，如所描述的家用电站的管理成本极低。
[0076]此外，有利的是，该电站被配置为允许例如热生产、发电和废料处理。
[0077]总而言之，提供了一种能够安装在每栋房子中作为单户发电厂或作为中央发电厂(例如小区发电厂)，以便以非常低的成本提供多种服务。
[0078]通过概述，本发明的电站实际上是完全自治并独立的设备而并非仅是更为复杂的系统的组件。
[0079]所要清楚的是，以上描述仅是通过非限制性示例所给出并且变化和修改是可能的，而并不背离如以下权利要求书所限定的本发明的范围。
【权利要求】
1.一种多功能家用电站，其特征在于，包括: -反应室(11)，连接至水和空气的加压混合物的源(15)，至少连接至能够与所述混合物进行吸热反应的第一燃料的第一源(12)以及连接至第二燃料的至少一个第二源(25)； -加热设备(14)，能够将所述第一燃料加热至燃烧温度以便为所述燃料反应准备好所述混合物；以及 -设备(16)，用于利用由所述反应所产生的热能，以便构建完全自治且独立的装备。
2.根据权利要求1的电站，其中所述第一燃料的所述第一源(12)被布置为向所述反应室提供油，优选为经排放的油，并且至少在反应准备阶段期间连接至所述反应室(11)。
3.根据权利要求1或2所述的电站，其中在反应维持阶段期间除了所述第一燃料之外或者作为所述第一燃料的替代来使用所述第二燃料，所述第二燃料包括氢。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电站，其中用于利用所述热能的所述设备(16)包括从以下所选择的一个或多个设备: -锅炉(17)，所述锅炉(17)连接至所述反应室(11)的排放口(Ila)； -涡轮(18)，所述涡轮(18)由所述锅炉(17)所生成的蒸汽操作并且被布置为操作一个或多个发电机(19)； -热交换器(20)，所述热交换器(20)用于产生热水和/或用于在使用氢时对氢进行加执.-容器(21)，所述容器(21)用于当暴露于由所述反应所生成的所述热能时进行家用废料燃烧，所述容器位于所述反应室(11)和所述锅炉(17)之间。
5.根据权利要求4所述的电站，其中用于利用所述热能的所述设备(16)还包括位于所述反应室(11)内部的锅炉(17a)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电站，其中所述反应室(11)被配置为将所述热能直接引向所述利用设备。
7.根据权利要求6所述的电站，其中所述热能以火焰的形式竖直地离开所述反应室。
8.—种氢生成器，所述氢在多功能家用电站(IA)中用作燃料，所述多功能家用电站是利用氢与水和空气混合物的吸热反应以便生成高温的热量的类型，所述电站包括: -反应准备装置，所述反应准备装置被布置为将优选经排放的植物或矿物油加热至燃烧温度；以及 -反应维持装置，所述反应维持装置被馈送以基于氢的燃料； 所述氢生成器的特征在于包括至少一个氢生成单元(25)，所述氢生成单元(25)进而包括: -用于去矿物质水的所述电解分解的室(30)，所述室在内部配备有导电材料的多个元件(32)，它们互相串联电连接并且与脉冲电压生成器(41 ；42)串联电连接；以及 -加压容器(37)，所述加压容器(37)在一侧连接至所述电解分解室(30)以用于从所述电解分解室(30)接收水、氢和所述电解分解的其它产物，并且用于将所述加压的水再次引入所述室，并且在另一侧连接至所述电站(IA)的反应室(11)以便向所述室馈送氢和所述电解分解的其它产物。
9.根据权利要求8所述的生成器，其中所述脉冲电压生成器(41；42)包括连接至锯齿电压生成器(42)的直流电压源(41)，所述锯齿电压具有对应于所述直流电压的标称值的最大值以及对应于所述标称值的一部分的最小值，所述脉冲电压生成器(41 ；42)能够在导电材料的所述多个元件(32)中的第一元件与接地(30a)之间以及在导电材料的相邻元件(32)之间建立相同的电压差。
10.根据权利要求8或9所述的生成器，其中所述加压容器(37)的将所述容器连接至所述反应室(11)的出口导管(39)配备有用于在氢和所述电解分解的其它产物被引入所述反应室(11)之前对氢和所述电解分解的其它产物进行加热的装置，并且配备有用于防止由于所述加热而经历了压力增加的氢和所述电解分解的其它产物返回至所述容器的装置。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的生成器，其中所述多个导电材料的元件(32)由盘或碟制成，所述盘或碟具有稍小于所述电解分解室(30)的大小。
12.根据权利要求11所述的生成器，其中每个盘或碟(32)被配置为定义用于所述电解分解室(30)内部的所述去矿物质水的弯曲路径。
13.一种对多功能家用电站进行操作的方法，其特征在于，在能够与水和空气的加压混合物进行吸热反应的第一燃料已经被加热至燃烧温度以便对所述混合物和所述燃料之间的反应作好准备之后，使得所述混合物在反应室(11)内部与所述第一燃料相接触，并且通过将第二燃料引入所述反应室(11)来维持所述 反应以便获得热能生成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中: -用于所述反应准备阶段的所述第一燃料是优选为经排放的植物油或矿物油；以及 -用于所述反应维持阶段的所述第二燃料是从去矿物质水的所述分解所获得的氢或气体； 并且其中:-所述热能生成的阶段在被配置为利用所述反应所生成的所述热能的利用设备中被使用。
15.根据权利要求14所述的方法，其中由所述反应所生成的所述热能被用于: -生成电力；和/或 -应用于加热装置之中；和/或 -生成用于生产供家用使用的卫生热水的热水；和/或 -对从去矿物质水的所述分解所获得的氢或所述气体进行预热；和/或 -燃烧家用废料。
【文档编号】F23L7/00GK103930720SQ201280055996
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年9月17日 优先权日:2011年9月15日
【发明者】奎多·U·帕里希 申请人:奎多·U·帕里希