Научная статья на тему 'Автономная мультитопливная гелиоэнергетическая система на базе двигателя внешнего сгорания'

Автономная мультитопливная гелиоэнергетическая система на базе двигателя внешнего сгорания Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

61
16
Поделиться

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Долгопятов Б. Г.,

Текст научной работы на тему «Автономная мультитопливная гелиоэнергетическая система на базе двигателя внешнего сгорания»

х

14. Колесников А. А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов возбуждения синхронных генераторов энергосистем. Известия вузов. Энергетика, 1987, №2.

15. Колесников А. А. Аналитическое конструирование взаимосвязанных регуляторов возбуждения синхронных генератороб и частоты вращения турбогенераторов энергосистем.//Изв. вузов. Энергетика, 1989, №12.

16. Колесников А. А. Аттракторы и теория синтеза координирующего управления. I Всесоюзная конференция «Координирующее управление в технических и природных системах» (тезисы докладов) ч.1. Крым, 1991.

17. Колесников А. А., Пшихопов В. X. Аналитический синтез нелинейных регуляторов позиционного управления манипуляционными роботами. В кн. Синтез алгоритмов сложных систем. Таганрог: ТРТИ, 1989, вып. VII.

18. Колесников А. А. Синергетическая теория управления. Таганрог: ТРТУ, 1994.

19. Kolesnikov A. A. Attractors and Synthesis of Sonlinear Dynamic Systems. Control system synthesis: theory and application, Novosibirsk, 1991.

20. Колесников А. А. Аттракторы и синтез многоуровневых систем управления нелинейными динамическими объектами. I Совещание «Новые направления в теории систем с обратной связью». Москва, 1993.

УДК 681.513.3

Б. Г. Долгопятов

АВТОНОМНАЯ МУЛЬТИТОПЛИВНАЯ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

Энергетическая система предназначена для снабжения электрической и тепловой энергией сельскохозяйственных ферм, удаленных сельских поселков и хуторов, тепличных хозяйств, пастбищ, горных поселков, турбаз, отдаленных метеостанций, геологоразведочных партий, поселков Нефтян-ников, подсобных хозяйств, садовых участков и т.п.

Отечественных аналогов предлагаемой энергосистеме не существует. По имеющимся данным зарубежным аналогом отдаленно может служить солнечная электростанция с двигателем внешнего сгорания, выпускаемая в ФРГ для Саудовской аравии мощностью 50 кВт. Сравнение их характеристик показывает, что при некоторых одинаковых свойствах предлагаемая система обладает существенно большей универсальностью по потребляемым источникам .энергии и типу накопителей производимой энергии (электрической, тепловой и топливной), что обеспечивает активную работу ее энергоблока круглосуточно с минимальным расходом органического топлива. Применение экологически чистого двигателя внешнего сгорания в энергоблоке системы и ее топливная универсальность позволяют наряду с выполнением основных функций в существенной степени утилизировать отходы жизнедеятельности человека и животных, а также некоторые виды отходов производственной деятельности, пополняя собственный запас газообразного топлива. Эти особенности предлагаемой системы лежат в основ'е целесообразности применения ее для создания экологически чистых животноводческих ферм и других сельскохозяйственных объектов с высокой энерговооруженностью.

Ядром мультитопливной системы является энергоблок, представляющий собой механически связанную систему из двигателя внешнего сгорания (ДС) и электрического генератора постоянного или переменного тока, по мощности согласованных с величиной эффективной площади большого зеркала кон-

Секция систем управления

центратора солнечной энергии. Коэффициент полезного действия такого энергоблока равен

т|л = Лд Лг = 0,41,

где г) = 0,43 — к.п.д. двигателя внешнего сгорания; Г|г = 0,95 — к.п.д. электрического генератора средней мощности.

Выбор ДС в качестве приводного двигателя генератора электрической энергии связан с его существенными достоинствами относительно других известных источников механической энергии, таких как: паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, гидротурбины и т.п. К таким достоинствам относятся: экологическая чистота, наибольший к.п.д. по сравнению с другими тепловыми двигателями, топливная универсальность, экономичность, широкая область экономичных скоростных и научных характеристик, бесшумность, высокий моторесурс, необслуживаемость. Экологическая чистота ДС обусловлена тем, что топливо сжигается при низком (атмосферном) давлении и избытке воздуха в камере сгорания. Поэтому содержание ядовитых веществ при работе ДС на органическом топливе в продуктах сгорания сведено к минимуму [1].

Способность же ДС использовать источники тепла, не связанные с горением, в рассматриваемом случае солнечную энергию, делает его абсолютно экологически чистым в данном применении. Не имеет значения, каким образом подводится тепловая энергия к внешней стороне корпуса теплового компрессора ДС: через излучение, нагрев пламенем, нагрев от теплового аккумулятора и т. п.

Вышеперечисленные уникальные качества ДС позволяют создать на его основе экологически чистые мультитопливные системы энергоснабжения животноводческих ферм и других удаленных объектов.

Основным каналом потребляемой системой энергии является гелиоканал. Сфокусированный концентратором поток солнечной энергии передает ее тепловому аккумулятору (емкость, заполненная твердым или жидким веществом, обладающим высокой удельной теплоемкостью), находящемуся в непосредственном контакте с корпусом теплового компрессора ДС. Тепловой аккумулятор* за ключей сверху в прозрачную вакуумную камеру для исключения потерь от теплопроводности среды. ДС преобразует получаемую тепловую энергию в механическую вращательного движения ротора электрогенератора, с выхода которого эта энергия поступает к потребителям. Постоянство напряжения на выходе генератора при изменении скорости вращения его ротора обеспечивается автоматической системой стабилизации напряжения. Для компенсации пиковых кратковременных перегрузок в канале имеется блок электрических аккумуляторов, работающий в буферном режиме. Если при-работающей системе стабилизации и подключенных аккумуляторах выходное напряжение генератора все же становится ниже допустимой нормы, автоматически в работу включается канал газового разогрева теплового аккумулятора, поднимающий мощность ДС до необходимого уровня. ,

Снабжение газового канала энергетической системы топливом производится с помощью анаэробной установки, осуществляющей утилизацию продуктов жизнедеятельности. Получаемый в ней биогаз под давлением нагнетается ‘в емкости, из которых расходуется по мере необходимости. Производительность анаэробной установки должна быть согласована с мощностью всей энергетической системы.

В состав технических средств системы введены емкости для хранения экстремального запаса жидкого и твердого топлива (дизельное топливо, керосин, уголь, брикеты, дрова и т.п.). В случае наступления экстремальной ситуации (сильное похолодание, отказ основных топливных каналов) система может быть переведена на потребление энергии от форсунок жидкого топлива и даже на печное отопление' Газовые горелки и форсунки жидкого топлива вмонтированы в теплоизолирующие стенки топки, которая располагается под тепловым аккумулятором системы и имеет в нижней части колосниковую систему и окно для загрузки твердого топлива. В верхней части топки имеется канал дымохода, через который из топки удаляются, продукты горения.

Таким образом, предлагаемая энергетическая система обеспечивающая электротеплоснабжение автономных потребителей, является экологически чистой в основном режиме работы (солнечная энергия — биогаз), производит утилизацию отходов жизнедеятельности, внутреннего тепла помещений, а • также холодильных установок (существенно для молочных ферм).

Сквозной к.п.д. гелиоканала системы равен г] = 40,2%. Диаметр большого зеркала зависит от потребной мощности энергосистемы. Известно, что на квадратный метр поверхности Земля получает 1 кВт ч энергии [2]. Следовательно, для получения, например, Р = 50 кВт полезной мощности С учетом сквозного к.п.д. гелиоканала мощность принимаемой концентратором энергии должна быть равна 124 кВт. Для получения такой мощности площадь* зеркала, в этом случае, должна составить 124 кв м, а его диаметр—12,6 м.

Следует отметить, что увеличение мощности энергосистемы вызывает не столь резкий рост диаметра зеркала.

Очевидным является факт, что габаритные характеристики энергосистемы определяются размерами оптической системы концентрации солнечной энергии. В последнее время в этом направлении появились совершенно определенные перспективы по снижению размеров солнечных концентраторов за счет применения неизображающей оптики, способной концентрировать непараллельные потоки лучевой энергии [3]. Применение в энергосистеме концентраторов такого типа исключает необходимость в системах наведения их осей на источник излучения, что существенно упрощает алгоритмы управления энергосистемой.

В заключение следует отметить, что рассмотренная автономная система может быть легко модифицирована для произвольного набора источников тепловой энергии, таких, например, как геотермальные воды, попутный газ при нефтедобыче и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев Г. Н. Основы энергетических установок подводных подвижных аппаратов. М: Наука, 1974.

2. Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М: Мир, 1977.

3. Неизображающая оптика.//В мире науки. №5, 1991.