CC BY
3
УДК 620.92
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-381-382
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ СИСТЕМЫ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР ТЕХНОЛОГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В.А. Челухин, А.В. Васильев, Е.В. Абрамсон, Пьей Зон Аунг
Сегодня, в связи с развитием микроэлектроники, происходит миниатюризация систем управления, устройств сотовой и радиотелефонной связи. Такие устройства крайне необходимы для удалённых сельскохозяйственных объектов, например, кочующих пасек, охотничьих зимовий, а также для автоматических метеостанций, устройств видеонаблюдения, точек экстренного вызова на удалённых дорогах. Такие устройства чаще всего не требует большой мощности. Электропитание таких их, как правило, автономное, и осуществляется от возобновляемых источников питания (ВИЭ) гибридными комплексами, в составе которых имеются небольшие ветростанции и солнечные панели. Использование ВИЭ является одной из важнейших задач, вытекающих из Федерального закона «Об энергосбережении» № 261-ФЗ от 23.11.2009, во всех регионах России. Технологии получения энергии на основе использования возобновляемых источников основываются на использовании солнечных панелей и ветроэнергетики. Наиболее уязвимым местом таких энергоустановок является прямая зависимость от внешних климатических условий, наличия солнца и ветра. Для решения указанных проблем предлагается технология получения энергии от возобновляемых источников на основе использования перепада температур, возникающих между днём и ночью. В среднем этот перепад колеблется в пределах от 4 оС до 15 оС и более. Воздействие такого изменения температуры на различные материалы вызывает изменение их физического состояния, в частности линейных размеров, что можно использовать для получения энергии. Основной проблемой такой технологии получения электрической энергии с помощью перепада температур является низкая эффективность процесса преобразования энергии, в силу медленного суточного изменения температуры. В работе рассматривается решение проблемы повышения эффективности работы преобразователя энергии системы перепада температур путём применения модульного принципа системы его управления. Предложено последовательное включение определённого числа ёмкостей силовой части на одну и ту же нагрузку по модульному принципу. Здесь прибавка энергии происходит за счёт перепада суточных температур, изменяющих линейные размеры активного диэлектрика и наращивания числа модулей до необходимого уровня.
Ключевые слова: гибридный комплекс, система управления, перепад температур, преобразователь энергии, конденсатор, ёмкость, модуль, схема.
На сегодняшний день технологии получения энергии на основе использования возобновляемых источников являются перспективным и важным источником энергии, особенно для поселений, не имеющих центрального энергоснабжения. Особенно это касается удалённых поселений на Дальнем востоке. И одной из важнейших задач, которые при этом приходится решать - это энергоснабжение таких поселений. Поэтому в последнее время, в связи с успехами в разработке солнечных панелей и ветро генераторов, в таких случаях для целей электроснабжения применяются комплексные гибридные энергетические системы на основе возобновляемых источников энергии.
Наиболее уязвимым местом такой автономной гибридной энергоустановки является прямая зависимость от внешних климатических условий. При отсутствии ветра и ночью электропитание нагрузки комплекса прекращается и в этом случае необходим дополнительный источник питания - аккумуляторы в случае небольших мощностей, или при большей требуемой мощности, бензо электрический агрегат.
Для решения указанных проблем предлагается технология получения энергии от возобновляемых источников на основе использования перепада температур, возникающих между днём и ночью. В среднем этот перепад колеблется в пределах от 4 оС до 15 оС и более.
Воздействие такого изменения температуры на различные материалы вызывает изменение их физического состояния, в частности линейных размеров, что можно использовать для получения энергии.
Такой преобразователь может быть установлен в любом месте земного шара, и также на других планетах, например, на Луне или Марсе. Преимущества получения энергии от предложенной технологии очевидны - стабильность работы, возможность размещения установки в любом месте и несложность её технической реализации.
Физико-теоретические основы предлагаемой технологии сводятся к следующему. Если зарядить конденсатор и отключить его от источника питания, то заряд на нем остаётся постоянным. Увеличивая расстояние между пластинами конденсатора за счёт внешних сил, получим прибавку энергии в виде роста напряжения за счёт работы этих внешних сил. Общая схема такого ёмкостного преобразователя может быть по конструкции двух типов линейного и бидиэлектрического.
Бидиэлектрический преобразователь - это преобразователь, в составе которого основной конденсатор-накопитель имеет между пластинами диэлектрик двух разных типов с разными коэффициентами линейного расширения.
Общая схема ёмкостного преобразователя линейного типа показана на рисунке 1, а, б.
Общая схема бидиэлектрического ёмкостного преобразователя показана на рисунке 2, а, б.
При высокой температуре, брусок (активный диэлектрик), увеличивает свою длину, плотно прижимает подвижную пластину к диэлектрику, рисунок 1, а, ёмкость при этом будет максимальной и конденсатор заряжается. При понижении температуры, брусок уменьшает свои линейные размеры, отодвигает подвижную пластину, создавая зазор между ней и диэлектриком, рисунок 1, б,. Ёмкость скачком падает, а напряжение вырастает до максимума и разряжается на нагрузку. Далее процесс повторяется.
Преобразователь бидиэлектрического типа работает по такому же принципу. Разница только в конструкции активного диэлектрического стержня. В конденсаторе основное различие между диэлектриками 2,4 и 3 - это разный коэффициент линейного расширения KL. Причём коэффициент линейного расширения KL2,4 диэлектрика 2,4 будет меньше коэффициента линейного расширения KL3 диэлектрика 3, т.е. KL3 > KL2,4.
Здесь также две пластины конденсатора, одна из которых закреплена неподвижно, а вторая подвижная. Между подвижной и неподвижной пластинами конденсатора помещены два диэлектрических материала, 2,4 и 3 (би-диэлектрик). Диэлектрик 2,4 имеет высокую относи-тельную диэлектрическую проницаемость (ОДП), и выполняет задачу повышения ём-кости конденсатора. Диэлектрик 3 выполняет роль активного диэлектрика, задачей которого является создание воздушного зазора между диэлектриком 2,4 и подвижной пластиной 5 путём отодвигания подвижной пластины при увеличении температуры окружающей среды. Движение подвижной пластины 5 осуществляется силой, которая возникает при изменении линейных размеров активного диэлектрического бруска 3 под действием изменения температуры окружающей среды.
Рис. 1. Схема ёмкостного преобразователя линейного типа а - при максимальной температуре; б - при минимальной температуре: 1- диэлектрический брусок (активный диэлектрик), изменяющий свой линейный размер при изменении температуры; 2 - диэлектрик с большим значением диэлектрической
проницаемости (сегнетоэлектрик); С1 - ёмкость, имеющая максимальное значение, при зарядке от напряжения возбуждения, С2 - ёмкость имеющая минимальное значение, при разрядке на нагрузку
Рис. 2. Общая схема бидиэлектрического ёмкостного преобразователя: а - при минимальной температуре; б - при максимальной температуре: 1- неподвижная пластина конденсатора; 2,4 - диэлектрик с большим значением диэлектрической проницаемости (сегнетоэлектрик); 3- диэлектрик, максимально изменяющий свой линейный размер при изменении температуры; 5 - подвижная пластина конденсатора; 6 - пружина
Процесс преобразования энергии здесь такой же, как и в линейном варианте. Разница в том, что при повышении температуры диэлектрик 3 удлиняется больше, чем диэлектрик 2,4 в осевом направлении, и отодвига-ет подвижную пластину от диэлектрика 2,4, создавая зазор между ней и диэлектриком. В этом случае ёмкость устройства упадёт вследствие появления воздушного зазора между пластинами, и поскольку заряд остаётся постоянным, напряжение вырастает до максимума и разряжается на нагрузку. Такое устройство позволяет сократить линейные габариты всего устройства.
Как уже отмечалось, основной проблемой технологии процесса получения электрической энергии с помощью перепада температур является низкая эффективность процесса преобразования энергии, в силу медленного суточного изменения температуры. Для решения этой проблемы предлагается последовательное включение определённого числа ёмкостей на одну и ту же нагрузку по модульному принципу.
Для этого была разработана принципиальная схема, показанная на рисунке 3.
Модуль 1 Модуль 2
Рис. 3. Схема модульного принципа наращивания мощноспш преобразователя
Здесь силовая часть преобразователя состоит из некоторого количества модулей, которые система управления периодически опрашивает и последовательно подключает их по мере готовности к нагрузке.
Рис. 4. Алгоритм схемы модульного принципа наращивания мощности преобразователя
Принцип работы схемы заключается в открытии и закрытии ключей К на основе данных от датчиков каждого модуля.
Система управления периодически производит опрос датчиков одного модуля системы, и если конденсатор модуля не заряжен, то вначале замыкаются ключи КН+ и КН-, идёт зарядка конденсатора. Как только конденсатор с номером i зарядился, ключи КН+ и КН-, размыкаются.
Далее, как указано выше, при изменении температуры брусок меняет свои линейные размеры, отодвигает подвижную пластину, ёмкость скачком падает, а напряжение вырастает до максимума. Система управления через датчики разряда контролирует значение напряжения на конденсаторе.
Как только напряжение на конденсаторе повысится до заданного, то замыкаются ключи K2i+ и K2i-, которые подключают заряженный конденсатор на нагрузку RH. После разряда эти ключи размыкаются, процесс повторяется и опрашивается следующий модуль. При этом нагрузка получает напряжение, более высокое по сравнению с напряжением заряда.
Этот процесс повторяется и со следующим модулем, а затем и следующим и так по всему количеству модулей, имеющихся в системе. Включение данных модулей может быть как последовательным, так и параллельным, в зависимости от требуемой мощности.
Схема допускает также дальнейшее наращивание мощности при увеличении числа модулей.
Здесь прибавка энергии происходит за счёт перепада суточных температур, изменяющих линейные размеры активного диэлектрика.
Алгоритм работы системы управления модульной схемы показан на рисунке 4.
Алгоритм проверяет, как только отработан текущий модуль, система энергопитания подключает следующий модуль, затем следующий и так далее и возвращается к первому, продолжая циклическую работу.
Список литературы
1. Cheluhin V.A., Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. Development of Software for Collecting Region-Wise Values of Day-Night Temperature Drop for a Renewable Energy Source. Published in: 2019 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). INSPEC Accession Number: 19229166. Date of Conference: 1-4 Oct. 2019. P. 1 - 2. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934706.
2. Cheluhin V.A.; Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. Mathematical Modeling of Power Generation from Day-Night Temperature Drop Using Neural Networks and Artificial Intelligence. Published in: 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). Date of Conference: 1-4 Oct. 2019. P. 1 -4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934035.
3. Cheluhin V.A., Piei Zon Aung M.S., Krujaev E.V. Abramson. Development of an algorithm for the operation of the control system of the temperature difference converter during th day. (Published in: 2019 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 2019. Vladivostok. DOI: 10.1109/CAC.2017.8244104.
4. Cheluhin V.A., Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. Development of Software for Collecting Region-Wise Values of Day-Night Temperature Drop for Renewable Energy Source. (Published in: 2019 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon)/ Date of Conference: 1-4 Oct. 2019/ INSPEC Accession Number: 19229166/ Date Added to IEEE Xplore: 2019. Vladivostok. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934706.
5. Cheluhin V.A., Abramson E.V., Krujaev M.S. Environmentally Friendly Method of Producing Electricity from Day-Night Temperature Swings. Published in: 2019 International Science and Technology Conference "EastConf1. 2019. Vladivostok, DOI: 10.1109/EastConf.2019.8725330.
6. Челухин В.А. Электротепловой преобразователь низко потенциальной энергии перепада температур / В. А. Челухин, Е. В. Абрамсон // Электротехника, Вестник ТОГУ, 2014, № 4(35). С.93 - 98.
7. Челухин В.А. К вопросу электроснабжения поселений на Марсе / В. А. Челухин, Е. В. Абрамсон // Электричество, 2016, № 5. С. 45-52.
8. Челухин В.А., Абрамсон Е.В. К вопросу создания общей классификации электрических машин // Электротехнические комплексы и системы управления. Воронеж, №3, 2014. С. 46 - 53.
9. Челухин В.А. Оценка эффективности использования перепада температур день - ночь для целей энергетики / В. А.Челухин, Е. В. Абрамсон, М.С. Кружаев // Промышленная энергетика. 2018. № 6. С .45-49.
10. Абрамсон Е.В., Челухин В. А. и др. Математическое моделирование процесса получения энергии при использовании перепада температур день-ночь на основе нейронных сетей и искусственного интеллекта // Учёные записки КнАГУ. 2020. № 1-1(41). «Науки о природе и технике». С.81 - 92.
11. Абрамсон Е.В., Челухин В. А., Пьей Зон Аунг и др. Математическое моделирование процесса получения энергии при использовании перепада температур день-ночь на основе нейронных сетей и искусственного интеллекта // Учёные записки КнАГУ. 2020. № I-1 (41) «Науки о природе и технике». С. 18 - 24.
12. Челухин В.А., Абрамсон Е.В. и др. Преобразователь энергии суточного перепада температур для энергоснабжения удалённых сельскохозяйственных объектов / Е. В. Абрамсон, Пьей Зон Аунг, В. А. Челухин, А. В. Васильев, М.С. Гринкруг // Электротехнологии и электрооборудование АПК. 2022.Том: 69, № 2 (47), С. 54-58.
13. Челухин В.А., Абрамсон Е.В. и др. Разработка схем автономного гибридного электротехнического комплекса на основе возобновляемых источников энергии с системой перепада температур для электроснабжения удалённых сельскохозяйственных объектов / Е. В. Абрамсон, Пьей Зон Аунг, В. А. Челухин, А. В. Васильев // Электротехнологии и электрооборудование АПК. 2022.Том: 69, №: 4 (49). 2022. С.93-97.
14. Челухин В.А., Васильев А.В. и др. Разработка гибридного электротехнического комплекса электроснабжения микро спутников с преобразователем энергии перепада температур / В. А. Челухин, А. В. Васильев, Е. В. Абрамсон, Пьей Зон Аунг // Известия Тульского государственного университета. 2023. Вып. 9. С.403 - 407.
15. Челухин В.А., Васильев А.В. и др. Разработка преобразователя энергии перепада температур биди-электрического типа автономного гибридного электротехнического комплекса небольшой мощности / Е. В. Абрам-сон, Пьей Зон Аунг, В. А. Челухин, А. В. Васильев // Известия Тульского государственного университета. 2023. Вып. 9. С. 424 - 428.
16. Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением. Патент РФ № 2557066. БИ, 2015, № 20.
17. Низко потенциальный преобразователь энергии перепада температур с элегазом. Патент РФ № 2564994. БИ, № 28, 2014.
18. Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур. Патент РФ № 2559290.БИ, № 22, 2015.
19. Mathematical Modeling of Power Generation from Day-Night Temperature Drop Using Neural Networks and Artificial Intelligence. / V.A Cheluhin; Piei Zon Aung, M.S. Krujaev; E.V. Abramson// 2019 International Multi-Conference
384
on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) Vladivostok, Russia. 1 - 4 October 2019, P.2052. (Scopus, Web of Science) INSPEC Accession Number: 19229331. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934035. Publisher: IEEE.
20. Development of Software for Collecting Region-Wise Values of Day-Night Temperature Drop for Renewable Energy Source / V.A Cheluhin; Piei Zon Aung, M.S. Krujaev; E.V. Abramson// 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) Vladivostok Russia. 1-4 Oct. 2019/ INSPEC Accession Number: 19229166. Vladivostok, 2019. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934706.
21. Graphical Analysis of Day - Night Temperature Difference by Interpolation and Approximation Methods for the Energy Converter of the Environmen / Peiei Zone Aung, V.A. Chelukhin // International Conference on Automatics and Energy (ICAE 2021) Vladivostok, 2021. DOI: 10.1088/1742-6596/2096/1/012021.
22. Development of a Structural Block Diagram of a Day-Night Temperature Difference Energy Converter / Aung P.Z., Chelukhin V.A., Solovev D.B., Kyriakopoulos G.L., Venelin T. (eds) // SMART Automatics and Energy. Smart Innovation, Systems and Technologies, vol 272. Springer, Singapore. P. 121-126. DOI: 10.1007/978-981-16-8759-4_13.
23. Experimental Study of Energy Conversion of Daily Temperature Difference / Pyae Zone Aung, Chelukhin V.A., Vasiliev A.V. // International Conference on Automatics and Energy (ICAE 2021). Vladivostok, Russia. FEFU,2019. DOI: 10.1088/1742-6596/2096/1/012133.
24. Modern Problems of Information Security in Control and Access Control Systems When Using Neural Networks / Pyae Zone Aung, Chelukhin V.A., Tikhonov S.E. // International Conference on Automatics and Energy (ICAE 2021) Vladivostok, 2021. DOI:10.1088/1742-6596/2096/1/012159.
Челухин Владимир Алексеевич, д-р техн. нааук, профессор, Cheluhin-va@mail. ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Васильев Александр Владимирович, аспирант, astrgan@gmail. com, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Ком-сомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Абрамсон Елизавета Владимировна старший преподаватель, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Пьей Зон Аунг, аспирант, pyaythar87@,gmail.com, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ)
DE VELOPMENT OF A DIFFERENTIAL ENERGY CONVERTER BIDIELECTRIC TYPE TEMPERATURES FOR AUTONOMOUS HYBRID ELECTRICAL COMPLEX OF SMALL CAPACITY
V.A. Chelukhin, A.V. Vasilev, E.V. Abramson, Pyey Zon Aung.
The development of a converter is given, in which the capacitor has a dielectric of two different types between the plates (bidielectric converter), which makes it possible to make the operation of the converter more efficient and reduce its dimensions. An approximate calculation of the power of the approximate design of such an electromechanical converter of cylindrical type is carried out. The advantages of using bidielectric temperature difference energy converter for power supply of cellular and radiotelephone communication devices, for remote agricultural facilities, nomadic apiaries, hunting wintering grounds, automatic weather stations, video surveillance devices and emergency call points on remote roads are considered. Such devices do not require much power. The power supply of such devices, as a rule, is autonomous, carried out by hybrid complexes, which include wind farms and solar panels, which causes the unreliability of their power supply at night and in the absence of wind.
Key words: hybrid complex, control system, temperature drop, power supply, energy converter, bidielectric, autonomous complex, capacitor, capacity.
Chelukhin Vladimir Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, Cheluhin-va@mail. ru, Russia, Komso-molsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University (KNAU),
Vasilev Aleksandr Vladimirovich, postgraduate, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State University (KNAU),
Abramson Elizaveta Vladimirovna, senior lecturer, elizaveta2 7@bk. ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State University (KNAU),
Pyey Zon Aung, postgraduate, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University (KNAU)
