CC BY
2
УДК 620.92
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-422-423
РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР БИДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТИПА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ГИБРИДНОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НЕБОЛЬШОЙ
МОЩНОСТИ
В.А. Челухин, А.В. Васильев, Е.В. Абрамсон, Пьей Зон Аунг
Приведена разработка преобразователя, в составе которого конденсатор имеет между пластинами диэлектрик двух разных типов (бидиэлектрический преобразователь), что позволяет сделать работу преобразователя более эффективной и снизить его габариты. Проведён ориентировочный расчёт мощности примерной конструкции такого электромеханического преобразователя цилиндрического типа. Рассмотрены преимущества использования бидиэлектрического преобразователя энергии перепада температур для электроснабжения устройств сотовой и радиотелефонной связи, для удалённых сельскохозяйственных объектов, кочующих пасек, охотничьих зимовий, автоматических метеостанций, устройств видеонаблюдения и точек экстренного вызова на удалённых дорогах. Такие устройства и не требуют большой мощности. Электропитание таких устройств, как правило, автономное, осуществляется гибридными комплексами, в составе которых имеются ветростанции и солнечные панели, что обуславливает ненадёжность их электропитания в ночное время и при отсутствии ветра.
Ключевые слова: гибридный комплекс, система управления, перепад температур, энергоснабжение, преобразователь энергии, бидиэлектрик, автономный комплекс, конденсатор, ёмкость.
Сегодня, в связи с развитием микроэлектроники, происходит миниатюризация систем управления и мониторинга, 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, для контроля состояния нефте и газопроводов [1-4]. Такие устройства чаще всего не требует большой мощности. Электропитание 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.
Недостатком таких автономных систем электропитания является сильная зависимость от погодных условий, наличия ветра и солнца, что снижает надёжность электроснабжения. Например, ночью отсутствует солнце, и может также отсутствовать ветер. В таких условиях полностью прерывается электроснабжение, что в целом снижает надёжность электро-питания потребителей.
Для решения этой проблемы предлагается дополнить гибридные автономные комплексы электроснабжения бидиэлектрическим преобразователем энергии, работающим на основе перепада температур день-ночь.
Бидиэлектрический преобразователь - это преобразователь, в составе которого основной конденсатор-накопитель имеет между пластинами диэлектрик двух разных типов с разными коэффициентами линейного расширения, что позволяет сделать работу преобразователя более эффективной.
В целом возможность получения энергии с помощью суточного перепада температур между днём и ночью отличатся стабильностью, так перепад температур в течение суток есть всегда и в любой точке земного шара.
Однако, на сегодня такой гибридный автономный комплекс практически не исследован, отсутствует программное обеспечение работы систем его управления и контроля работы преобразователя, особенно влияние на его работу изменения перепада температур в течение месяца и года, поскольку такой перепад температур постоянно меняется от максимально высоких летних температур до минимальных в зимнее время. Математически не проанализирована его работа при неопределённых воздействиях внешних источников. Поэтому разработка и исследование такого гибридного комплекса с бидиэлектрическим преобразователем энергии при работе в разные периоды года, разработка схем и алгоритмов управления его сегодня достаточно актуальна.
Технология получения энергии с помощью бидиэлектрического преобразователя кратко сводиться к следующему [5-6]. Ёмкость конденсатора прямо пропорциональна площади пластин, значению относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, помещённого между пластинами, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Последние два условия можно применить для получения энергии, используя изменения физического состояния твёрдых тел, их расширения или сжатия при перепадах температур.
Схематически разработанное устройство бидиэлектрического преобразователя показано на рис. 1.
Здесь имеется две пластины конденсатора, одна из которых закреплена неподвижно, а вторая подвижная. Движение подвижной пластины осуществляется силой, которая возникает при изменении линейных размеров активного диэлектрического бруска под действием изменения температуры окружающей среды.
Подвижная пластина прижимается к диэлектрику 1 пружиной. Между подвижной и неподвижной пластинами конденсатора помещены два диэлектрических материала, 2,4 и 3 (бидиэлектрик). Диэлектрик 2,4 имеет высокую относительную диэлектрическую проницаемость (ОДП), и выполняет задачу повышения ёмкости конденсатора. Диэлектрик 3 выполняет роль активного диэлектрика, задачей которого является создание воздушного зазора между диэлектриком 1,4 и подвижной пластиной 5 путём отодвигания подвижной пластины. Движение подвижной пластины 5 осуществляется силой, которая возникает при изменении линейных размеров активного диэлектрического бруска 3 под действием изменения температуры окружающей среды.
Основное различие между диэлектриками 2,4 и 3 - разный коэффициент линейного расширения Kl при одинаковой температуре. Причём коэффициент линейного расширения Kl2,4 диэлектрика 2,4 будет меньше коэффициента линейного расширения Kl3 диэлектрика 3, т.е. Kl3 > Kl2,4.
При помещении устройства в пространство с низкой температурой подвижная пластина придвигается к диэлектрику 2,4 и плотно прижимается к нему пружиной. Ёмкость будет максимальной. В этом положении конденсатор заряжается до напряжения возбуждения, и отключается, сохраняя заряд постоянным.
424
При минимальной температуре °С +
При максимальной температуре °С
м г 1Г
т Шг
" У2 А'
Рис. 1. Общая схема преобразователя энергии бидиэлеюпрического пита на основе использования технологии перепада температур: 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
При повышении температуры окружающей среды (рис 1, при максимальной температуре) диэлектрик 3 расширится больше, чем диэлектрик 2 и 4 в осевом направлении и отодвигает подвижную пластину от диэлектрика 2 и 4, создавая воздушный зазор между ней и диэлектриком. В этом случае ёмкость устройства падает вследствие появления воздушного зазора между пластинами, и так как заряд на отключённой ёмкости остаётся постоянным, то напряжение вырастает до максимума и разряжается на нагрузку. Далее процесс повторяется.
Здесь преобразователь перепада температур превращает механическую энергию движения диэлектрика в электрическую под действием механических сил удлинения стержня при увеличении температуры.
Исследование процесса преобразования энергии здесь сводиться 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 снижение его ёмкости и прибавку энергии в виде роста напряжения, рис. 2.
Рис. 2. Движение пластин конденсатора
При удалении обкладки конденсатора 2 от другой 1совершается работа
СЛ = ¥Сх,
за счёт которой увеличивается потенциальная энергия системы:
№ = С
( 2 ^ д
2С
д
1
2 ££( ■ £
-Сх
(1) (2)
боту:
При этом (!А = dW. Приравнивая правые части этих выражений, получаем силу, которая производит ра-
1 д2 (3)
Данные выражения показывают, что такой преобразователь является электромеханическим устройством, выработка энергии в котором получается за счёт движения (удлинения или укорачивания) диэлектрического бруска от перепада температур.
Расчёт такого преобразователя будет следующим. Принципиально после появления воздушного зазора между диэлектриком и подвижной пластиной имеем случай двухслойного конденсатора на рис. 3.
В этом случае всё рассчитываться по формуле последовательно соединённых ёмкостей. Если принять С1 -
как ёмкость начальная и С2 - ёмкость конечная, то общая ёмкость С будет:
С = С1 ■ С2
С + С2
ени
и2 = = С1и1 = и1
Если и - напряжение зарядки, то и - напряжение на выходе будет:
С1 ■ С2
С1 ■ С2
С
С2 +1
= и (£ +1)
иде Q - накопленный заряд в конденсаторе. Мощность на выходе будет:
р = 1\ • и 2 • N
где Р[ - мощность всего устройства, ^ - ток на выходе одного цикла срабатывании, № - напряжении на выходе ёмкости после одного цикла срабатывания устройства, N - число циклов срабатывания. С учётом числа срабатываний в единицу времени N получим для мощности:
р = Ц^^С, = N • {в +1)
с
Рис. 3. Случай двухслойного конденсатора, после появления воздушного зазора между диэлектриком
и подвижной пластиной
Видно, что мощность устройства зависит от напряжения возбуждения и^ значения ёмкости С[, величины изменения ёмкости С[/С2 числа срабатываний N в единицу времени.
В цифровом выражении расчёт мощности примерной конструкции цилиндрического типа такого электромеханического преобразователя показывает следующее. На рис. 4 схематически показано устройство преобразователя и положение при минимальной и максимальной его температуре.
Рис. 4. Схема комплекса модулей и контактная система управления зарядки и разрядки в положении
при минимальной температуре окружающей среды: 1 - Активный диэлектрический стержнь; 2 - Неподвижная дисковая пластина конденсатора; 3 - Подвижная дисковая пластина кондесатора; 4,5 - Контакты зарядки наприжение возбуждения; 6,7 - Контакты напряжения разрядки
Принцип работы здесь такой же, как и описанный ранее. На рис. 5 показано положение системы при максимальной температуре.
t'C = max
V,
Рис. 5. Схема комплекса модулей и контактная система управления зарядки и разрядки в положении при максимальной температуре окружающей среды
Ориентировочный расчёт мощность такого варианта даёт следующее. Здесь каждая пластина конденсатора имеет дисковую форму с отверстием посередине для активного бруска.
Примем следующее обозначение. Пусть радиус большого диска пластин конденсатора будет R=0,55 м, радиус отверстия в середине г = 0,2 м. Тогда полезная площадь S пластины будет равна
51 = пу2 = 3,14 • 0,552 = 0,785 = 0,9; 52 = пу2 = 3,14 • 0,04 = 0,1256 = 0,1;
S = S1 - S2 = 0,9 - 0,1 = 0,8 м2.
Примем напряжение заряда конденсатора Ui= 9 В, U2 - напряжение разряда конденсатора, диэлектрическая проницаемость материала между пластинами ёмкости s = 103, d = 2*10-3 м - расстояние между пластинами. При таких данных, ёмкость одного модуля будет
С =££üS = 103 • 8,85• 10-12 • 0,8 = 3 54 ^ф
d 2 •Ю-3 '
Тогда накопленный заряд будет равен
Q = CU2 = 3,54•Ю-6 • 9 • 103 = 31,86•Ю-3 = 3,2 •Ю-2K,
где U2 - напряжение разряда конденсатора. По заданным условиям, толщина одного модуля принята 2*10-3м.
-3 -3 -3
Пусть толщина 2 -10 + 2 -10 = 4 -10 м одной поддерживающей консоли будет 2*10-3м. Тогда ширина всего пакета будет.
На длине 1м - получим 250 модулей. Тогда общее количество зарядов будет
Q = 3,2 •Ю-2 • 2,5 • 102 = 8K.
Путь перепад температуры будет 12 оС. Тогда количество зарядов будет
Q = 8 • 12 = 96K
Если использовать 8 таких комплектов (около 1 м3), то получим 768 К.
За один час ток будет 768/3600 = 0,21 А. При напряжении 9 В мощность устройства 1,92 Вт.
При реверсивном исполнении модулей мощность удваивается, и будет равна 3,08 Вт.
В заключение можно видеть, что при установке преобразователя в удалённых северных территориях перепад температур будет в 2-3 раза больше, (без учёта ветров), и конечная мощность составит около 6,16 Вт. Такая мощность вполне достаточна для питания удалённых автоматических метеостанций, в частности северных регионов, зарядка сотового или спутникового телефона.
Например, метеостанция автоматическая WXT530. По паспорту источник питания на входе должен обеспечивать подачу 60 мА (при напряжении питания 12 В) или 100 мА (при напряжении питания 6 В).
Кроме того, такой гибридный комплекс может также быть использован для электроснабжения космических объектов, например для поселений на Марсе [7-8].
Список литературы
1. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. М.: Колос, 2003. 532 с.
2. Григораш О.В., Богатырев Н.И., Курзин Н.Н. Системы автономного энергоснабжения. Краснодар, 2001.
333 с.
3. Воронин А.С. Автономное электроснабжение фермерских хозяйств на основе использования энергии ветра (для условий Ростовской области): автореф. дис. канд. техн. Наук. Воронин А. С. Зерноград, 2000. 18 с.
4. Безруких П.П., Арбузов Ю.Д., Борисов Г.А. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб.: Наука, 2002. 314 с.
5. Электротепловой преобразователь низко потенциальной энергии перепада температур. Электротехника. Вестник ТОГУ, 2014, № 4(35). С.93 - 98.
6. Абрамсон Е.В., Пьей Зон Аунг, В.А. Челухин и др. Преобразователь энергии суточного перепада температур для энергоснабжения удалённых сельскохозяйственных объектов // Электротехнологии и электрооборудование АПК. 2022.Том: 69, № 2 (47). С. 54-58.
7. К вопросу электроснабжения поселений на Марсе. Электричество, 2016, № 5. С. 45-52
8. Челухин В.А., Абрамсон Е.В, Кружаев М.С. Оценка эффективности использования перепада температур день - ночь для целей энергетики. Промышленная энергетика, 2018. №6. С. 45-49.
9. Математическое моделирование процесса получения энергии при использовании перепада температур день-ночь на основе нейронных сетей и искусственного интеллекта. «Учёные записки КнАГУ». № I-1 (41), 2020. С. 18 - 24.
10. Теоретическая оценка величины отклонения разности между минимальными максимальными значениями температуры окружающей среды. «Учёные записки КнАГУ». № I-1 (41) 2020 «Науки о природе и технике». С. 81 - 92.
11. Абрамсон Е.В., Пьей Зон Аунг, В.А. Челухин и др. Разработка схем автономного гибридного электротехнического комплекса на основе возобновляемых источников энергии с системой перепада температур для электроснабжения удалённых сельскохозяйственных объектов // Электротехнологии и электрооборудование АПК. 2022.Том: 69, №: 4 (49), декабрь, 2022. С.93-97. (Категория К1).
12. Патент РФ № 2557066. Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением. БИ, 2015, № 20.
13. Патент РФ № 2564994. Низко потенциальный преобразователь энергии перепада температур с элега-зом. БИ, № 28, 2014.
14. Патент РФ № 2559290.Пьезоэлектрический первичный источник энергии пере-пада температур. БИ, № 22, 2015.
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2023612776. Расчёт электрической прочности системы перепада температур / Абрамсон Е.В., Бородин В.С., Шолохов М.К., Пье З.А. Дата публикации: 07.02.2023.
16. 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 Multi-
Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). INSPEC Accession Number: 19229166. Date of Conference: 1-4 Oct. 2019. Page(s): 1 - 2 DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934706.
17. 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. Page(s): 1 - 4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934035.
18. Cheluhin V.A., Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. 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)/ Date of Conference:1-4 Oct. 2019/Date Added to IEEE Xplore:19 December 2019/INSPEC Accession Number: 19229166/Publisher: IEEE/Conference Location: Vladivostok, Russia. DOI: 10.1109/CAC.2017.8244104.
19. 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: 19 December 2019/ Publisher: IEEE Conference Location: Vladivostok, Russia). DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934706.
Челухин Владимир Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Васильев Александр Владимирович, аспирант [email protected]. Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-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, [email protected]. Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ)
DEVELOPMENT OF A DIFFERENTIAL ENERGY CONVERTER BIDIELECTRIC TYPE TEMPERATURES FOR AUTONOMOUS HYBRID ELECTRICAL COMPLEX OF SMALL CAPACITY
V.A. Chelukhin, A.V. Vasiliev, 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),
Vasiliev Alexander Vladimirovich, postgraduate, [email protected]. Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State University (KNAU),
Abramson Elizaveta Vladimirovna, senior lecturer, [email protected]. 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)
