CC BY
2
УДК 620.92
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-349-350
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
ЭНЕРГИИ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР
В.А. Челухин, А.В. Васильев, Е.В. Абрамсон
Показано решение проблемы электрической прочность диэлектрика между пластинами конденсаторов силовой части преобразователя энергии перепада температур и повышения эффективности его работы.
Ключевые слова: система управления, перепад температур, энергия, преобразователь энергии, электрическая прочность, площадь, ёмкость, напряжение.
Сегодня, для электроснабжения небольших удалённых посёлков в районах, где нет централизованного электроснабжения, применяются гибридные электротехнические комплексы с использованием возобновляемых источников энергии.
Гибридные автономные электростанции на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электроснабжения удалённых поселков появились сравнительно недавно. Прогресс в области электроники по созданию солнечных панелей и в области электромеханики по созданию надёжных и компактных ветрогенераторов, а также значительное нарастание проблем в экологии традиционных источников энергии, повысил интерес к созданию автономных гибридных энергосистем, работающих на основе возобновляемых источников энергии.
Гибридные системы электроснабжения обычно представляют собой сочетание солнечных фотоэлектрических станций и ветрогенераторов.
Недостатком таких систем является сильная зависимость от погодных условий, что снижает надёжность электроснабжения. Например, ночью солнечные панели не работают, и в то же время может отсутствовать ветер, что полностью прервёт электроснабжение.
Для решения этой проблемы предлагается дополнить гибридные автономные комплексы электроснабжения преобразователем энергии, работающем на основе перепада температур день-ночь. Получение энергии с помощью суточного перепада температур отличатся стабильностью, так перепад температур в течение суток есть всегда и везде [1-2].
При разработке систем управления преобразователя энергии на основе перепада температур день-ночь приходиться сталкиваться с следующими серьёзными проблемами - выходной мощностью преобразователя, значением электрической прочности диэлектрика между пластинами конденсатора накопителя, зависимостью его от значения напряжения зарядки и выбором относительной диэлектрической проницаемости этого диэлектрика. Причём, все эти величины взаимно связаны.
Суть проблемы в том, что при срабатывании преобразователя /3/ напряжение на выходе будет намного больше напряжения зарядки. Это создаёт проблему ограничения мощности и значение диэлектрической проницаемости диэлектрика, которые ограничиваются электрической прочностью диэлектрика между пластинами конденсатора.
Физико-технические основы работы такого преобразователя энергии на основе перепада температур сводятся к следующему /4/. 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, пропорционально рост напряжения и прибавку потенциальной энергии, рис. 1.
1
1
J <ix
< * >
а
Рис. 1. Движение пласпшн конденсатора
При удалении пластины конденсатора 2 от другой 1, совершается работа против сил притяжени (кулонов-
ских сил).
а = - ад = гах.
Поскольку энергия и ёмкость выражается
ж - _ с
2 2С 4
тогда работа будет выражатся следующим уравнением
2 2
А _ д д
А прибавка энергии
2C2 2C1
W =
C2J - C1J = S2S0SJ - SlS0SJ = J^( S2 — S\ ) 2 2 " 2d2 2d1 " 0 2d2 2d/
где W - энергия системы, А - работа, F - сила, с которой совершается работа, е - диэлектрическая проницаемость, ео - диэлектрическая постоянная, S - площадь пластины конденсатора.
Здесь за счёт внешних сил увеличивается потенциальная энергия всей системы. Теоретически ёмкость конденсатора, как уже было показано, выражается следующей формулой
С _ 5,
С _ £г£0 ^ '
где С - ёмкость устройства, Ф; & - диэлектрическая проницаемость материала между пластинами ёмкости; ео - диэлектрическая постоянная, Ф/м; S - площадь пластин ёмкости, м2; (1 - расстояние между ними, м.
Как видно из этой формулы, изменение ёмкость конденсатора возможно только в трёх случаях:
1 - изменение диэлектрической проницаемости материала между пластинами е;
2 - площадь пластин ёмкости S; 3- расстояние между ними d.
В работе [5] рассмотрен вариант первый - за счёт изменения диэлектрической проницаемости материала е между пластинами конденсатора.
В этом случае, при высокой температуре, активный диэлектрический брусок устройства увеличивает свою длину в осевом направлении, и плотно прижимает подвижную пластину к диэлектрику, ёмкость конденсатора будет максимальной рис. 2.
Рис. 2. Случай двухслойного конденсатора, после появления воздушного зазора между диэлектриком
и подвижной пластиной
В этом состоянии конденсатор заряжается до напряжения возбуждения и отключается от источника питания рис. 2.1., и поэтому заряд на нём остаётся постоянным. Для того, чтобы заряд конденсатора был максимальным, диэлектрическая проницаемость материала между пластинами ёмкости е берётся как можно большей, например, второго порядка.
При понижении температуры, брусок уменьшает свои линейные размеры и отодвигает подвижную пластину от неподвижной, создавая возушный зазор между ней и диэлектриком, рис. 2. 2. В этом случае, поскольку заряд на конденсаторе остаётся постоянным, ёмкость устройства упадёт вследствие появления воздушного зазора, а напряжение вырастает до максимума и разряжается на нагрузку. Далее процесс повторяется.
После появления воздушного зазора между диэлектриком и подвижной пластиной имеем случай двухслойного конденсатора, рис. 2, 3.
В этом случае суммарная ёмкость C рассчитываться по формуле последовательно соединённых конденсаторов
C = C1C2
C + C
где С -начальная ёмкость конденсатора с диэлектрической проницаемостью материала между пластинами ёмкости ег, и С - ёмкость конденсатора с воздушным зазором.
Как известно, при таком соединении конечное значение ёмкости конденсатора будет равно минимальной ёмкости, в данном случае это С2 - ёмкость конечная.
Если принять U - напряжение зарядки, U - напряжение на выходе, то зависимость напряжения на выходе U от значения диэлектрической проницаемости ег будет следующей:
и2 = g(Q + C2) = C1U1(C1 + C2) = U1 f Cl+i] = ц {Sr +i) .
C1C2 C1C2 {C2 )
Как видно из этого выражения, напряжение на выходе прямо пропорционально значению диэлектрической проницаемости ег .
Если для примера принять значение диэлектрической проницаемости ег = 1000, а напряжение зарядки 100 В, то на выходе получим 100000 В. При значении электрической прочности воздуха примерно 3 кВ/см, получим расстояние между пластинами конденсатора 33 см, что мало приемлемо.
Далее, для подбора и расчёта условия значения электрической прочности в взаимосвязи с напряжением и диэлектрической проницаемостью, необходимо вначале рассчитать выходное напряжение.
Поскольку
Q = U1C1,
где Ci - ёмкость в начальном состоянии, Vi - напряжение возбуждения. При появлении воздушного зазора между пластинами конденсатора, имеем:
Q = C2U2,
где C2 - ёмкость с зазором, V2 - напряжение выхода. Или
U2 = Q/C2
Так как при Q = const, то
C2 << Ci, то U2 >> Ui
Если С2 уменьшается в п раз, то напряжение выхода будет пи. Получив значение максимального напряжения на выходе, рассчитывается электрическая прочность материала между платинами конденсатора из условий:
пи < ипр,
где ипр - напряжение пробоя диэлектрика, помещённого между пластинами конденсатора.
Это условие задаёт уровень максимального выходного напряжения преобразователя и значения электрической прочности зазора между подвижной пластиной и диэлектриком между пластинами конденсатора. Переводя например, это условие в цифровые значения, то получим:
- при электрической прочности воздуха примерно 3 кВ/см, при зазоре в 1 мм (0,001 м) напряжение выхода и2 не должно быть более 0,3 кВ.
Следовательно условие ограничения применения материала между платинами конденсатора по значению постоянной диэлектрической проницаемости и напряжения возбуждения не должно превышать этого значения. Например, при напряжении возбуждения 100В, значение постоянной диэлектрической проницаемости не должно превышать 3. Либо при напряжении возбуждения 10В, то значение постоянной диэлектрической проницаемости не должно превышать 30, т.е. Условие
пи < ипр
можно записать по другому
8 И1 < Ипр.
Это условие создаёт противоречие - чем выше 8, тем больший заряд накопит ёмкость, тем больше ток, и тем мощнее преобразователь. Также чем больше напряжение возбуждения, тем также будет мощнее преобразователь.
Но согласно выведенному условию, рост одного показателя ограничивает или понижает рост другого, и в конечном итоге так ограничивается мощность преобразователя.
Решением проблемы может стать изменение в формуле для ёмкости не диэлектрической проницаемости 8Г, а площади одной из пластин.
Подобный вариант изменения одной из пластин такого устройства преобразователя реализован в работе
[5], рис. 3.
Рис. 3. Случай конденсатора с переменной ёмкостью за счёт изменения площади одной из пластин (ртути)
Здесь в качестве одной из пластин конденсатора используется ртуть, поскольку ртуть является хорошо проводящим металлом.
Устройство работает следующим образом.
При помещении устройства в пространство с высокой температурой (например, днём), брусок увеличивает свои размеры в осевом направлении, сжимает ртуть и она заполняет весь зазор, плотно контактируя с материалом 4, имеющим высокую относительную диэлектрическую проницаемость. И площедь занятого ртутью пространства будет равна площади другой пластины конденсатора. Одновременно ртуть, достигнув верхней точки зазора, касается контакта 6 и тем самым подключает конденсатор к источнику возбуждения постоянного тока, после чего конденсатор заряжается до напряжения возбуждения.
При минимальной температуре (например ночью) брусок из пластика сжимается, объём зазора увеличивается, ртуть освобождается и стекает вниз, заполняя только малую часть зазора, например 3-5%. И одновременно отключается от источника зарядки.
При этом заряд на конденсаторе остаётся постоянным, но ёмкость в течение процесса уменьшения одной пластины конденсатора падает. Вследствие падения ёмкости конденсатора при его постоянном заряде, напряжение его пропорционально растет, и нагрузка получает напряжение, более высокое, по сравнением с напряжением источника возбуждения за счет энергии перепада температур.
Таким образом, устройство образует емкость, в которой в качестве одной из подвижных пластин служит жидкий металл, например, ртуть.
При такой конструкции диэлектрическая проницаемость 8Г в этом случае не меняется, и остаётся постоянной, изменяется только площадь пластины конденсатора и в этом случае имеем
С-1 — £г£0 С2 — ^г^о
где Б1 - начальная площадь, Б2 - площадь после срабатывания.
351
В этом случае соотношение начальной и конечной площади пластин конденсатора будет уменьшено в число уменьшения площади.
Если принять это уменьшение для примера в три раза, т.е.
S1/S2 = 3.
Тогда общая ёмкость при срабатывании устройства будет изменяться только в 3 раза, пропорционально изменению площади S
С = S-. d 3
Как видно из этого выражения, общая ёмкость уменьшиться всего в три раза, следовательно напряжение на выходе измениться также только в три раза, что вполне будет приемлемо для электрической прочности диэлектрика между пластинами конденсатора.
В то же время диэлектрическая проницаемость ег в этом случае может принимать любые значения, не влияя на выходное напряжение, что в конечном итоге не ограничивает мощность преобразователя.
Список литературы
1. 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.
2. 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.
3. Абрамсон Е.В. Преобразователь энергии перепада температур день-ночь // Евразийский союз учёных, №3(12). 2015. С. 7-9.
4. 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.
5. Преобразователь энергии перепада температур с жидкометаллическим электродом. Патент РФ № 2564994. БИ № 24, 2014.
6. Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур. Патент РФ № 2559290.БИ, № 22, 2015.
7. Зарегистрирована программа для ЭВМ № RU 2023612776.
8. 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 «Науки о природе и технике». С. 18 - 24.
9. 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.
10. 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). С.93-97.
11. Патент РФ № 2557066. Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением. БИ, 2015, № 20.
12. Патент РФ № 2564994. Низко потенциальный преобразователь энергии перепада температур с элега-зом. БИ, № 28, 2014.
13. Патент РФ № 2559290. Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур. БИ, № 22, 2015.
14. Зарегистрированная программа для ЭВМ № RU 2023612776.
15. 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.
16. 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/F arEastCon.2019.8934035.
17. 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.
18. 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, 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, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Абрамсон Елизавета Владимировна старший преподаватель, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ)
DEVELOPMENT OF A HYBRID POWER SUPPLY COMPLEX FOR MICRO SATELLITES WITH A TEMPERATURE
DIFFERENCE ENERGY CONVERTER
V.A. Chelukhin, A.V. Vasiliev, E.V. Abramson
The development of a hybrid complex with an energy converter of the temperature range "sunny side - shaded" during the flight of micro satellites of low orbits is given. The advantages of using a capacitive temperature difference energy converter for power supply of micro satellites of low orbital level are considered.
Key words: control system, temperature difference, energy, energy converter, dielectric strength, area, capacity,
voltage.
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)
УДК 621.316.761.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-353-354
ПОВЫШЕНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И УЛУЧШЕНИЕ
КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ
Б.А. Максютов, И.Г. Цвенгер, И.М. Валеев, В.Г. Макаров
Существует огромное количество участков в энергосистемах, в которых электрооборудование работает с низким коэффициентом мощности. По этой причине возникает вопрос управления компенсацией реактивной мощности в электрических системах снабжения, который является одним из важнейших для исследований. С учетом недостатков существующих схем в программном комплексе 1Тзргсе построена модель системы автоматической компенсации реактивной мощности. Отличительной особенностью модели является реализация способа регулирования включения компенсирующих конденсаторов за счет логических устройств двоичного кода без использования аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.
Ключевые слова: коэффициент мощности, компенсация реактивной мощности, исследование, моделирование, регулирование, автоматическая система.
Необходимость внедрения новых технологий в электроэнергетические системы передачи энергии возникает из-за недостаточной пропускной способности между системами и системообразующими линиями передачи электроэнергии, ограниченной управляемостью электрических сетей, недостаточным количеством устройств для регулирования напряжения и реактивной мощности (РМ), а также неоптимальным распределением энергии по параллельным линиям разного класса напряжения.
Вопросы компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности для определённых типов электрооборудования и распределённых электрических сетей требуют дальнейших исследований.
Основная цель работы заключается в разработке рекомендаций и изучении методов компенсации реактивной мощности, которые позволят поддерживать коэффициент мощности (cosф) на уровне не менее 0,9. Здесь и далее ф - угол сдвига фаз между напряжением и током.
Асинхронные двигатели являются основными потребителями реактивной мощности индуктивного характера на промышленных предприятиях.
Компенсация реактивной мощности (увеличение cosф) относится к важнейшим мероприятиям по уменьшению потерь в распределительных сетях. Как известно, потери активной мощности в линии равны:
V 2 (}2 + р2 АР _ 312у г -л.г
ш л л ц-2 л и2 л'
где 1л - расчетный ток на участке линии; Гл - активное сопротивление линии; & - полная мощность линии; Qл - реактивная мощность линии; и - напряжение на участке линии.
Схема компенсации реактивной мощности и векторная диаграмма, поясняющая принцип компенсации, приведены на рисунке 1.
После установки компенсирующих устройств (КУ) у потребителя, реактивная мощность разгружается, cosф увеличивается, а потери в линии уменьшаются:
Ар _ (бл - Qк ) + Рл\
U 2
где 0к - мощность компенсирующих устройств.
