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.