Содержание к диссертации
Введение
1. Современная гелиоэнергетика и перспективы её развития в будущем. 12
1.1. Перспективы развития гелиоэнергетики 12
1.2. Обзор современных гелиоустановок 23
1.3. Полупроводниковые преобразователи солнечной энергии в электрическую 29
1.4. Системы координат характеризующие видимое движение Солнца 32
1.5. Конструкция механической части следящих электроприводов гелиоустановок 39
1.6. Типы следящих электроприводов гелиоустановок 45
Выводы 46
2. Расчет основных систем гелиоустановки 49
2.1. Основные характеристики гелиоустановки автономного электропитания индивидуального жилого здания 49
2.2. Расчет концентратора 51
2.3. Законы движения исполнительных валов механизма слежения. 70
2.4. Методика определения экономии электроэнергии в электроприводе при переходе от непрерывного режима слежения к пошаговому 71
2.5. Расчет системы охлаждения фотоэлементов 76
Выводы 79
3. Определение экономической эффективности системы электропривода энергетической гелиоустановки в зависимости от шага слежения за Солнцем 81
3.1. Определение экономической эффективности электропривода энергетической гелиоустановки с концентратором и экваториальной системой наведения от шага слежения за Солнцем 81
3.2. Определение экономической эффективности электропривода энергетической гелиоустановки с концентратором и двухкоординатнои системой наведения в зависимости от шага слежения за Солнцем 87
3.3. Программа расчёта оптимального шага слежения за Солнцем электроприводом энергетической гелиоустановки с концентрацией потока лучистой энергии 92
Выводы 94
4. Математическое и экспериментальное моделирование модернизированного электропривода гелиоустановки 95
4.1. Структура гелиоустановки 95
4.2. Математическая модель модернизированного электропривода гелиоустановки 96
4.3. Блок управления гелиоустановкой с модернизированным электроприводом 112
4.4. Создание экспериментальной гелиоустановки с двухкоординатнои системой наведения с взаимосвязанным электроприводом 117
4.5. Постановка эксперимента с макетом гелиоустановки 126
4.6. Сходимость экспериментальных и расчетных данных 132
Выводы 133
Заключение 135
Список литературы 138
Приложение А 146
- Перспективы развития гелиоэнергетики
- Основные характеристики гелиоустановки автономного электропитания индивидуального жилого здания
- Определение экономической эффективности электропривода энергетической гелиоустановки с концентратором и экваториальной системой наведения от шага слежения за Солнцем
- Математическая модель модернизированного электропривода гелиоустановки
Введение к работе
Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в реальных условиях за 2 млн. лет [1]. И по разным оценкам запасы традиционная для нас нефти закончатся через 40-50 лет, газа и каменного уголя несколько позже. И тогда возникнет острая необходимость в поиске новых возобновляемых источников энергии.
Возобновляемые источники энергии —это источники энергии непрерывно возобновляемые в биосфере Земли, к ним относятся: солнечная, ветровая, океаническая, гидроэнергия рек, геотермальная энергии, энергия биомассы. Среди всех возобновляемых источников энергии солнечная наиболее перспективна по масштабам своей распространенности [2]. В конечном счете, можно сказать, что вся промышленность использует энергию солнца. Ведь нефть, уголь и даже ветер — это тоже продукты деятельности Солнца. Но, в отличие от них, солнечная энергия неистощима.
Уже в настоящее время возобновляемые источники энергии рассматриваются как серьезное дополнение к традиционным [3]. Подобную роль данные источники энергии получили после энергетического кризиса 1973 года [4].
Необходимость развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии обусловлена следующим: истощением запасов традиционных ископаемых энергоресурсов; возможностью решения проблем энергообеспечения отдаленных и труднодоступных районов; снижением, по сравнению с традиционной энергетикой, выбросов СО2, NOx и других вредных отходов. Снижение вредных выбросов позволяет увеличить финансирование строительства более экологически чистых солнечных электростанций за счет снижения оплаты «квот за выбросы». [5], [6]
А с учётом того, что в ближайшие 20 лет прогнозируется рост энергетических потребностей почти в 2 раза, все проблемы традиционной
энергетики будут только усугубляться [7]. К этому стоит прибавить и постоянно растущие цены на энергоносители.
1 X
За год поверхности Земли достигает около 1,05-10 кВт-ч солнечной энергии. 1,5% из них может быть использовано без ущерба для окружающей среды, а это около 1,62-10 кВт-ч в год, что эквивалентно 2-10 тонн условного топлива. [8], [9], [10], [11]
Многие страны уделяют большое внимание развитию солнечной энергетики. В первую очередь это страны Европейского Союза, Япония и США. В настоящее время одним из лидеров практического использования энергии Солнца является Швейцария, где построено порядка 3000 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Развивающиеся страны, испытывающие недостаток в национальных энергоресурсах, также приобретают гелиоустановки в стратегических интересах или для решения специфических проблем.
Потенциал солнечной энергетии в России составляет более 2000 млрд. тонн условного топлива в год. Несмотря на это Россия потребляет в основном нефть и газ, доля добычи которых достигает 79,4% от количества всех производимых энергоресурсов, что ведет к резкому сокращению ископаемых ресурсов. За последние 7 лет ресурсы газа сократились на 4,5%, а нефти на 15,7%. [12] Эту проблему можно решить за счет строительства солнечных электростанций.
Еще одной проблемой Российской энергетики является большая протяженность сетей электропередач, вызванная большой площадью страны, на которой многие регионы питаются от удаленных электростанций. Уже на сегодняшний день все эти сети сильно изношены. Так по данным Департамента электрических сетей РАО «ЕЭС России», износ основных фондов электрических сетей составляет 40%), а подстанционного
оборудования - 63,4%, и на их ремонт потребуется свыше 4,8 млрд. долл. США.
Рисунок 1В. Примеры применения солнечных батарей.
Третьей проблемой является завоз топлива в районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири. Ежегодно в эти регионы завозится 6-8 млн. тонн жидкого топлива и 20-25 млн. тонн твердого. На это уходит больше
половины бюджета этих регионов. Причем в последние годы нередки были случаи недостаточного завоза топлива на Дальний Восток, что ставило под угрозу жизни людей. [12] Многие предприятия, даже в благополучной Московской области, уже сегодня строят газовые мини теплоэлектростанции для своего автономного энергоснабжения. А ведь вместо них можно строить гораздо более экологичные и перспективные небольших солнечные электростанции.
Немаловажно также то, что гелиоустановки можно размещать на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях, как показано на рисунке 1В. Они не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.
Рисунок 2В. Современный солнцемобиль.
Также не следует забывать о возможности установки солнечных батарей на транспортное средство, т.е. создания солнцемобиля. Хотя конечно на сегодняшний день невозможно создать утилитарный солнцемобиль, но уже сейчас проводятся соревнования специальных солнцемобилей, внешний
вид которых представлен на рисунке 2В. Подобные опыты должны показать возможность в будущем использовать солнечную энергию на обычном транспорте. Хотя скорее всего это использование будет комбинированным с другими источниками энергии.
Энергия Солнца преобразуется посредством разных типов гелиоустановок в электрическую или тепловую энергию, а также в электрическую и тепловую одновременно. Для преобразования солнечной энергии в электрическую применяются турбогенераторные установки либо полупроводниковые фотоэлементы, которые в настоящее время стали получать наибольшее распространение [13], [14]. В последнее время был проведен ряд исследований посвященных повышению КПД существующих фотоэлементов за счет изменения их структуры [15], [16], [17], [18], [19] ввода в состав кристаллической решетки наночастиц [20], а также повышению их прочности и долговечности [21].
Для увеличения КПД гелиоустановок и снижения их стоимости применяются концентраторы лучистого потока энергии, которые направляют лучистый поток с большой площади на небольшой гелиоэлемент, что позволяет снизить общую стоимость гелиоустановки за счет уменьшения площади гелиоэлемента, а для некоторых типов гелиоустановок увеличить КПД преобразования. Применению концентраторов посвящены работы [19], [22] и [23], в которых рассматривается конструкция концентраторов и их математическая модель, но не уделено внимание применению системы слежения за Солнцем и упрощению конструкции концентратора за счет спрямления его кривых.
Т.к. КПД преобразования Солнечной энергии повышается при приближении угла падения потока лучистой энергии на преобразователь к нулю, в состав гелиоустановок зачастую входит система, обеспечивающая наведение фотоэлемента на Солнце посредством следящего электропривода. Гелиоустановки с концентрацией излучения вообще не могут обойтись без
подобных электроприводов. Требования по точности наведения энергетических гелиоустановок на Солнце различаются в зависимости от их типа и, при наличии концентратора, от типа концентратора. Одним из основанных требований ко всем следящим системам является экономия энергии. В данной работе рассматриваются электроприводы гелиоустановок преобразующих солнечную энергию в электрическую посредством фотопреобразователей с концентрацией излучения.
Существует ряд исследований посвященных энергетической эффективности следящих электроприводов гелиоустановок [11], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]. В том числе в работах [11], [31] и [32] рассматривается пошаговый режим слежения и выводится аналитическая зависимость экономии электроэнергии в результате перехода от непрерывного к пошаговому режиму слежения. Но эти работы не рассматривают вопрос комплексной экономичности в системах с концентрацией лучистого потока энергии.
В имеющихся исследованиях по электроприводу гелиоустановок рассмотрены вопросы, относящиеся к точностным показателям следящих электроприводов гелиоустановок [33], [34], [35], [36], [37], [38]; к компенсации люфта в редукторе электропривода [34], [36], [39], [41]; к конструкции блоков управления электроприводов гелиоустановок [41].
Проводились работы и по обоснованию целесообразности применения гелиоустановок для энергоснабжения индивидуальных потребителей [42].
На основании изложенного целью работы является повышение энергетической и экономической эффективности энергетических гелиоустановок с концентрацией потока лучистой энергии путём модернизации их электроприводов с обеспечением оптимальных по энергосбережению режимов работы.
Для выполнения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
создание методики расчета концентратора энергетических гелиоустановок.
- создание методики расчета энергетической и экономической
эффективности следящего электропривода энергетических гелиоустановок с
концентрацией потока лучистой энергии.
обеспечение режима пошагового слежения за Солнцем энергетической гелиоустановкой с концентрацией лучистого потока энергии.
- математическое моделирование модернизированного электропривода
энергетической гелиоустановки с концентрацией потока лучистой энергии
работающего в режиме пошагового слежения за Солнцем.
техническая реализации модернизированного электропривода энергетической гелиоустановки с концентрацией потока лучистой энергии работающего в режиме пошагового слежения за Солнцем.
Основное внимание в работе будет уделено нахождению компромисса между повышением точности слежения гелиоустановкой за Солнцем, приводящим к увеличению энергетических потерь, и увеличением площади полупроводникового фотоэлемента, приводящим к повышению цены гелиоустановки.
Перспективы развития гелиоэнергетики
По мнению академика и нобелевского лауреата Ж.И. Алферова, «если бы на развитие альтернативных источников энергии было затрачено только 15% средств, брошенных на развитие атомной энергетики, то АЭС для производства электроэнергии в СССР вообще бы не понадобились» [43].
За последние 100 лет КПД, наиболее применяемых солнечных элементов вырос в 20 раз и продолжает расти. При этом за 30 лет прошедших с начала их использования цена на фотоэлементы упала в 10 раз и также продолжает падать. На данный момент их себестоимость составляет уже примерно 2-3 долл./Вт[44]. И это, несмотря на то, что применяемая ныне хлорсилановая технология производства солнечного кремния остаётся той же, что и в 50-х годах XX века, и обладает следующими недостатками: высокая энергоемкость, низкий выход кремния, нанесение вреда экологии [45].
Еще в 70-х годах XX века в Алма-Атинском Институте физики высоких материй, при изучении наноструктуры различных материалов, был обнаружен интересный эффект: оказалось, что атомы водорода садятся на оборванные связи в кристаллической решетке кремния и нейтрализуют электрическую активность дефектов. После серии экспериментов подтвердилась информация о том, что водород улучшает свойства кремниевых структур. Т.е. с помощью водородной пассивации можно сравнительно недорого получить сверхчистый кремний, применяемый в гелиоэнергетике [46]. Продолжая подобные разработки, фирма «Сименс» предложила новую технологию производства кремния солнечного качества методом прямого восстановления из природно-чистых кварцитов, стоимость кремния при этом доходит до 5-15 долл./кг. В случае применения этой технологии в широких масштабах стоимость солнечных элементов и модулей по некоторым оценкам составит 0,7-1,4 долл./Вт [45], что в 2 раза меньше чем в настоящее время. Причем этот метод еще и экологически чище.
Можно также сравнить цену на кремний с ценой нефти, необходимой для получения того же количества энергии. Так 1 кг кремния в солнечном элементе за 30 лет своей эксплуатации вырабатывает 300 МВт-ч электроэнергии. Прямой пересчет этой электроэнергии при теплоте сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте 33 %, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти [45], а при нынешних ценах на нефть, около 80 долл. за баррель, это примерно 45 тыс. долл., что несравнимо с максимум 30 долл. за 1 кг кремния.
А ведь в этих ценах не учитывается тот вред, который современная энергетика наносит экологии, что вызывает необходимость огромных затрат на её восстановление. А вред, наносимый жизни и здоровью людей, оценке вообще не поддается, разве что можно учитывать расходы на медицину и потери работодателей от временной нетрудоспособности работников. Если учесть все эти скрытые затраты в тарифах на энергию, то солнечная энергетика окажется вполне конкурентноспособной в сравнении с современными ТЭС.
Так же не стоит забывать, что при нынешних темпах потребления ископаемых ресурсов, за год в мире потребляется такое количество нефти, которое образуется в природных условиях за 2 млн. лет, а в будущем цены на нефть будут неуклонно расти и увеличатся по сравнению с сегодняшними ценами во много раз.
При этом производство фотоэлементов каждый год становится всё больше и больше: так, если до 1997 года прирост составлял 15% в год, то после 1997 года это было уже 30% в год, к 2004 году прирост достиг 50% в год. На сегодняшний день во всём мире за год производится фотоэлементов на 1200 МВт установленной энергии. [19]
В ряде высокоразвитых стран уже в настоящее время широко применяется гелиотехника. Так, в некоторых странах Европы введен «экологический» налог в размере 10 - 30% стоимости нефти. Средства от налога планируется направить, в том числе и на финансирование новых проектов по экологически чистой энергетике. В Германии покупателям альтернативных источников энергии выплачивается одноразовая компенсация. В Швейцарии гелиоэнергоустановки широко применяются как отдельными гражданами, так и предприятиями. Граждане монтируют гелиоустановки площадью 20-30 м на крышах или фасадах своих частных домов. Мощностью подобных установок соответствует 2-3 кВт, следовательно, они вырабатывают около 20 кВт-ч электроэнергии в сутки. Крупные фирмы или многоквартирные кондоминиумы используют более мощные гелиостанции мощностью до 300 кВт, которые покрывают до 70% потребностей предприятия, в зависимости от рода его деятельности, определяющего энергопотребление. Избыток энергии может продаваться в электрическую сеть общего пользования или запасаться в буферных аккумуляторных батареях для использования в моменты пиковых нагрузок. Опыт эксплуатации гелиоустановок свидетельствует о том, что они в состоянии обеспечить энергией все жилые здания Швейцарии. Европейский Союз планирует, что уже к 2020 году возобновляемая энергетика займет 20% от всего рынка электроэнергии. В США электрическую энергию, полученную от гелиоустановок, можно продавать сети общего пользования, причем сеть покупает электроэнергию по более высокой цене, чем продаёт.
Основные характеристики гелиоустановки автономного электропитания индивидуального жилого здания
В качестве примера для исследования возьмем гелиоустановку, предназначенную для автономного электропитания индивидуального жилого здания, находящегося в районе отдаленном от линий электропередач и имеющем трудности в снабжении топливом (например: горные поселки, острова и т.п.). В состав потребителей электроэнергии входят: осветительные приборы, тепловые приборы для приготовления пищи, холодильник, кондиционер, телевизор, компьютер, а также разъездной электромобиль и другие, менее мощные устройства. Для питания жилища в ночное время суток и в моменты пиковых нагрузок в систему электропитания включается буферная аккумуляторная батарея.
В среднем за сутки требуется электроэнергия для: 1. Зарядки аккумуляторных батарей разъездного электромобиля 8,5 кВт-ч для преодоления пробега в 100 км. 2. Питания телевизора 150 Вт на протяжении 5 часов, что равно 0,75 кВт-ч. 3. Питания компьютера 250 Вт на протяжении 2 часов, что равно 0,5 кВт-ч. 4. Освещения внутренних помещений 800 Вт на протяжении 6 часов, что равно 4,8 кВт-ч. 5. Питания тепловых приборов для приготовления пищи 2000 Вт на протяжении 1 часа, что равно 2 кВт-ч. 6. Питания холодильника 100 Вт на протяжении 24 часов, что равно 2,4 кВт ч. 7. Питания кондиционера 400 Вт на протяжении 24 часов, что равно 9,6 кВт-ч. За сутки мы получаем среднее значение равное 28,55 кВт-ч. Гелиоустановка может производить энергию на протяжении 10 часов в сутки, следовательно, нам необходима выходная мощность 2,855 кВт, а если учесть возможное подключение других потребителей и возможное уменьшение мощности лучистого потока солнечной энергии, примем необходимую выходную мощность равной 3 кВт.
Принимая мощность лучистого потока солнечной энергии равной 0,8 кВт/м (для горной местности) и КПД гелиоустановки равный 12 %, мы можем получить 0,096 кВт/м2, следовательно, для удовлетворения потребностей жилища в электроэнергии необходима гелиоустановка с площадью концентратора равной 32 м". А буферная аккумуляторная батарея должна позволять осуществлять как минимум 50% зарядку аккумуляторов разъездного электромобиля (2,5 кВт-ч), 70% освещение жилища на протяжении 4 часов (2,24 кВт-ч), питание холодильника 14 часов (1,4кВт-ч) и кондиционера 14 часов (5,6 кВт-ч) в темное время суток, т.е. ее емкость должна равняться 11,74кВт-ч или с запасом порядка 12 кВт-ч. Целесообразней всего применить наиболее распространенные, а следовательно, дешевые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с напряжением 12 В, их общая емкость должна равняться 1000 А/ч. Наилучшими батареями такого типа являются батареи №813 025 000 3100 производимые фирмой Varta специально для гелиоустановок. Эти батареи при напряжении 12 В обеспечивают емкость ПО А/ч, т.е. нам необходимо 9 подобных батарей. В результате мы получаем 990 А/ч при 12 В, т.е. 11,88 кВт-ч, что удовлетворяет потребностям в 11,74 кВт-ч.
Основные особенности электроприводов гелиоустановок обусловлены малыми скоростями перемещения рабочего органа. Наибольшая скорость слежения за движением Солнца на широте 40 составляет
50/час=2,4-10 рад/с. Передаточное отношение электропривода (і) достигает десятков и сотен тысяч в зависимости от выбранной структуры электропривода и системы координат. Чтобы оценить мощность требуемого исполнительного двигателя, можно пользоваться эмпирической зависимостью - 10 Вт мощности электродвигателя на 1000 Вт выходной электрической мощности гелиоустановки. Т.е. для нашей установки с запасом выбираем двигатель СЛ-321 с номинальной мощностью - 38 Вт.
При решении вопросов о структуре электропривода необходимо учесть следующие требования: надежность; простота обслуживания; высокая степень автоматизации, предполагающая длительное время эксплуатацию гелиоустановки без вмешательства человека; ограничение ударных нагрузок в силовой части привода; минимальные капитальные затраты; энергосбережение.Одним из наиболее эффективных способов повышения надежности и энергосбережения является переход от непрерывного слежения за Солнцем к пошаговому.
Определение экономической эффективности электропривода энергетической гелиоустановки с концентратором и экваториальной системой наведения от шага слежения за Солнцем
После установления зависимостей размеров фотоэлемента от величины максимально допустимой погрешности в ориентации гелиоустановки и коэффициента эффективности электропривода от шага слежения необходимо перейти к общей единице измерения для этих двух параметров, за которую следует принять «деньги». Т.е. ценовые выражения сэкономленной за время эксплуатации гелиоустановки электроэнергии и дополнительной площади фотопреобразователя, увеличивающейся с увеличением шага слежения. Для этого стоимость электроэнергии, сэкономленной за период эксплуатации гелиоустановки, представим в следующем виде: М = НС{Р-Рф{\-\1Кэфф{вш)) р.!] N - срок службы гелиоустановки (20 лет), выраженный в часах (175200 часов); С - стоимость 1 Втхчаса (0,005 рубля, что актуально для труднодоступной местности, в которой предполагается использование нашей гелиоустановки); Р - мощность, потребляемая электродвигателем в режиме непрерывного слежения (25 Вт); л - КПД электродвигателя; Кэфф(6ш) - коэффициент эффективности в зависимости от величины шага слежения (пункт 2.4). 14000 т : 1 -12000 === — юооо —4- 8000 —І 6000 --J 4000 4 2000 о ! , . 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 шаг, град Рисунок 3.1. График зависимости стоимости электроэнергии, сэкономленной за период эксплуатации гелиоустановки, от вш (градусы). По графику зависимости сэкономленной за время эксплуатации гелиоустановки электроэнергии от шага слежения, изображенном на рисунке 3.1, видно, что экономический эффект оказывается очень значительным уже при шаге около 0,1, и при дальнейшем росте величины шага возрастает незначительно.
Стоимость дополнительной площади фотоэлемента представим как: Д5 = г&((0ш)-ДО)) [3.2] S — площадь, покрываемая гелиоустановкой. В исследуемом случае общая мощность гелиоустановки 3 кВт, площадь составляет 32 м2 (пункт 2.1), длина фотоэлемента составит 10 м, при ширине покрываемой гелиоустановкой площади — 3,2 м; с — стоимость 1 м фотоэлемента (5 000 рублей); L(6m) — ширина фотоэлемента в зависимости от величины шага слежения (максимальной погрешности наведения концентратора) (пункт 2.2); L(0) - ширина фотоэлемента при непрерывном слежении (пункт 2.2). Рисунок 3.2. График зависимости стоимости дополнительной площади фотоэлемента от вш (градусы). По графику зависимости стоимости дополнительной площади фотоэлемента от шага слежения, изображенном на рисунке 3.8, видно, что экономический эффект уменьшается с ростом шага и пропадает при значениях шага около 1,7. Чтобы определить итоговый экономический эффект от перехода на пошаговый режим слежения за Солнцем, необходимо сравнить зависимости, изображенные на рисунках 3.1 и 3.2. Разность формул 3.1 и 3.2 и будет этим экономическим эффектом от перехода на пошаговый режим в зависимости от величины шага: АС = АР-AS [з.З] На рисунке 3.6 представлены зависимости, построенные по формулам 3.1, 3.2 и 3.3, и показывающие экономический эффект получаемый в зависимости от шага слежения. -ілппгмі -, 1 иииии8000060000 -40000 -юЩ 20000 -1 сьоо -20000О-40000 --60000 --80000 -Л Г\Г\Г\Г\Г\ , »-» » 0 Ч ft—Л—Д—А—ft— —ft ft ft _ft_+-g ftft ft ft ft ft ftftftftftftftft ft-—==—= ""—-» -- 4 -1иииии ( ) 0,5 1 1,5 ;шаг, град Затраты на лишнюю площадь фотоэлемента— — Сэкономленная дигателем электроэнергия —— Общая экономия Рисунок 3.3. График зависимости экономического эффекта от перехода к пошаговому режиму от вш (градусы). По графику, изображенному на рисунке 3.3, видно, что максимальная экономическая эффективность (экономия в 8500 рублей) приведенной гелиоустановки достигается при величине шага слежения за Солнцем 0,22. А при величинах шага более 1, экономический эффект от перехода к пошаговому слежению за Солнцем уходит в минус. При величине шага слежения за Солнцем 0,22 коэффициент эффективности от перехода электропривода на пошаговый режим слежения будет равен 6,2, а длина фотоэлемента будет равна L = 0.1245 о.е., что в нашем случае равняется 0,4 м. При этом коэффициент концентрации останется таким же, как без учета погрешности в ориентации К = 5.15, т.к. световое пятно будет изменять только свое положение на фотоэлементе.
Математическая модель модернизированного электропривода гелиоустановки
Представлена функциональная схема математической модели модернизированного электропривода гелиоустановки, позволяющая судить о потребляемой данным электроприводом мощности в зависимости от напряжения питания и нагрузки на валу электропривода. Данная модель построена в MATLAB & Simulink [79]. Математическая модель включает в себя следующие блоки: "DC Machine" - двигатель постоянного тока с независимым возбуждением; "DC source for field" — источник постоянного тока для цепи обмотки возбуждения электродвигателя; "Control Voltage Source" - управляемый источник питания цепи якоря электродвигателя; "Pulse Generator (voltage)" - генератор импульсов, управляющий источником питания цепи якоря электродвигателя; "Pulse Generator" - генератор импульсов момента нагрузки создаваемого механической частью электропривода гелиоустановки; "Voltage Measurement" - вольтметр цепи якоря электродвигателя; "Demux" - многофункциональное измерительное устройство параметров электродвигателя; "U", "la", "w" и "Те" - устройства вывода измеряемых параметров электропривода, таких как напряжение питания, ток якоря, частота вращения электродвигателя и момент на валу электродвигателя, в виде графиков.пошагового слежения. Основной частью математической модели модернизированного электропривода гелиоустановки является блок электродвигателя, взятый из библиотеки Simulink, на рисунке 4.2 он обозначен как "DC Machine". Это блок моделирует машину постоянного тока независимого возбуждения. Между выходами "F+" и "F-" находится обмотка возбуждения, между "А+" и "А-" якорь машины, на "TL" подаётся момент нагрузки, а с "т" снимаются показания с машины. На рисунке 4.3 представлена развернутая математическая модель данного блока. [80] Контур возбуждения, обозначенный как "Field circuit", состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности Lf и резистора Rf. Контур якоря, обозначенный как "Armature circuit", состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности La и резистора Ra, также в этом конуре присутствует противоЭДС (Е). ЭДС пропорциональна скорости машины: Е = КЕй) [4.1] КЕ — коэффициент электродвигателя; со - частота вращения машины. [80] В машины постоянного тока с независимым возбуждением коэффициент пропорциональности КЕ пропорционален току возбуждения If: КЕ = LafJf [4.2] где Laf-индуктивность связи обмотки якоря и обмотки возбуждения. [80] Электромеханический вращающий момент машины постоянного тока пропорционален току якоря 1а: Те = Кт1а [4.3] где Кт - коэффициент момента. [80] По разности электромеханического вращающего момента и момента нагрузки можно судить о режиме работы машины постоянного тока: Te — TL - О Двигательный режим, Te—TL - 0 Генераторный режим. В модели принято допущение, что коэффициент момента равен коэффициенту электродвигателя: КТ=КЕ. Механическая часть электродвигателя обозначена на рисунке 4.3 как "Mechanics", а на рисунке 4.4 представлена её развернутая математическая модель. [80] В блоке механической части вычисляется частота вращения машины в зависимости от конечного вращающего момента. По известной частоте вращения вычисляется противоЭДС (Е). Механическая часть представлена блоками Simulink, осуществляющими уравнение: J dt=TE Sin( )rL "ВтС"Tf Г4-4] где J - инерция; Bm - коэффициент вязкого трения; Tf - момент трения. [80] В модели электрической машины существует возможность редактирования параметров, окно выбора параметров представлено на рисунке 4.5. Возможность редактирования есть для следующих параметров: Ra - сопротивление якоря, Ом; La - индуктивность якоря, Гн; Rf - сопротивление обмотки возбуждения, Ом; Lf - индуктивность обмотки возбуждения, Гн; Laf- индуктивность связи обмотки якоря и обмотки возбуждения, Гн; J - полный момент инерции машины, кг-м2; Вт - коэффициент вязкого трения, Н-м-с. Tf - момент трения, Н-м; w - начальная частота вращения электрической машины, рад/с. На входе модели электрической машины можно получить следующие параметры: w - частота вращения электрической машины, рад/с. 1а — ток в цепи якоря, А; If - ток в цепи возбуждения, А; Те - момент на валу машины, Н-м. 103 В математической модели электропривода гелиоустановки используются характеристики двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов ДПР42, используемого в макете гелиоустановки, который будет рассмотрен в последующих пунктах данной диссертации. Данный двигатель обладает следующими характеристиками: - номинальное напряжение питания 27 В; - номинальный ток якоря 0,24 А; - номинальная механическая мощность 3,1 Вт; - номинальная частота вращения 6000 об/мин; - номинальный крутящий момент 4,9 мН-м; -КПД 48%; - пусковой ток якоря 0,96 А; - пусковой крутящий момент 19,6 мН-м; - возбуждение от постоянных магнитов. Характеристики электродвигателя, используемые математической моделью, показаны на рисунке 4.5. При этом возбуждение от постоянных магнитов моделируется за счет подачи постоянного напряжения 27 В на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, модель которого взята из библиотеки Simulink. Напряжение питания обмотки якоря задается импульсным с амплитудой 27 В, периодом 20 с, длительностью импульса 2 с, что соответствует режиму пошагового слежения с шагом 0,22
