|
Проблема выбора электрогенератора для солнечной электрической станции связана с необходимостью обеспечения номинальных массо-габаритных показателей и коэффициента полезного действия данной машины. Однако проведенный анализ современных типов серийных электрических машин малой мощности (до 100 кВт) позволяет сделать вывод о непригодности большинства из них для применения в СЭС-1 из‑за большой массы и размеров. Использование традиционных конструкций электрических машин, кроме того, не позволяет разработать рациональную компоновку солнечной электрической станции в целом.
Бесколлекторная электрическая машина: простота и безопасность
Важным фактором перспективности электрической машины является род вырабатываемого машиной электрического тока (постоянного или переменного). Однако обычные электрические машины постоянного тока имеют значительно большие по сравнению с машинами переменного тока массогабаритные характеристики.
Возможности снижения массы и габаритов за счет использования электрических машин с повышенными числами оборотов ограничены числом оборотов сопрягаемого с ними теплового двигателя (вал теплового двигателя Стирлинга является общим и для электрической машины).
По сравнению с традиционными конструкциями электрических машин бесколлекторная электрическая машина, разработанная Санкт-Петербургским государственным техническим университетом, имеет ряд неоспоримых преимуществ.
В первую очередь, в конструкции электрогенератора не применяется электротехническая сталь для корпуса ротора и статора, вместо нее можно использовать пластмассы или алюминиевые сплавы. Затраты меди в бесколлекторной электрической машине меньше в 1,5‑2 раза; а удельные показатели в 1,5‑2,5 раза выше, чем у обычных коллекторных машин (и в 2‑4 раза выше, чем у асинхронных). Наконец, упрощена (и соответственно удешевлена) технология изготовления и сборки, а также есть возможность плавного регулирования скорости вращения от нуля до номинальной величины. К тому же электрогенератор обладает такой важнейшей характеристикой, как взрывобезопасность.
Способ передачи теплоты – основополагающий фактор
Известно, что одним из наиболее значительных факторов, определяющих эксплуатационные характеристики двигателя Стирлинга, является способ передачи теплоты в его внутренний контур. Прямой обогрев трубок нагревателя от фокального солнечного концентратора малоэффективен и весьма опасен из‑за большой вероятности прожога нагревателя. По этой причине в СЭС‑1 был применен косвенный подвод теплоты с помощью высокотемпературной тепловой трубы.
Для осуществления термодинамических процессов во внутреннем контуре двигателя Стирлинга последний был заполнен газообразным рабочим телом – гелием. Переталкивание гелия поршнями горячего и холодного цилиндров через нагреватель, регенератор и холодильник обеспечивало бесперебойную работу двигателя.
Теоретически реализуемый изотермо-изохорический цикл по экономичности сопоставим с эталонным для типовых двигателей циклом Карно. Однако цикл Карно является термодинамически абстрактным и практически неосуществим. Цикл же Стирлинга, как и другие известные в настоящее время циклы внешнего подвода теплоты, может быть реализован в виде высокоэкономичной машины, обладающей уникальными и перспективными для современного двигателя характеристиками.
Таким образом, СЭС-1 состоит из 4 основных частей:
1. Высокотемпературный теплообменный блок с тепловой трубой. Испаритель тепловой трубы выполнен в виде сферической поверхности, площадь которой выбрана из расчета передачи не менее 8‑10 кВт теплоты к стенке нагревателя.
2. Рабочий контур СЭС-1, включающий полости расширения и сжатия, нагреватель, регенератор и холодильник.
3. Механическая часть, включающая кривошипно-шатунный механизм, цилиндро-поршневую группу, механизм ручного запуска двигателя.
4. Электрическая часть, включающая электрическую машину (генератор), заключенную в специальный герметический корпус (картер общий с картером Стирлинга). При этом клеммы генератора связаны с внешними электрическими системами через особые герметичные выводы.
КПД двигателя потенциально высок
С целью уменьшения веса СЭС-1 были применены в основном высокопрочные алюминиевые сплавы и нержавеющая сталь. Ограничение потерь теплоты обеспечивалось введением в конструкцию различных тепловых барьеров в горячей части солнечной электростанции.
Коэффициент полезного действия СЭС-1 в несколько раз превышает КПД всех существующих установок преобразования солнечной энергии в электрическую. Это связано прежде всего с потенциально высоким КПД двигателя Стирлинга как механизма, непосредственно преобразующего теплоту в механическую работу. По причине высокой эффективности термического цикла и относительной простоты его практической реализации СЭС с двигателем Стирлинга приобретает весьма высокие эксплуатационные качества.
Он имеет низкие массо-габаритные характеристики, прост и удобен в эксплуатации. Так, двигатель Стирлинга и вся система автоматики и управления находятся в нижней части установки. При этом ориентировочная электрическая мощность станции составляет 3‑5 кВт.
Существует возможность размещения СЭС-1 на специальной буксируемой передвижной платформе, что позволяет легко транспортировать ее в любое место. Если солнечную электрическую станцию дооборудовать специальным тепловым агрегатом, то энергоснабжение потребителя можно обеспечивать даже при отсутствии солнца. Например, в ночное время или в пасмурную погоду.
При выполнении соответствующих профилактических мероприятий срок эксплуатации СЭС-1 составляет не менее 8‑10 лет и не требует большой численности высококвалифицированного обслуживающего персонала.
|
|
