Разработка структуры математических моделей СЭС

Инв. №_______

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского

“Харьковский авиационный институт”

Кафедра 402

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

по курсу «Методы проектирования двигателей и энергоустановок КЛА»

на тему: Разработка структуры математических моделей СЭС

Выполнил: студент гр. 450

Проверил:  проф., д.т.н.  каф. 402

Харьков 2011

Содержание

Перечень условных обозначений и сокращений.. 3

ВВЕДЕНИЕ. 4

1. Разработка структурной схемы СЭС.. 6

2. Декомпозиция СЭС.. 7

3. Структура функциональных связей агрегатов в СЭС.. 8

4. Структура математической модели термоэлектрической СЭС.. 9

5. Коэффициент полезного действия термоэлектрического преобразователя.. 11

Выводы.. 13

Список использованной литературы.. 14

Перечень условных обозначений и сокращений

БАРК – бортовая аппаратура регулирования и контроля;

КПД - коэффициент полезного действия;

СЭС – система энергоснабжения;

ТГМ - термоэлектрический генераторный модуль;

ТЭлГ - термоэлектрический генератор;

E_конц – освещенность солнечного концентратора, Вт/м²;

I_БА – ток после прохождения БАРК, А;

I_ПР – ток полученный на преобразователе, А;

М_ИТ – масса источника тепла, кг;

М_ПР – масса преобразователя, кг;

М_{С_ОХЛ} – масса системы охлаждения, кг;

М_БАРК – масса БАРК, кг;

М_СЭС – масса СЭС, кг;

 – массовый расход теплоносителя на выходе из нагревателя, кг/с;

 – массовый расход теплоносителя на входе в нагреватель, кг/с;

 – массовый расход теплоносителя на входе в систему охлаждения, кг/с;

 – массовый расход теплоносителя на выходе из системы охлаждения, кг/с;

 – тепло, излучаемое системой охлаждения, Дж;

P_ИТ – вероятность безотказной работы источника тепла;

P_ПР – вероятность безотказной работы преобразователя;

P_{С_ОХЛ} – вероятность безотказной работы системы охлаждения;

P_СЭС – вероятность безотказной работы СЭС;

S_конц – площадь концентратора, м²;

 – температура теплоносителя на выходе из нагревателя, К;

 – температура теплоносителя на входе в нагреватель, К;

 – температура теплоносителя на входе в систему охлаждения, К;

 – температура теплоносителя на выходе из системы охлаждения, К;

U_БА – напряжение после прохождения БАРК, В;

U_ПР – напряжение полученное на преобразователе, В;

τ_КА – время активного существования космического аппарата, с.

ВВЕДЕНИЕ

Термоэлектрический генератор (ТЭлГ) – устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, с использованием либо полупроводниковых, либо биметаллических термоэлементов (термопар), соединенных между собой последовательно и (или) параллельно. ТЭлГ используется в передвижных автономных энергетических установках, питающих труднодоступные объекты: автоматические метеостанции, морские маяки и т.п. В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне, или на других планетах или спутниках планет.

Основным элементом любого термоэлектрического генератора является термоэлектрический генераторный модуль (ТГМ).  В основе принципа действия ТГМ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвина) и Зеебека. Определяющая роль в ТЭлГ принадлежит эффекту термо–ЭДС (Зеебека). Эффект Зеебека, открытый в 1821 г. гласит: «если концы разомкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, поддерживаются при различных температурах, то в такой цепи возникает термоэлектродвижущая сила, прямо пропорциональная разности температур ее концов». Отсюда становится понятен принцип работы устройства.

Несмотря на достаточно низкий КПД, не превышающий 10%, термоэлектрические генераторы нашли широкое применение. Объясняется это простотой эксплуатации, высокой надежностью, большим сроком эксплуатации, стабильностью параметров и вибростойкостью. Недостатками ТЭлГ являются невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10–15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м² (на единицу поперечного сечения элемента), объемная плотность мощности 200–400 кВт/м³.

В качестве источников тепла для подвода к спаям ТЭлГ используются: радиоактивные изотопы (РИТЭлГ), ядерные реакторы (ЯРТЭлГ) и солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭлГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на космических летательных аппаратах, целесообразны РИТЭлГ и СТЭлГ, а при повышенных уровнях мощности – ЯРТЭлГ. ЯРТЭлГ наиболее перспективны для автономных энергетических установок КЛА но нуждаются в больших охладителях, поэтому широкого применения до сих пор не нашли. Для длительных полетов предпочтительны РИТЭлГ. А для околоземных орбит наиболее оправдано использование СТЭлГ. О таком источнике и пойдет речь в данной работе.

Задание № 2.1

Разработать структуры математических моделей термоэлектрической СЭС двухконтурной схемы с солнечным источником тепла () на уровне агрегатов для расчета основных массовых, электрических, тепловых, надежностных и других характеристик СЭС.

1.  Разработать структурную схему СЭС.

2.  Провести декомпозицию для трех уровней (агрегатов, узлов, элементов).

3.  Разработать структуру функциональных связей агрегатов в СЭС.

4.  Разработать структуру математических моделей СЭС (записать функциональные зависимости) с целью определения основных массовых, электрических, тепловых, надежностных и других характеристик СЭС.

5.  Записать 2-3 выражения, описывающих ту или иную функциональную связь в разработанных структурах моделей.

1. Разработка структурной схемы СЭС

В состав двухконтурной энергоустановки с ТЭЛП входят: источник тепла, термоэлектрический преобразователь, холодильник–излучатель и БАРК (Рис. 1):