Разработка структуры математической модели термоэлектрической двухконтурной СЭЖ

Міністерство освіти та науки України

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «ХАІ»

Домашнє завдання з курсу:

«Методи проектування енергорушійних систем космічних літальних апаратів»

Виконав: студент 451М гр.

Перевірив: д.т.н., професор

Харків 2009 р.

Завдання

Розробити структуру математичної моделі термоелектричної двухконтурної СЕЖ з сонячним концентратором (джерелом тепла) на агрегатному рівні декомпозиції для розрахунку надійності, масоенергетичних, теплових і інших основних параметрів і характеристик СЕЖ.

Вступ

Термоелектричний генератор (ТЕлГ) - пристрій для прямого перетворення теплової енергії в електричну, з використовуванням або напівпровідникових, або біметалічних термоелементів (термопар), сполучених між собою послідовно і (або) паралельно. ТЕлГ використовується в пересувних автономних енергетичних установках, що живлять труднодоступні об'єкти: автоматичні метеостанції, морські маяки і т.п. В перспективі такі об'єкти можуть вмонтовуватися на Місяці, або на інших планетах або супутниках планет.

Основним елементом будь-якого термоелектричного генератора є термоелектричний генераторний модуль (ТГМ). В основі принципу дії ТГМ лежать зворотні термоелектричні ефекти Пельтьє, Томсона (Кельвіна) і Зеєбека. Визначальна роль в ТЕлГ належить ефекту термо-ЕРС (Зеєбека). Ефект Зеєбека, відкритий в 1821 р. говорить: «якщо кінці розімкненого електричного ланцюга, що складається з двох різнорідних провідників, підтримуються при різних температурах, то в такому ланцюзі виникає термоелектрорушійна сила, прямо пропорційна різниці температур її кінців». Звідси стає зрозумілий принцип роботи пристрою.

Не дивлячись на достатньо низький к.п.д., що не перевищує 10%, термоелектричні генератори знайшли широке застосування. Пояснюється це простотою експлуатації, високою надійністю, великим терміном експлуатації, стабільністю параметрів і вібростійкістю. Недоліками ТЕлГ є невисокі відносні енергетичні показники: питома маса 10-15 кг/кВт, поверхнева густина потужності 10 кВт/м2 (на одиницю поперечного перетину елемента), об'ємна густина потужності 200-400 кВт/м³.

Як джерела тепла для підведення до спаїв ТЕлГ використовуються: радіоактивні ізотопи (РІТЕлГ), ядерні реактори (ЯРТЕлГ) і сонячні концентратори різного виконання (СТЕлГ). Орієнтовно приймають, що при електричних потужностях від 1 до 10 кВт на космічних літальних апаратах, доцільні РІТЕлГ і СТЕлГ, а при підвищених рівнях потужності - ЯРТЕлГ. ЯРТЕлГ найбільш перспективні для автономних енергетичних установок КЛА але потребують великих охолоджувачів, тому широкого застосування дотепер не знайшли. Для тривалих польотів переважні РІТЕлГ. А для навколоземних орбіт найбільш виправдано використовування СТЕлГ. Про таке джерело і піде мова в даній роботі.

1.  Розробка структурної схеми термоелектричної СЕЖ

До складу двоконтурної енергоустановки з ТЕЛП входять: сонячний концентратор, колектор з теплоносієм, що нагрівається сонячною енергією, батарея термоелектричних перетворювачів, пристрій для знімання і скидання тепла (холодильник-випромінювач) і насоси теплоносія (рис. 1):

Рис.1 – Структурна схема двухконтурної термоелектричної СЕЖ з сонячним концентратором

2.  Трьохрівнева декомпозиція термоелектричної СЕЖ

Рис. 2 – Схема декомпозиції термоелектричної СЕЖ з сонячним концентратором на агрегати, вузли і елементи

3.  Структура функціонального зв’язку вузлів СЕЖ

Застосовуючи структурну схему СЕЖ і схему декомпозиції СЕЖ, формуємо структуру функціональних зв’язків на рівні агрегатів СЕЖ (рис. 3.1).

Рис.3.1 – Структура функціональних зв’язків СЕЖ на рівні агрегатів

На рис. 3.1 прийняті наступні позначення:

τ_КА – час активного існування космічного апарата, с;

E_конц – освітленість сонячного концентратора, Вт/м²;

S_конц – площа концентратора, м²;

U_БА – напруга після проходження БАРК, В;

U_ПР – напруга отримана для перетворення, В;

I_БА – струм після проходження БАРК, А;

I_ПР – струм отриманий для перетворення, А;

М_ИТ – математична модель джерела тепла;

М_ПР – математична модель перетворювача

М_{С_ОХЛ} – математична модель системи охолодження;

М_БАРК – математична модель БАРК;

М_СЭС – математична модель СЕЖ;

 – температура теплоносія на вході з нагрівача;

 – температура теплоносія на вході в нагрівач;