Візуалізація

З метою подальшого дослідження та підтвердження даних, отриманих під час експериментальних досліджень, нами в середовищі Simulink (Matlab) розроблено імітаційну математичну модель когенераційної установки на базі біотеплогенератора (рис.5). В її структуру входять:

- імітаційна модель підсистеми елемента Пельтьє (Peltier);

- імітаційна модель біокотла (Biokotel);

- підсистема охолодження з вентилятором (Vent_2);

- підсистема шнека та вентилятора для забезпечення процесу горіння (Shnek, Vent_1);

- підсистеми перетворювачів (3f-PWM1, 3f-PWM2, 3f-PWM3);

- підсистема контролю (Control System);

- підсистема інвертора (Inverter);

- батарея живлення (Bat);

- пристрої вимірювання вхідних та вихідних даних (Scope, Display);

- навантаження з комутаційним пристроєм (Load).

Під час розробки моделі використано загальні блоки бібліотек Simulink та Simscape підкатегорій Electrical, Physical Signals, Thermal.

Модель елемента Пельтьє реалізує підсистему елементів із врахуванням їхніх загальних мас, теплоємностей, площ та товщин стінок, їхньої теплопровідності та інших фізичних характеристик, визначених під час аналітичного дослідження. Вхідні параметри блоку - теплові характеристики, вихідні - електричні. Створена модель елемента Пельтьє є оборотною: електричні характеристики можуть бути вхідними, тоді на виході відображатимуться теплові показники роботи моделі.

Рис. 2.8. Структура імітаційної моделі когенераційної установки

У підсистемі " Biokotel" задаються теплотехнічні характеристики установки, теплопровідність, тощо. загальну масу конструкції. На вході блоку встановлюється необхідна кількість повітря та біопалива, що подається вентилятором (Vent_1) і шнеком (Shnek) відповідно. Продуктивності вентилятора та шнека задаються в умовних одиницях (відсотках) відносно номінальної. На виході блоку визначаються наступні параметри: теплова потужность, температура теплоносія, коонсентрація кисню (у відсотках) в продуктах згоряння та загальна кількість теплоти у біокотлі, яка подається на " гарячу" сторону підсистеми елементів Пельтьє. Із " холодної" сторони підсистеми елементів Пельтьє відбирається відповідна кількість теплоти підсистемою охолодження (Vent_2).

Підсистеми перетворювачів дозволяють: задавати необхідні режими роботи двигунів, вентеляторів та шнека впродож усього часу роботи, а також, отримати та відстежити за допомогою спеціальних блоків (Scope) значення напруг та частоти установки.

Підсистема контролю регулює режими роботи установки залежно від величини напруги термоелементів, теплоносія вихідної температури та концентрації кисню: у випадку збільшення напруги, зменшується кількість обертів вентилятора системи охолодження (Vent_2), а тому підвищується температура на " холодній" стороні елементів Пельтьє; в свою чергу кількість обертів першого вентилятора (Vent_1) також зменшується, за рахунок чого знижується теплова потужність біокотла.

Підсистема інвертора перетворює постійний струм у змінний. На вхід інвертора подається напруга з підсистеми елементів Пельтьє, а також з батареї. На виході одержується трифазний струм, а також загальні значення сили струму, напруги та потужності на споживачі. Батарея живлення використовується спершу для старту роботи установки, а потім заряджається згенерованою електроенергією.

У процесі моделювання поточні параметри роботи установки відображаються у блоках Display (рис.2.9). Графічне представлення зміни в часі окремих характеристик установки здійснюється за допомогою блоків Scope (рис.7-рис.8).

Рис. 2.9. Значення параметрів установки після завершення моделювання

В усталеному режимі отримуємо: продуктивність вентилятора, що подає повітря на біокотел вентилятора – становить 57%, шнеком – 52%. Температура теплоносія на виході установки становить 150 °С, теплова потужність котла 105 кВт. Температура на " холодній" стороні підсистеми елементів Пельтьє становить 46, 7 °С.

Ємність батареї становить 100 Ah, напруга – 26, 5 В, а сила струму набуває значення -4, 3 А, що свідчить про процес зарядження в даний момент часу.

Значення сили струму, напруги та потужності на виході ТЕГ становлять 87, 1 А, 48 В та 4 кВт відповідно. Коефіцієнт корисної дії установки – 4%.

Графічне представлення зміни напруги та частоти на перетворювачах у перехідних та усталеному режимах відображено на рис.2.10 (а, б, в)

а)

б)

в)

Рис. 2.10. Графіки зміни значень напруги та частоти під час роботи моделі на перетворювачах " 3f-PWM1" (а), " 3f-PWM2" (б) та " 3f-PWM3" (в)

Зміну значення температури, що подається на " гарячу" сторону підсистеми елементів Пельтьє, а також значення теплової потужності котла та кількості кисню можна простежити на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Графіки зміни значень температури котла, його теплової потужності і кількості кисню

Дані графіки показують, що на 150-ій секунді, значення сили струму та потужності починають збільшуватись. До того вони становили 0 А і 0 Вт. Розглянуті залежності демонструють, що саме на 150-ій секунді здійснюється підключення споживача у систему.

Рис. 2.12. Графіки зміни значень напруги, сили струму та потужності на споживачі

На основі отриманих результатів імітаційного моделювання та лабораторних досліджень, нами здійснено візуалізацію спроектованої установки.

Отож, написавши код і провівши відповідну кількість операцій з ключовими кадрами, використовуючи «Класичну анімацію руху» і бібліотеку готових символів, у програмному забезпечені Flash отримано наступний результат (рис.2.13).

Рис.2.13. Вікно проекту перед компіляцією

Останнім кроком проводимо тестування даної візуалізації Для перегляду результату потрібно використати комбінацію клавіш Ctrl+Enter

Для того, щоб запустити модель необхідно натиснути кнопку запуску, яка знаходиться у верхньому лівому кутку вікна (рис.2.14).

Рис.2.14. Кнопки запуску відеоролика

Першим візуалізується процес розряджання акумуляторної батареї та напрям руху струму до вентилятора, автоматичної системи керування та блоку керування батареєю (рис.18).

Рис.2.15. Перший етап візуалізації

Після цього загоряється технологічна біомаса у камері горіння, яка реалізовується із одночасним рухом вентилятора, що живиться від акумуляторної батареї (рис.2.16).

Рис.2.16. Другий етап візуалізації

У момент виходу котла на номінальну потужність, електрогенеруючі модулі забезпечують енергією: інвертор (DC/DC), який служить для вихідної напруги живлення вентилятора, видає напругу для підзарядки акумулятора та споживачів. (рис. 2.17).

Рис.2.17. Третій етап візуалізації