WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 8 05;12 Требования к диэлектрикам для создания автономного источника электроэнергии на основе электрического конденсатора © Д.И. Адейшвили1, В.П. Кортхонджия2, Н.Ф. Шульга1 1 Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 310108 Харьков, Украина 2 Институт физики АН Грузии, 380077 Тбилиси, Грузия (Поступило в Редакцию 30 июля 1998 г.) Рассмотрены и установлены требования к диэлектрикам для решения задач накопления, хранения и регулируемого расходования в течение длительного времени электроэнергии с необходимой номинальной мощностью с помощью электрических конденсаторов.

1. В работе [1] было обращено внимание на воз- С целью подстраховки от пробоя диэлектрика в каможность использования электрических конденсаторов честве максимального напряжения на обкладках конв качестве автономного источника электроэнергии. Для денсатора мы будем брать значение, равное половине решения этой задачи был предложен метод регулируе- пробивного напряжения V0/2. В этом случае минимальмого расходования энергии, накопленной в электриче- ный пространственный объем диэлектрика конденсатора ском конденсаторе, позволяющий обеспечить в течение будет определяться соотношением длительного времени выделение заданной номинальной 12.8QWHT мощности на потребителе. Накопленная в конденсаторе =. (1) 2 электроэнергия существенным образом зависит от при- 0rU0 меняемого в нем диэлектрика [2–5].

В настоящей работе рассматриваются требования к 4. Рассмотрим теперь вопросы, связанные с энергетидиэлектрикам для решения задач накопления, хранения ческими потерями в диэлектриках накопительных кони регулируемого расходования в течение длительного денсаторов. В диэлектрике конденсатора имеют место времени электроэнергии с необходимой номинальной потери энергии, связанные с объемными токами утечки мощностью с помощью электрических конденсаторов. и разрядными токами на нагрузке во внешней электрической схеме разрядки конденсатора. В первой части элек2. Диэлектрическая среда для указанной цели прежде всего должна удовлетворять следующим двум требова- трической схемы [1] в цепи бака-конденсатора потери ниям. Во-первых, она должна обладать высокой удель- энергии обусловлены только токами утечки. Других потерь здесь нет, поскольку зарядка дозатора-конденсатора ной объемной энергоемкостью. Это позволит создать от бака-конденсатора происходит без каких-либо потерь компактный источник электроэнергии. Во-вторых, она должна обладать высоким удельным объемным электри- энергии. Связано это с тем, что в обоих конденсаторах используются диэлектрики с быстрой поляризацией ческим сопротивлением, т. е. быть хорошим изолятором.

Это обеспечит благодаря малости токов утечки длитель- (10-14-10-8 s). Во второй части схемы [1] при разную сохранность запасенной в электрическом конден- рядке дозатора на нагрузке происходят диссипативные потери мощности в дозаторе, обусловленные мощными саторе энергии. Сюда же следует отнести возможность разрядными токами на нагрузке. Другие потери энергии больших диссипативных потерь мощности в диэлектрике здесь практически отсутствуют. Таким образом, общие во время разрядки конденсатора на нагрузке. Обсудим потери энергии предложенного в [1] метода — регулируэти требования более подробно.

емого расходования энергии конденсатора складываются 3. Для обеспечения потребителя в течение времени из потерь энергии, обусловленных токами утечки бакаT номинальной мощностью WH требуется конденсатор конденсатора в цепи зарядки дозатора, и из потерь энерCb, позволяющий произвести накопление максимальной гии, обусловленных токами утечки бака-конденсатора в электроэнергии E0 = 1.6WHT [1]. Удельная объемная цепи зарядки дозатора, и из потерь энергии на диссипаэлектроемкость конденсатора определяется формулой тивные потери мощности в дозаторе в цепи его разрядки.

= 0rU0 /2 (0 — электрическая постоянная, r — относительная диэлектрическая проницаемость, U0 — Энергетические потери из-за объемных токов утечпробивная напряженность поля), где U0 = V0/d (V0 — ки характеризуются постоянной времени конденсатора пробивное напряжение, d — толщина диэлектрическо- c = 0r и определяются лишь электрическими паго слоя между обкладками конденсатора). Предельный раметрами диэлектрика ( — удельное объемное элекминимальный объем диэлектрического слоя между трическое сопротивление). Отношение T /c пропорциообкладками конденсатора, который необходим для этого нально относительным потерям энергии, обусловленным случая, определяется из выражения E0 = [3,6–8]. обьемными токами утечки бака-конденсатора. Однако так Требования к диэлектрикам для создания автономного источника электроэнергии на основе... как время разрядки конденсатора по энергии в e раз со- конденсатора, чтобы сохранить накопленную энергию в ставляет половину его собственного времени разрядки, течение требуемого рабочего времени с потерями не то вместо c надо брать его половинное значение. Тогда более P 10-2. Произведение (r) для удобства относительные потери энергии, связанные с объемными назовем ”мерой качества” диэлектрика. Ее размерность токами утечки бака-конденсатора, будут определяться в системе СИ — · m. Например, если требуется обессоотношением печить потребителя некоторой номинальной мощностью 2T в течение рабочего времени T = 30 h (105 s) на уровне Py =. (2) c потерь не более P 10-2 (1%), то для этого необходим диэлектрик с мерой качества (r) =4.1013 · m.

Рассмотрим теперь диссипативные потери мощности Для выяснения вопросов, связанных с удельной объемв дозаторе C. Заметим, что диссипативные потери ной энергоемкостью конденсаторов, воспользуемся формощности в дозаторе Wn компенсируются соответствумулой (1). Подставляя в нее численное значение 0, ющими потерями мощности в баке-конденсаторе Wn.

получим, что (rU0 ) =4 · 1011WHT /.

Связь между величинами Wn и Wn можно определить Это соотношение показывает, каким значениям паследующим образом. Диссипативные удельные объемраметров r и U0 должна удовлетворять среда между ные диэлектрические потери мощности определяются обкладками конденсатора, чтобы возможно было бы насоотношением [2] Pn = U0 /(2). Учитывая формулы копить в ней при заданном объеме диэлектрика необхоCb = 0r/d2, E0 = 1.6E (E = WHT ) и E0 = CbV0 /2, димое количество электроэнергии. Произведение (rU0 ) можно определить полные диэлектрические диссипативдля удобства назовем ”мерой прочности”(по объему). Ее ные потери мощности бака-конденсатора Wn = Pn размерность в системе СИ — (V/m)2.

или Wn = 1.6E/c. Заметим, что аналогично для дозатора Wn = 1.6Ei/c, где Ei = WH — пере- Таким образом, диэлектрик должен удовлетворять следаваемое дозатором нагрузке количество энергии в им- дующим требованиям:

пульсе. Номинальная мощность определяется формулой WHT WH =Ei/, поэтому E = NEi и, следовательно, (rU0 ) =4 · 1011, (5) Wn = NWn.

Так как номинальная мощность WH = E/T, то из T (r) =4 · 1011. (6) сравнения Wn с WH получим с учетом (2) относительP ные диссипативные потери мощности рассматриваемого 6. Рассмотрим теперь некоторую конкретную типичметода ную ситуацию, когда требуется загрузить потребителя P0 = 0.8Py. (3) электроэнергии номинальной мощностью WH = 100 kW Соотношение (3) показывает, что в рассматриваемом в течение времени T = 30 h, причем потребитель методе относительные диссипативные потери мощности допускает источник электроэнергии объемом, не превыможно выразить через относительные потери энергии шающим 10-1 m3 и с уровнем потерь энергии, не токов утечки. Поэтому полные относительные потери превышающим P 10-2. Для этой цели потребуется энергии в рассматриваемом методе будут P = Py + P, бак-конденсатор с некоторой Cb емкостью, способный т. е.

запастись максимальной энергией E0 = 4.8·103 kWh. ТоT P = 3.6. (4) гда, согласно (5) и (6), бак-конденсатор должен обладать c диэлектриком, yдовлетворяющим требования Выражение (4) показывает, что диэлектрики в конден(rU0 ) 4 · 1022 (V/m)2, (7) саторах Cb и C будут всегда находиться в неперегруженных состояниях и опасаться утраты ими диэлектрических (r) 4 · 1018 · m. (8) свойств и других неприятностей вследствие их перегрева нет оснований.

Эти требования являются довольно жесткими. Учиты5. Полученные результаты позволяют сформулировать вая прогресс в области техники создания новых типов необходимые требования к диэлектрикам. Введем с этой диэлектриков [11], можно надеяться на то, что в скоцелью параметры (, ) и (rU0 ), которые удобны для ром времени диэлектрики, удовлетворяющие отмеченописания электрических характеристик диэлектрика в ным выше требованиям (7) и (8), будут созданы. Что рассматриваемой задаче.

же касается других случаев, то там, где объем не очень Так как c = 0r, то с учетом (4) находим, что критичен, вполне могут оказаться пригодными для этой (r) =3.6T /(0P) =4 · 1011T/P (мы воспользовались цели уже существующие диэлектрики [9–11], которые здесь значением 0 = 8.854 · 10-12 F/m). В настоящее время относительные потери на уровне P 10-2 обладают на два порядка меньшими значениями мер прочности (7) и качества (8).

считаются малыми и для широкой практики являются очень хорошими. В этом случае (r) =4 · 1013T. Это В заключение авторы приносят искреннюю благосоотношение показывает, каким значениям параметров дарность А.А. Рухадзе и А.Н. Довбне за действенную r и должна удовлетворять среда между обкладками поддержку и интерес к данной работе.

9 Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 132 Д.И. Адейшвили, В.П. Кортхонджия, Н.Ф. Шульга Список литературы [1] Адейшвили Д.И., Кортхонджия В.П., Шульга Н.Ф. // ЖТФ. 1999. Т. 69. Вып. 8. С. 118–121.

[2] Сканави Г.И. Физика диэлектриков (Область слабых полей). М.: Гостехиздат, 1949. 500 с.

[3] Сканави Г.И. Физика диэлектриков (Область сильных полей). М.: Физматгиз, 1958. 908 с.

[4] Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.:

Энергоатомиздат, 1982. 320 с.

[5] Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. Л.: Энергия, 1969. 592 с.

[6] Франц В. Пробой диэлектриков. Пер. с нем. М.: ИЛ, 1961.

208 с.

[7] Воробьев А.А., Завадовская Е.К. Электрическая прочность твердых диэлектриков. М.: ГТТЛ, 1956. 312 с.

[8] Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М.: Высшая школа, 1966. 224 с.

[9] Таблицы физических величин. Справочник / Под ред.

И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

[10] Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

[11] Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Т. 1, 2.

М.: Энергоатомиздат, 1986, 1987. Т. 3. Л.: Энергоатомиздат, 1988.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.