Автономное энергоснабжение должно быть комплексным: Автономное энергообеспечение — независимость от поставщиков энергии

Содержание

Автономное энергообеспечение — независимость от поставщиков энергии

О проблеме автономного энергообеспечения малых объектов

Проблема автономного энергообеспечения малых объектов – а это индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма и т. д. – становится всё более актуальной. Она имеет прямое отношение и к выживанию ещё сохранившихся сельских поселений, и к освоению новых территорий, к вопросу занятости населения и, конечно же, к сохранению окружающей среды. Да и экономика энергоснабжения объектов даже в зоне доступности к инженерным сетям с каждым годом всё настойчивее принуждает к поиску альтернативных путей. Подтверждением тому является возрастающий интерес к решению этой задачи как со стороны специалистов в данной области, так и просто энтузиастов в практическом освоении альтернативной энергетики.

Однако, как показывает опыт использования самых разнообразных технических устройств, как собственного изготовления, так и промышленного – отечественного либо зарубежного (в основном – китайского), на сегодняшнем этапе нет удовлетворительных примеров автономного комплексного энергоснабжения даже малых объектов.

В лучшем случае встречаются удачные решения по бесперебойному электроснабжению потребителей и то только при небольших нагрузках. А уж о стабильном автономном теплоснабжении от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) без тепловых её накопителей говорить не приходится.

Анализ всевозможных вариантов решения рассматриваемой проблемы убеждает, что автономное энергоснабжение от ВИЭ должно быть комплексным. Это – не только полная независимость от поставщиков энергии с их ценовым и правовым произволом, от аварийных и плановых, а также «веерных» отключений, но и оптимальное решение в смысле минимизации капитальных и эксплуатационных затрат, а также предельно высокая эффективность использования природных энергоресурсов. И если первые из упомянутых аргументов не нуждаются в пояснениях, то последние рассмотрим поподробнее.

За основную модель энерго-инфраструктурного комплекса для малых объектов примем «Пример комплексного энергоснабжения объектов от ВИЭ», являющийся приложением к статье «К разумной энергетике». Главным отличительным признаком этого варианта является наличие в нём теплового аккумулятора – накопителя тепловой энергии.

Разработано очень много конструкций тепловых аккумуляторов, отличающихся и по исполнению, и по виду используемого материала, и по энергоёмкости – вплоть до сезонного теплоснабжения крупных объектов. Они просты по своему устройству, состоят из недорогих и доступных материалов и практически не требуют никакого обслуживания. Для создания в них теплового резерва разработаны различные преобразователи солнечной, ветровой, волновой – то есть возобновляемой энергии. О них поговорим позже.

Вопрос теплоснабжения жилья, разных подсобных и хозяйственных объектов, теплиц и т. д. здесь решается просто. Более серьёзного внимания требует решение вопроса преобразования тепла в электрическую энергию: известные паросиловые агрегаты из-за своей сложности, небезопасности и низкой эффективности здесь заведомо не годятся, а уж о термопарах и говорить нечего.

В упомянутом «Примере» приводится тепломеханический преобразователь по патенту RU №2442906, 2012 г. Он прост в изготовлении, безопасен в эксплуатации, легко вписывается в схему автоматического управления. Но при использовании для его теплочувствительных элементов (ТЧЭ) обычных дюралевых труб реальный КПД будет ниже «паровозного». Конечно, при утилизации сбрасываемого им тепла на отопительные цели (по ниже приведенной блок-схеме) общий к.п.д. системы энергоснабжения остаётся очень высоким, однако соотношение затрат тепла – на обогрев и электроснабжение – может оказаться невыгодным.

Сейчас уже созданы новые материалы, позволяющие изготовить теплочувствительные элементы с улучшенными механическими свойствами и таким образом повысить в разы к.п.д. преобразователя, но эти материалы пока отсутствуют в широком доступе.

С учетом этих обстоятельств был разработан более совершенный компактный тепломеханический преобразователь с более высоким (по крайней мере – на порядок) КПД., чем у выше рассмотренного. При этом он также безопасен и практически не требует никакого обслуживания. Но для освоения его производства должны быть соответствующие производственные условия, а также выполнение определенных формальностей, связанных с патентованием этой модели.

Однако вернёмся к первичным преобразователям возобновляемой энергии. В описаниях упомянутых в «Примере» ветротепловых установок (ВТУ) указаны их главные достоинства: безопасность при всякой погоде и на всей прилегающей территории (т. е. отсутствие «опасной зоны»), способность надежно работать в широком диапазоне ветровых нагрузок, оптимальная динамика работы за счет строгой согласованности силовых характеристик ветроколеса и теплогенератора, защита от запредельных режимов, а также вполне приемлемые капитальные затраты, сопоставимые со стоимостью системы отопления подобных объектов с подключением к газовой сети. Одна – наиболее простая по конструкции – установка схематично показана на рис. 1. У неё такой же ветряк, как у ВТУ по патенту РФ №2253041, а теплогенератор конструкционно совмещен с теплоаккумулятором.

Но более перспективной представляется «Парусная импульсная ветроустановка» (патент РФ №2469209), опять же в варианте с тепловым преобразованием энергии: она вообще не имеет вращающихся органов, сохраняет свою работоспособность даже в экстремальных ветровых условиях, обладает свойством самооптимизации режима работы во всем диапазоне ветровых нагрузок и, таким образом, может быть использована на территории с самой плотной застройкой.

Что касается солнечных коллекторов, то хотелось бы остановиться на самых простых вариантах их конструкции, один из них показан на рис. 2.

 

Разработан и «Солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель» — патент РФ № 2535193, не требующий электроэнергии для циркуляции теплоносителя и ориентации абсорбера на источник излучения, а также солнечные коллекторы с защитой от атмосферных осадков (в т.ч. града, снега и гололёда, доставляющих много хлопот при их эксплуатации).

Для автономного энергоснабжения малых объектов на побережьях создан «Импульсный преобразователь волновой энергии» — патент РФ № 2374485.

В заключение следует привести пару примеров комплексного энергоснабжения с краткими пояснениями их практического исполнения.

При выборе вариантов за основу были приняты следующие соображения:

  • требование бесперебойности энергообеспечения объектов даже в самые холодные зимы;
  • целесообразность начать освоение этого нового направления (т. е. с использованием энергоёмких теплоаккумуляторов) с самых простейших конструкций;
  • необходимость обеспечения полной безопасности ветроустановок, позволяющей использовать их на ограниченных земельных участках, где исключена возможность отчуждения территории под «опасную зону», а также максимальное снижение уровня причиняемого дискомфорта;
  • сведéние к минимуму капитальных затрат и эксплуатационных издержек.

В соответствии с этим были выбраны по одному варианту для каждого вида ВИЭ, которые, кстати, в ниже описанном исполнении ещё не апробированы. При этом в качестве теплоносителя используется воздух, что позволяет максимально упростить всю систему теплоснабжения и обеспечить её надежность при любой погоде.

1. Вариант с ветротепловой установкой

Первичным преобразователем ветровой энергии в этом варианте принята упрощенная установка, предназначенная для совместной работы с простейшим галечным аккумулятором (такой вариант упоминается в «Примере комплексного энергоснабжения объектов от ВИЭ»).

Используется принцип аэродинамического нагрева (как в аэродинамической сушильной камере, только вместо просушиваемого материала здесь воздухопроницаемый экологически чистый накопитель тепла – промытый гравий, мелкий булыжник и т.п.). Мощный осевой вентилятор с меняющимся углом поворота лопастей создает возможность автоматического регулирования нагрузки на ветроколесо, чем обеспечивается его вращение практически с постоянной скоростью при любом напоре ветра в расчетном интервале. Предусмотрена защита от запредельных режимов, от опасной вибрации (в этом случае автоматическое повторное включение исключено), а при наличии потенциальной опасности – и от шквальных ударов ветра. Конструкция лопастей и их креплений исключает возможность разрушения ветроколеса с потерей его фрагментов. Таким образом, «опасной зоны» не существует.

Над теплоаккумулятором, занимающем определённую площадь, целесообразно разместить теплицу (оранжерею) или какую-либо хозяйственную постройку: кухню, баню либо сушилку. Здесь же можно расположить и предусмотренную в «Примере» микроТЭЦ. Отопление помещений обеспечивается потоком тёплого воздуха от контура охлаждения теплочувствительных элементов тепломеханического преобразователя (ТМП). При повышенной потребности тепла можно замкнуть этот контур и даже добавить тепло прямо от теплоаккумулятора. Поток теплого воздуха пропускается под полом, а выход его предусмотрен по внутреннему периметру наружных стен – за плинтусом через специально оставленную щель в 2 – 3 мм. В результате имеем очень тёплые полы и никаких труб и батарей!

Постоянство частоты вращения вала ТМП (а, следовательно, и электрогенератора) обеспечивается автоматическим регулированием подачи теплоносителя в контур нагрева ТЧЭ.

Вариант ВТУ описанной системы показан на рис.1 выше.

2. Вариант с солнечным нагревателем

Простейшим техническим решением системы с использованием солнечной энергии мог бы стать вариант с размещением предельно упрощенного солнечного коллектора на одном либо двух соседних скатах кровли. При строительстве новых помещений такие, но конструктивно усиленные коллекторы, целесообразно использовать как элементы конструкции крыши, установив их под оптимальным углом наклона (для географической широты средней полосы России — с учетом солнечного склонения в зимнее время – около 30 град. к вертикали).

В качестве теплоаккумулятора следует принять такой же галечный накопитель, однако предпочтительной конструкцией его была бы известная разновидность «теплоаккумулятор СТЕНА», которая примыкает к «глухой» стенке помещения.

Стационарный теплоаккумулятор СТЭ типа «Стена»

В варианте представленного комплекса имеется, однако, один существенный недостаток. При всем удобстве использования «твердых» накопителей тепла теплоемкость материала в 3 – 4 раза ниже, чем у воды. Если при аэродинамическом нагреве его общую теплоёмкость можно увеличить за счёт повышенной температуры нагрева, то в рассматриваемом солнечном варианте такая возможность ограничена, а, следовательно, потребуется увеличение объема и габаритов теплоаккумулятора, при этом не будет оптимальной и температура отбираемого воздуха для работы ТМП и некоторых других целей. Выход представляется в замене обычного коллектора на такой же простейший солнечный нагреватель, но с большей концентрацией лучей и с защитой от атмосферных осадков, (он сейчас проходит экспертизу в Роспатенте). С помощью такого нагревателя можно поднять температуру в аккумуляторе выше 200 oС, обеспечив запас тепла, соизмеримый с энергоёмкостью жидкостного теплоаккумулятора такого же объёма.

Пример простейшей конструкции «встроенного» плоского солнечного коллектора представлен на рис. 2. Для повышения интенсивности облучения абсорбера в зимнее время здесь предусмотрен дополнительный козырек с отражающими нижней и боковыми поверхностями. В холодные сезоны он практически удвоит эффективность коллектора, а с повышением солнца над горизонтом в летнее время этот дополнительный эффект снижается до минимума.

Отражатели – металлические листы с зеркальной поверхностью. Абсорбером служит также лёгкий листовой прокат, освещаемая сторона которого имеет селективное покрытие. Защитное покрытие коллектора – структурные листы поликарбоната, трубопроводов – известные тонкопленочные теплоизоляционные покрытия. Каркас с нижним и верхним каналами для протока теплоносителя сварен из труб, например, прямоугольного сечения.

Остается напомнить, что описания патентов можно найти в открытых реестрах ФИПС.

Н. Ясаков, Новороссийск

Автономное энергоснабжение загородного дома, дачи или коттеджа

С каждым днем цены на энергию возрастают все больше. Приходится экономить. Многие пересчитывают электрические лампочки и стараются не включать свет без необходимости. Другие заменяют обычные лампы накаливания на энергосберегающие лампы ДРЛ или светодиодные – все с той же целью экономии электроэнергии. Но хуже всего приходится владельцам частных домов – как ни экономь, а расходы на энергию все равно велики. И все больше домовладельцев приходит к выводу: пора организовывать автономное энергоснабжение, чтобы не зависеть от активно крутящегося чужого счетчика.

Первый вариант

Но вот что интересно: стараясь организовать автономное энергоснабжение, многие владельцы частных домов всего лишь меняют шило на мыло. Для получения электроэнергии используются бензиновые и дизельные генераторы – а это фактически то же самое, что и подключение к общей электрической сети, ведь приходится приобретать топливо. Причем, такая псевдо-автономия создает еще и определенные неудобства: при подключении к поселковой линии домовладелец получает готовое электричество, а вся возня с углеводородным топливом осуществляется на электростанции, а при организации электроснабжения с помощью дизельных и бензиновых генераторов приходится самому «добывать» электричество, используя углеводородное топливо.

Кроме того, топливо для генераторов требует места для хранения, соблюдения определенных условий безопасности (особенно это касается газовых генераторов). А зависимость от поставщиков энергии так и не исчезает.

Опять же, организуя автономное энергоснабжение, многие склонны забывать, что энергия бывает не только электрической, и для комфортного проживания в доме необходимо еще и тепло. То есть, автономное энергоснабжение – это не автономное электроснабжение, но – автономное электроснабжение и теплоснабжение одновременно. А различные отопительные системы требуют топлива, которое, опять же, необходимо где-то покупать. Даже обычная печь в наше время не позволяет организовать автономное теплоснабжение – дрова не валяются на улице бесплатно.

Таким образом, мы приходим к простой мысли: используя традиционную энергетику невозможно достичь настоящей автономии в энергоснабжении. Напротив, бестопливная энергетика предоставляет широкие возможности.

Новые возможности

В последнее время активно пропагандируются и внедряются разнообразные устройства для получения биогаза. Состав биогаза аналогичен составу природного газа, но добывается он путем анаэробного (бескислородного) сбраживания органического сырья, откуда и получил свое название. Применение биогаза в индивидуальном хозяйстве выглядит очень даже привлекательно: это позволяет обеспечить и теплоснабжение, и энергоснабжение, тем более, что стандартные газовые электрогенераторы могут работать на биогазе.

Однако, биогазовая установка может обеспечить автономию в энергоснабжении только в том случае, если в хозяйстве имеется собственный источник сырья (к примеру, если речь идет о животноводческой ферме и так далее). Если же такого источника нет, то сырье приходится приобретать, а это уже означает отсутствие автономии.

К тому же, подобный вариант энергоснабжения никак нельзя назвать бестопливным. Фактически тут речь идет о том, что сначала нужно выработать собственными силами топливо, а затем на этом топливе будет работать оборудование для получения электрической и тепловой энергии. Если же говорить об индивидуальных хозяйствах, то оптимальным вариантом является именно бестопливная энергетика, которая способна обеспечить настоящую автономию без каких-либо дополнительных условий.

Гидроэнергетика на данный момент является наиболее развитой областью бестопливной энергетики – энергию воды человечество использует с давних пор. Но до недавнего времени гидроэлектростанции представляли собой монументальные сооружения, предназначенные для промышленного производства электроэнергии. Небольшие ГЭС, вырабатывающие до 20 кВт электроэнергии, разрабатывались и изготавливались в единичных экземплярах, в основном кустарным способом.

В последнее время на рынке появились мини-гидроэлектростанции (мини-ГЭС), способные работать практически при любой глубине и скорости водного потока, в том числе и в мелких ручьях. Такие мини-ГЭС отлично зарекомендовали себя для организации автономного электроснабжения загородных домов. Самым существенным минусом данной технологии является необходимость доступа к водным ресурсам, что означает не только наличие водоема в шаговой доступности, но и получение всех разрешительных и согласовательных документов. Кроме того, производительность мини-ГЭС существенно зависит от времени года, климатических условий, даже от времени суток. В некоторых случаях мини-ГЭС может работать только сезонно, так как доступный водоем либо промерзает до дна в холодное время года, либо полностью пересыхает в летнюю жару. Однако, использование мини-ГЭС в сочетании с другими источниками энергии, весьма перспективно и желательно.

Использование гелиоэнергетики для организации автономного энергоснабжения не требует никакой разрешительной документации. Достаточно иметь место для размещения гелиопанелей. Основной проблемой для использования этого варианта получения энергии является недостаточный уровень инсоляции – в большинстве регионов России его попросту не хватает для получения энергии в нужном количестве. К тому же, уровень инсоляции изменяется в течение суток, зависит от времени года и широты местности. На него оказывают влияние также и погодные условия. Поэтому гелиоэнергетику в применении к автономному энергоснабжению пока не приходится считать надежной. Однако, она хорошо зарекомендовала себя при использовании в сочетании с другими способами получения энергии (например, в сочетании с ветро- и/или гидроэнергетикой).

С ветроэнергетикой человечество знакомо так же долго, как и с использованием энергии воды. Ветроресурсы всегда были доступны любому. Ветряные мельницы – это первые «ласточки» энергоснабжения. Фактически достаточно добавить к такой мельнице генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую, и мы получаем ветроэлектрогенератор.

В настоящее время существуют различные модификации ветрогенераторов, работающих как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Ветрогенераторы выпускаются серийно, одни из них предназначены для промышленного производства энергии, другие могут быть использованы для организации автономного энергоснабжения отдельного дома и/или хозяйства (в зависимости от мощности). Казалось бы, никаких препятствий к развитию ветроэнергетики и активному внедрению ветрогенераторов нет. Ведь что-что, а ветер – это доступный каждому ресурс. Да и простота изготовления небольших ветрогенераторов привлекает – его можно изготовить практически в домашних условиях, обладая минимальными навыками и набором оборудования.

Не все так просто

Нужная для эффективной выработки энергии скорость ветра имеется отнюдь не в каждом регионе. На производительность ветрогенераторов оказывает влияние и широта местности, и время года, и даже время суток. Кроме того, следует учитывать высоту мачты – чем выше, тем больше скорость ветра, но в то же время дороже оборудование и сложнее в обслуживании, а также некоторые ограничения экологического характера (например, работающие ветрогенераторы привлекают птиц, которые гибнут под ударами лопастей).

Ветрогенераторы требуют для своего расположения наличия свободного пространства – любое препятствие (дом, дерево, столб и так далее) снижает скорость ветра. Располагать же ветрогенераторы на крышах домов не рекомендуется – ведь ни один здравомыслящий человек не станет жить под линией электропередач (исключение составляют маломощные ветрогенераторы, используемые, к примеру, для освещения дачных домиков). И приходится сделать вывод, что и ветрогенераторы не являются панацеей от энергетических проблем.

В то же время, в сочетании с другими видами нетрадиционной энергетики (например, с гелиоэнергетикой), ветрогенераторы зарекомендовали себя очень хорошо. Они позволяют обеспечить настоящую автономию энергоснабжения, полную независимость от внешних поставщиков энергии.

Пока речь шла о достаточно традиционных вариантах «нетрадиционной энергетики», о вариантах, хорошо знакомых каждому. Но энергетика развивается. Над разнообразными бестопливными источниками энергии работают как коллективы ученых, так и народные умельцы, энтузиасты-любители. И все больше появляется сообщений о создании удивительных устройств, способных вырабатывать электрическую и/или тепловую энергию, не используя при этом никакого топлива. Говорят о генераторе Тесла и других нестандартных видах получения энергии. Причем, большинство таких сообщений подтверждается работающими образцами электрогенераторов.

Так что в ближайшем будущем стоит ожидать настоящий всплеск различных разработок в области бестопливной энергетики, промышленный выпуск разнообразных вариантов генераторов, берущих энергию чуть не из эфира (как утверждал тот же Николо Тесла). И вот тогда монополия на энергоресурсы станет вчерашним днем, а каждый сможет обзавестись собственной энергоустановкой, не зависящей ни от кого.

Тем же, кто не хочет ждать светлого завтра, а желает получить энергетическую автономию прямо здесь и сейчас, рекомендуется обратить внимание на то, что предлагает сейчас бестопливная энергетика – мини-ГЭС, гелиопанели, ветрогенераторы. Разумное сочетание подобного оборудования даст нужный результат, обеспечив автономное энергоснабжение дома и/или хозяйства.

С. Варган

Пример организации полностью автономного энергоснабжения:

Автономное энергоснабжение частного дома должно быть комплексным

Автономное энергоснабжение на основе двигателя-генератора Стирлинга.

 

На основе двигателя-генератора Стирлинга созданы блок-контейнерные электростанции, предназначенные для автономной генерации тепловой и электрической энергии, в целях бесперебойного обеспечения электрической и тепловой энергией временных или стационарных объектов, предприятий, зданий, жилых домов, сооружений в местах отсутствия центральных электросетей.

 

 

Описание

Преимущества

 

Описание:

До недавнего времени автономное энергоснабжение использовало традиционные тепломеханические агрегаты, которые удовлетворяли существующему уровню развития общества и техники и экологическим требованиям (дизель-генераторы и пр.). Одним из перспективных путей в решении экологических и энергетических проблем, а также повышения КПД используемых традиционных решений является разработка и внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга, – двигателей-генераторов Стирлинга.

Свободнопоршневой двигатель-генератор (машина) Стирлинга – это тепловая машина, работа которой основана на подводе внешнего тепла к одной его области (область нагрева) и охлаждению другой его области (область охлаждения). Работа в нем совершается при циклическом движении поршня из области с высоким давлением в область с низким давлением. Цикличность движений поршня задается за счет соосного с ним и двигающегося вытеснителя, который периодически перемещает рабочее тело из области нагрева в область охлаждения и обратно.

Свободнопоршневой двигатель является полностью не обслуживаемым устройством в течение всего срока службы. У него отсутствует система смазки, а конструкция является полностью герметичной и не предназначена для разборки в течение всего срока службы.

Тепло к двигателю подводится от внешней горелки, работающей от газа низкого давления, либо от жидких или твердых видов топлива. Ресурсные показатели двигателя не зависят от степени его нагрузки.

На основе двигателя-генератора Стирлинга созданы блок-контейнерные электростанции, предназначенные  для автономной генерации тепловой и электрической энергии, в целях бесперебойного обеспечения электрической и тепловой энергией временных или стационарных объектов, предприятий, зданий, жилых домов, сооружений в местах отсутствия центральных электросетей.

 

Преимущества:

К преимуществам двигателям-генераторам (машин) Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышленности и техники как источника автономного энергоснабжения:

– широкая универсальность самого термодинамического цикла, позволяющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобразователи прямого цикла, так и обратного цикла,

наивысшая энергетическая эффективность (теоретический КПД цикла идеальной машины Стирлинга равен КПД цикла Карно, практический КПД – до 48%),

– высокая степень экологической чистоты как самих машин, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации,

возможность применения местного сырья и нетрадиционных источников тепла: солнечной радиации, природного газа, торфа, угля и т. д.,

– отсутствуют ограничения по количеству пусков,

бесшумность работы,

– ресурс до 100 тыс. часов,

отсутствие необходимости в периодическом техническом обслуживании,

– быстрое время развертывания и выхода на режим,

возможность параллельного соединения нескольких модулей для увеличения мощности или повышения надежности,

– отсутствие необходимости в замене масла/смазывающей жидкости.

 

Найти что-нибудь еще?

Похожие записи:

карта сайта

автономная система энергоснабжения жилого дома
автономного солнечного энергоснабжения
автономное альтернативное энергоснабжение
автономное энергоснабжение дачи должно быть комплексным
автономное энергоснабжение дома своими руками
автономное энергоснабжение загородного дома
автономное энергоснабжение солнечных батареях сочи частного дома
автономные комплексов энергоснабжения
автономные системы энергоснабжения новокузнецк
автономный источник энергоснабжения
аккумулятор для автономного энергоснабжения
ооо предприятие технологии автономного энергоснабжения
системы автономного энергоснабжения

 

Коэффициент востребованности 326

Автономное энергоснабжение от ВИЭ целого поселения стало реальным

Автономное энергоснабжение от ВИЭ целого поселения стало реальным

В ранее опубликованной в Интернете статье «Автономному дому – свою микро-ТЭЦ» показан

пример энергоснабжения «малых» объектов с помощью единой энергоустановки – микро-ТЭЦ, работающей

по гибридной схеме от возобновляемых энергоисточников. Приводом электрогенератора в ней является

паротурбинный блок. Однако позднее для подобных целей был специально разработан твёрдотельный

безроторный тепломеханический преобразователь (ТМП) с рекуперацией тепловой энергии. Конструкция

его предельно простая. К тому же, он может работать и при температуре в теплоаккумуляторе ниже 100°С,

что значительно расширяет временной интервал использования теплоаккумулятора без пополнения его

энергоресурса. Ниже мы подробно остановимся на конструкции этого ТМП. А теперь же отметим, что

разговор в этой статье касался комплексного автономного энергоснабжения только небольших

объектов. А вот теперь – с появлением нового изобретения (патент РФ № 2643877, 2018 г.) – можно

продолжить его уже в несколько расширенном плане. Если взять, например, небольшое поселение,

садовое общество, аграрный комплекс, некрупный производственный объект, то масштабы

потребления энергии будут во много раз больше по сравнению с мощностью рассмотренной микро-

ТЭЦ. Но и такую потребность при стабильном энергоснабжении можно удовлетворить с помощью

представленной мини-ТЭЦ с сезонным теплоаккумулятором, работающей на возобновляемых

источниках энергии (ВИЭ), самыми доступными из которых являются солнце, ветер, горные реки.

Касаясь проблемы обеспечения бесперебойности энергоснабжения потребителей, следует

сказать, что непостоянство источников энергии относится не только к солнечной радиации и

ветровому потоку, но и к стоку горных рек, создание на которых маломощных бесплотинных ГЭС

является вполне посильным даже для небольшого сообщества потребителей энергии.

При возрастающих в наше время темпах освоения возобновляемых энергоисточников

использование относительно мощных энергоустановок с учётом непостоянства этих источников

сопряжено в основном с двумя проблемами: отсутствием разработанных образцов недорогих

энергоёмких (сезонных) тепловых аккумуляторов (ТА) и мощных тепломеханических

преобразователей (ТМП) для привода электрогенератора, рассчитанных на использование более

низкой температуры рабочего тела, чем в традиционных паровых машинах.

Что касается первой проблемы, то в настоящее время уже есть примеры мощных тепло-

аккумуляторов. В известном, например, ТА солнечной установки на 10 МВт в г. Барстоу (США)

аккумулирующий резервуар сделан в виде цилиндрического сосуда объемом 3058 куб. м,

аккумулирующая среда создана из гранитной щебенки массой 6100 т, а в качестве теплоносителя

используется масло в объеме 712 куб. м. Сосуд аккумулятора заряжается острым паром при

температуре 510° С, которая при этом снижается до 348° С. В режиме разрядки питательная вода с

температурой 127° С поступает в разрядный теплообменник, где образуется слегка перегретый пар,

имеющий температуру 277° С и давление 2,7 МПа, который направляется к турбине.

Описанный ТА с указанной энергоёмкостью при таком отборе тепла всё-таки не может

работать в режиме сезонного аккумулятора, а стоимость его очень высокая.

Известны аккумуляторы солнечной энергии, резервуаром в которых является полость в

скальных породах, содержащая до 100 тыс. куб. м воды, имеющая кольцевую форму и не

теплоизолированная. Прилежащие к полости слои скальной породы принимают участие в тепловом

аккумулировании энергии¹.

Сдерживающим фактором в широком освоении таких ТА являются их высокая стоимость, а

также ограниченность распространения пригодных для них геологических формаций.

Концепция в создании недорогих сезонных теплоаккумуляторов с энергоресурсом,

достаточным для обеспечения бесперебойной работы упомянутой мини-ТЭЦ при самых

неблагоприятных погодных условиях, основана на использовании естественного грунта в качестве

теплоаккумулирующей среды.

Метод расчёта грунтового ТА с «открытым дном» изложен в Интернете², где рассмотрен

тепловой аккумулятор объёмом, равным площади занимаемого им участка, умноженной на

усредненную глубину воздухопроницаемого пласта до подстилающих водоупорных пород.

Другая проблема состоит в том, что для работы известных паровых турбин, где рабочим

телом служит вода, требуется высокая температура, которую не просто получить от ВИЭ, а тем

более — сохранить длительное время в теплоаккумуляторах.

В нашей мини-ТЭЦ привод электрогенератора может работать при температуре рабочего

тела ниже 100°С, что решает указанную проблему. Из всех известных тепломеханических

преобразователей такого класса в эту мини-ТЭЦ, как и в ранее рассмотренную микро-ТЭЦ,

наилучшим образом вписываются упомянутые выше безроторные ТМП.

Что касается первичных преобразователей возобновляемых энергоресурсов, то в качестве

солнечных коллекторов можно использовать очень эффективный коллектор-приёмник оптического

излучения (патент РФ № 2269726, 2006.), солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель

(патент РФ № 2535193, 2014.), солнечный нагреватель с защитой от атмосферных осадков (патент

РФ № 2569423, 2015.), многозеркальная гелиоустановка с общим приводом системы ориентации

(патент РФ № 2661169, 2018.) и другие солнечные нагреватели с давлением нагретого воздуха,

достаточным для прокачки через сухой грунт теплоаккумулятора.

Ветро- и гидротурбины должны быть оснащены компрессорами, работающими так же в

замкнутом контуре. Кстати, в этом плане есть принципиально новые технические решения, как,

например, вихревая гидротурбина (патент РФ № 2659837, 2018.), а также конвейерная

ветроустановка (патент РФ № 2667860 , 2018.).

Важным отличием их компрессоров является отсутствие охлаждающего оребрения и обдува.

Более того, они имеют хорошую «адиабатную» теплоизоляцию, чтобы всё создаваемое ими тепло

сбрасывалось воздушным потоком в теплоаккумулятор.

Далее рассмотрим устройство всего сооружения. Участок под теплоаккумулятор следует

выбрать на ровной местности с залегающими на приемлемой глубине водоупорными пластами.

Теплоаккумулирующий грунт в просушенном виде должен быть воздухопроницаемым. Особых

требований к его экологичности не предъявляется, поскольку циркуляция теплоносителя

происходит в замкнутых контурах.

Мощный теплоаккумулирующий пласт 1 (рис. 1) естественного грунта, расположенный в

теплогидроизолированном верхней кровлей 2 и граничной стенкой 3 пространстве, контактирует

внизу с водоупорным (скальным) подстилающим пластом

расположенными породами составляет «подошву» теплоаккумулятора и является «открытым дном»

в расчёте его теплового баланса. Под верхней кровлей 2 имеются каналы — коллекторы 5, между

ними расположены экраны 6 для лучшего распределения потока теплоносителя, а также как

промежуточные опоры самой кровли. В центральной части теплоаккумулятора предусмотрены

полости 7, где могут быть установлены приводы 8 электрогенераторов.

Над теплоаккумулятором можно разместить солнечные коллекторы, ветроустановки,

теплицы и другие лёгкие сооружения.

Предельный тепловой ресурс теплоаккумулятора зависит от суммарного сброса в него тепла.

Для солнечной энергии в умеренных широтах интервал времени с достаточной эффективностью,

как правило, составляет 5 месяцев (в северном полушарии — с мая по сентябрь), другие ВИЭ

учитываются по местным условиям.

Относительное изменение температурной амплитуды равно\

Эта формула показывает, что основное тепло сосредоточено в верхней (утеплённой) части

теплоаккумулятора. И очень быстро убывает вниз. При этом необходимо учесть следующие

обстоятельства: потери тепла через нижерасположенные горизонты будут повышенными только в

первые годы эксплуатации ТА, затем (через 2 ─ 3 года) по мере прогревания этих горизонтов

потери резко сократятся и, в зависимости от теплопроводности пород, составят в полугодие не

более 30% начального запаса. Следовательно, основная часть тепла, накопленного главным образом

за летний период, может быть использована на отопление, горячее водоснабжение и на

производство электроэнергии.

При этом следует учесть, что в самый начальный период зарядки ТА много тепла

израсходуется на просушку его теплоаккумулирующего слоя (при разомкнутых контурах

первичных преобразователей), однако, поскольку в нормальном режиме работы микро-ТЭЦ этот

слой изолирован от окружающей среды, увлажнение грунта в дальнейшем исключено, поэтому

впредь таких теплопотерь не будет.

Итак, созданный первичными преобразователями возобновляемой энергии запас тепла

частично расходуется на производство электроэнергии. Вся не преобразованная в механическую

энергию, необходимую для работы электрогенератора, тепловая энергия сбрасывается в теплосеть.

Сам этот контур непосредственной связи с нагретым пространством ТА не имеет.

Дефицит тепловой энергии для её потребителей может быть восполнен по отдельным

каналам от ТА через теплообменники.

Таким образом, грамотно обустроенный теплоаккумулятор обеспечит надежную работу

мини-ТЭЦ в любое время года и при минимальных эксплуатационных издержках.

Как было сказано выше, в качестве привода электрогенераторов могут быть использованы

наиболее совершенные «беспаровые» ТМП. В нашей мини-ТЭЦ их может быть несколько. Это

необходимо как для увеличения общей мощности, так и для создания резерва, необходимого в

целях обеспечения бесперебойного электроснабжения.

Что касается использования «беспаровых» ТМП, следует упомянуть первый из них — по патенту RU

№2442906, 2012 г. Его более совершенный аналог — компактный ТМП с жидкостным рабочим телом (по

патенту RU №2613337, 2017.) – имеет по сравнению с первым повышенный к.п.д. (по крайней мере – на

порядок!) при уменьшенных (в разы) габаритах. Следующий — «Русский двигатель», (патент РФ № 2623728,

2017.), — отличается тем, что его ротор выполнен в виде цилиндрического биметаллического барабана,

посаженного на упругую втулку с теплообменными каналами, примыкающими к золотниковому устройству,

при этом барабан оснащен контактирующими с его поверхностью роликами. Он компактен, способен, как и

его аналоги, работать в режиме когенерации, имеет систему рекуперации тепловой энергии.

Но все эти преобразователи довольно сложны и могут быть установлены только вне

теплоаккумулятора, а вот вышеупомянутый безроторный ТМП (патент RU № 2636956, 2017.) легко

вписывается в него (снаружи устанавливается только электрогенератор). Сам же ТМП представляет собой

двухслойный металлический барабан с контактирующими с его внешней поверхностью роликами. Этот

тепловой двигатель можно изготовить даже в условиях обычных механических мастерских.

На его конструкции остановимся подробно.

Для начала рассмотрим принцип его работы. На рис. 2 изображён контур цилиндрического

теплочувствительного элемента (ТЧЭ). На рис. 3 обозначен цифрой 1 Он состоит из двух упругих

оболочек 2 и 3 с теплоизолирующим слоем 4 Внутренняя оболочка 2 изготовлена из материала с

высоким коэффициентом теплового расширения. Внешняя оболочка 3 — из металла с малым

тепловым расширением. В свободном состоянии ТЧЭ представляет собой круговой цилиндр. При

его нагревании внутренняя оболочка испытывает напряжение упругого сжатия, однако форма ТЧЭ

не нарушается. Но если, например, три сегмента этой оболочки, расположенные равномерно по

окружности, подвергнуть охлаждению, величина внутренних напряжений в них снизится и ТЧЭ

примет форму — назовём её так условно — «трёхосного» овала, показанного на принципиальном

чертеже сплошной тонкой линией (при этом, для наглядности, деформации преувеличены).

Если теперь свести ролики 5 в положение, где они показаны на этом чертеже сплошной

линией, с дополнительной деформацией указанного овала, он повернётся в положение,

показанное штрих-пунктирной линией, в котором указанная дополнительная его деформация

практически исчезнет.

Если бы зоны нагрева и охлаждения повернулись вместе с овалом, то процесс был бы

закончен. Однако указанные зоны остаются на месте, и вызванное этим обстоятельством

перераспределение температур и внутренних напряжений приведёт к восстановлению прежней

ориентации осей овала при сохранении совершённого поворота самих оболочек. А это снова

вызовет их поворот. И это вращение плавно продолжится, пока сохраняется разность температур в

указанных стабильно расположенных зонах.

Итак, рабочим органом преобразователя является ТЧЭ 1, показанный на рис. 3 утолщенной

линией. В простейшем варианте — это цилиндр, состоящий из двух оболочек: внутренней – 2 и

внешней — 3, связанных теплоизолирующим слоем 4 (см. сечение А-А).

С внешней оболочкой 3 контактируют ролики 5 с кинематической (например, фрикционной)

связью хотя бы одного из них, передающего вращение электрогенератору. Ролики установлены с

возможностью регулировочного синхронного перемещения, как в радиальном, так и в окружном

направлениях.

Нагрев сегментов внутренней — рабочей — оболочки 2 предусмотрен как горячей воздушной

средой аккумулятора (максимальный нагрев), так и потоком, нагретым охлаждаемыми участками

ТЧЭ воздухом (предварительный нагрев). Такая система с рекуперацией тепла обеспечивается

теплообменными камерами 6, стенки которых теплоизолированы, а входные и выходные каналы

соединены с соответствующими коллекторами внешней сети. Торцевые стенки 7 теплообменных

камер 6 плотно прилегают к торцам барабана, а подвижные части этих камер, контактирующие с

его внутренней поверхностью, подпружинены.

На рис. 3 показаны все температурные зоны, а также направления потоков теплоносителей.

Горячий воздух в полости теплоаккумулятора находится в контакте с поверхностью

внутренней оболочки ТМП только на её открытых участках, где теплообменные камеры отходят от

этой поверхности (здесь, кстати сказать, для лучшего теплообмена в рабочем режиме целесообразно

предусмотреть принудительную циркуляцию воздуха).

При отсутствии охлаждающего воздушного потока температура в разных сегментах

оболочки выравнивается, это состояние преобразователя — нерабочее. Включение его в работу

производится подачей охлаждающего потока, который из своего коллектора поступает в зоны

охлаждения и отбирает тепло у сегментов оболочки, примыкающих к входным каналам

теплообменных камер. Далее это тепло переносится потоком в области предварительного нагрева

сегментов ТЧЭ, откуда потоки уже в частично охлажденном состоянии уходят в другой коллектор —

на утилизацию оставшейся тепловой энергии. И только открытые участки внутренней оболочки

получают максимальный нагрев непосредственно от теплоаккумулятора.

При этом реализуются заданные процессы и рекуперации тепла, и работы преобразователя

в режиме когенерации.

Итак, при взаимно независимой работе первичных преобразователей возобновляемой

энергии все они создают запас тепла в грунтовом ТА. При этом энергия, затрачиваемая

нагнетателями на прокачку теплоносителя, используется на аэродинамический нагрев грунта ТА.

Следует заметить, что из его воздухозаборных коллекторов 5 (рис.1) в первичные преобразователи

подается уже нагретый теплоноситель. Здесь он ещё более нагревается и снова поступает в ТА,

прогревая его грунтовый слой во всём его объеме, что обеспечивается более равномерным

распределением воздушного потока в грунте с помощью экранов 6

Распространенность территорий с пригодными для таких теплоаккумуляторов грунтами

позволяет строить описанные мини-ТЭЦ практически в любых регионах, располагающих

достаточным ресурсом возобновляемых источников энергии.

А широкое освоение рассмотренного энергокомплекса позволит не только обеспечить

энергоснабжение многих как существующих, так и вновь создаваемых объектов, но и решать

проблемы сбережения энергоресурсов, занятости населения и защиты окружающей среды.

Н. Ясаков. Новороссийск.

Л и т е р а т у р а и др. источники:

1.Бекман Г., Гилли П., Тепловые аккумулированные энергии. М. Мир, 1987, с.130.

2 См. сайт www.teplodarom.com.

3 Публикация Роспатента от 29.11.2017. Бюл. № 34

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

Организация автономного энергоснабжения на предприятии — № 02 (02) сентябрь 2012 — Тепловая энергетика — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 02 (02) сентябрь 2012

Самый простой вариант – это подключение к централизованным сетям. Для осуществления подключения необходимо обратиться в местную сетевую компанию. Оплатить за технологическое подключение и выполнить технические условия по подключению к сетям, например проложить кабель, установить трансформаторную подстанцию.

С каждым годом осуществление подключения все сложнее, предприятия сталкиваются с проблемами качества энергии, с высокой стоимостью мероприятий по подключению к сетям или отсутствием такой возможности, постоянным ростом тарифов на энергию.

На сегодняшний день все больше предприятий останавливают выбор на автономном отоплении и электроснабжении. Существуют различные варианты – строительство котельной, строительство электростанции на когенерационном оборудовании, которое одновременно вырабатывает электрическую и тепловую энергию, монтаж систем промышленного отопления на базе инфракрасного оборудования и т. д.

Строительство автономного источника энергоснабжения целесообразнее на газовом топливе – это дает возможность окупить инвестиции на оборудование, за счет низкой стоимости газа себестоимость вырабатываемой энергии будет значительно ниже централизованных тарифов.

Работа на угле требует больших дополнительных затрат по обслуживанию и большого количества персонала. Другие виды топлива – мазут, дизель – сравнительно дороже газа.

Сразу хочется уточнить: строительство собственной генерирующей станции не дешевое мероприятие, порой затраты сопоставимы с выполнением мероприятий по осуществлению подключения к централизованным сетям. Конечно, если для подключения вам не нужно построить подстанцию и протянуть пару километров линий электропередачи, в данном случае стоимость строительства собственного энергоцентра будет значительно ниже.

Реализация автономного энергоснабжения на базе современного оборудования позволяет максимально эффективно использовать топливо, исключить потери в сетях, снизить затраты на энерго­снабжение в 2‑3 раза относительно централизованных тарифов.
Остановимся на возможных вариантах подробнее.

Строительство котельной

Самый распространенный вариант – автономное теплоснабжение и горячее водоснабжение от собственной котельной, так как подключение к централизованным тепловым сетям стоит гораздо дороже. Кроме того, за счет максимальной приближенности к объекту отсутствуют потери в сетях, которые также ложатся на потребителей. Себестоимость тепловой энергии, выработанной собственной котельной, ниже тарифов на централизованное теплоснабжение, в результате окупаемость строительства котельной составляет от двух до четырех лет в зависимости от региона. Применяемое при производстве котельных современное оборудование позволяет существенно экономить топливо и получить максимально высокий КПД.

Существует несколько вариантов строительства котельной:
1) поставка блочно-модульной котельной и монтаж на площадке;
2) строительство котельной в капитальном здании.
Безусловно, проще всего и дешевле реализация блочно-модульного решения. Котельная доставляется в полной заводской готовности, срок производства ниже, так как процесс производства уже отработан по стандартным проектам, которые дорабатываются под требования конкретного заказчика. Кроме того, нет необходимости строить капитальное здание. Блочно-модульные котельные имеют все необходимые сертификаты, что значительно упрощает процесс сдачи в эксплуатацию объекта. В зависимости от мощности котельной строительство длится от 1 до 3 месяцев. Возможна реализация блочной котельной как крышной. Для этого котельная должна быть мощностью не более 3 МВт, при численности персонала в здании более 50 человек обязательно должен быть технический этаж между крышей и котельной.

Строительство котельной в капитальном здании рассматривают, если, например, есть старая котельная. В таком случае необходимо осуществить экспертизу существующего здания под размещение нового котельного оборудования.

Системы промышленного отопления

Очень часто мы сталкиваемся с тем, что предприятия не прорабатывают все возможные варианты по организации отопления, а делают стандартные решения. Необходимо отопить? Значит, строим котельную. Например, для производственных помещений огромной площади и высотой потолков более 5 метров строится мощная котельная и монтируются радиаторы отопления. Все мы знаем законы физики: горячий воздух поднимается к потолку, в итоге температура в рабочей зоне помещения ниже нормы. В таких случаях возможна организация системы отопления на базе инфракрасных излучателей и теплогенераторов, которые работают как на газе, так и на дизельном топливе.

Данные системы позволяют максимально эффективно отап­ливать большие здания, при этом не вкладывая средств в строительство котельных и теплотрасс.

Принцип работы инфракрасных излучателей позволяет обогревать даже открытые площадки. Отопление помещения инфракрасными обогревателями происходит почти мгновенно, поэтому нет необходимости в постоянном или предварительном нагреве рабочих помещений, есть возможность снижения температуры в нерабочее время или организовать отопление отдельных зон помещения. Теплогенераторы могут быть применены для обеспечения тепловой завесы, дополнительного теплообмена и движения воздуха.

Как правило, данные решения используются комплексно. Например, сейчас компания «ИТ Синтез» реализует проект эффективного теплоснабжения административного здания и производственного помещения площадью более 14 000 квадратных метров и с высотой потолков более 15 метров. Реализован наиболее энерго- и экономически эффективный вариант организации отопления для каждого помещения – строительство котельной для отопления и горячего водоснабжения административно-бытового здания, а для отопления производственного помещения применены инфракрасные излучатели и теплогенераторы. Данное техническое решение обеспечит эффективное отопление необходимых участков помещения, а также снижение затрат на отопление на 50‑70 процентов по сравнению с традиционными системами конвективного отопления на базе котельной.

Электроснабжение, комплексное энергоснабжение

Для осуществления электроснабжения мы реализуем проекты на базе когенерационных установок: газопоршневых установок (ГПУ) или микротурбинных установок (МТУ).

Данное оборудование одновременно вырабатывает электроэнергию и тепло, при этом достигается КПД более 92 процентов. Таким образом, возможно реализовать мини-теплоэлектростанцию с минимальным расходом топлива и себестоимостью энергии в два-три раза ниже централизованных тарифов. Потребитель получает электроэнергию по низкой себестоимости. Один киловатт электроэнергии стоит от 1 рубля до 1 рубля 25 копеек, включая затраты на топливо и обслуживание генерирующего оборудования. При этом заказчик может бесплатно получать до 2 кВт тепла, а в летнее время, при условии монтажа абсорбционной установки, возможно осуществление кондиционирования помещения.

Конечно, каждый случай индивидуален, перед реализацией проекта мы всегда считаем его окупаемость относительно централизованных тарифов и инвестиций, как правило срок окупаемости составляет от трех до шести лет.

Особенно хотелось бы отметить МТУ. Данные установки удобны в эксплуатации, не требуют обслуживания, в конструкции не предусмотрено использование масла и антифриза. Микротурбинная установка вырабатывает ровно столько электроэнергии, сколько это необходимо в конкретный момент. Таким образом, происходит значительная экономия топлива.

Для МТУ характерен большой срок моторесурса – до 60 тысяч часов, обслуживание один раз в год, которое возможно в рамках заключения сервисного договора на пять или девять лет.

МТУ эластичны к нагрузке от 0 до 100 процентов, отсутствует проблема «сброса излишков», оборудование может непрерывно работать на малой мощности длительное время. У данного оборудования сверхнизкие уровни эмиссий в атмосферу NOx и СO2 – ниже 9 ppm и незначительный уровень шума (65‑70 дБ), практическое отсутствие вибраций.

Следует заметить, что МТУ могут работать как на газе природном, попутном, биогазе, так и на дизельном топливе, авиакеросине и т. д.

Комплексные решения по организации автономного электроснабжения загородного дома

Одним из условий комфортного проживания в частном доме является его энергетическая безопасность, что подразумевает возможность переключения на резервное электроснабжение в случае отключения его подачи от сети. Перед проведением работ по монтажу электропроводки необходимо создать проект по снабжению дома электричеством. Его разработкой должна заниматься организация, имеющая соответствующий разрешительный документ.

 

 

Проект электроснабжения от сети обязан включать в себя следующие элементы:

  • заземляющий контур;
  • кабельный ввод;
  • устройство распределения с приборами учета;
  • групповую сеть (разводку) в доме.

 

Что такое бесперебойное электроснабжение

В местах, где кабельные сети и оборудование на подстанциях имеют определенный износ, возможны перебои с подачей электроэнергии. Из-за внезапного отключения сети могут прекратить работу системы жизнеобеспечения: насос, подающий воду из скважины, отопительный котел и др.

Чтобы избежать подобных ситуаций, большинство владельцев частных домов обеспечивают себя резервными источниками электроснабжения. Ими могут быть дизельные генераторы, ИБП, солнечные батареи или ветряные электростанции.

 

Как подключаются резервные источники

Чтобы запустить генератор при отказе сети, потребуется устройство автоматического включения резерва (АВР) – при его отсутствии придется делать это вручную. АВР при необходимости запускает генератор, отключает неработающую сеть, а после восстановления ее работоспособности отключает электростанцию.

Портативной электростанции, чтобы выйти на рабочие параметры, необходимо определенное время (до 10 минут). Питание приборов в это время обеспечивается батареями ИБП. Также бесперебойник служит для стабилизации электроэнергии, вырабатываемой генератором.

Одна из основных проблем в этом случае – высокая стоимость силовых блоков и аккумуляторов ИБП. Большинство из них являются модульными устройствами, поэтому, изменяя комплектацию, можно добиться их рационального использования. Значительное снижение затрат дает разделение потребителей на группы по требованиям к параметрам электроэнергии. Питание оборудования, критичного к чистоте синусоиды напряжения, можно осуществлять через ИБП, а остального – напрямую от генератора.

В этом ключе возможно реализовать два алгоритма переключения на резервное питание:

·         алгоритм №1

1)      Отключение сети.

2)      Переход на питание от батарей на время, которое они способны выдержать.

3)      Если за это время сеть не восстановилась, происходит запуск электростанции.

4)      После достижения рабочих параметров генератора нагрузка переключается на него. При этом может идти заряд батарей (при желании допускается блокировка этой функции).

5)      После восстановления основной сети происходит переключение на нее, начинается зарядка АКБ и происходит остановка генератора.

·         алгоритм №2

1)      Отключение сети.

2)      Переход на питание от АКБ.

3)      Переключение нагрузки на генератор.

4)      После восстановления централизованного электроснабжения происходит переключение на него.

Преимуществом первого варианта является минимизация времени работы генератора и расходов на топливо. Второй способ дает возможность минимизировать количество аккумуляторных батарей для снижения стоимости оборудования. Однако прежде чем остановиться на каком-то из алгоритмов, рекомендуем Вам провести расчет их экономической целесообразности для использования в Вашем случае.

Упрощение сложной последовательности источников питания

Введение

Последовательность источников питания требуется для микроконтроллеров, FPGA, DSP, ADC и других устройств, которые работают от нескольких шин напряжения. Эти приложения обычно требуют, чтобы ядро ​​и аналоговые блоки были включены до шин цифрового ввода / вывода, хотя для некоторых проектов могут потребоваться другие последовательности. В любом случае правильная последовательность включения и выключения питания может предотвратить как немедленное повреждение от защелкивания, так и долговременное повреждение от электростатического разряда.Кроме того, упорядочение источников питания приводит к смещению пускового тока во время включения, что особенно полезно в приложениях, работающих от источников с ограничением тока.

В этой статье обсуждаются преимущества и недостатки использования дискретных компонентов для последовательного включения источников питания, а также описывается простой, но эффективный метод достижения последовательности с использованием внутренних выводов включения точности ADP5134, который объединяет два понижающих стабилизатора 1,2 А с два LDO на 300 мА. Здесь также показаны некоторые ИС секвенсора, которые могут быть полезны для приложений, требующих более точного и гибкого секвенирования.

На рис. 1 показано приложение, для которого требуется несколько шин питания. Эти шины являются основным источником питания (V CCINT ), источником питания ввода-вывода (V CCO ), вспомогательным источником питания (V CCAUX ) и источником системной памяти.

Рисунок 1. Типичный метод питания процессоров и ПЛИС.

В качестве примера, ПЛИС Xilinx ® Spartan-3A имеет встроенную схему сброса при включении, которая гарантирует, что все источники достигли своих пороговых значений, прежде чем это позволит настроить устройство.Это снижает строгие требования к последовательности питания, но для минимизации уровней пускового тока и соблюдения требований к последовательности схем, подключенных к ПЛИС, шины питания должны быть запитаны следующим образом: V CC_INT → V CC_AUX → V CCO . Обратите внимание, что для некоторых приложений требуются определенные последовательности, поэтому всегда читайте раздел о требованиях к питанию в каждой таблице данных.

Простая последовательность источников питания с использованием пассивных сетей задержки

Простой способ упорядочить источники питания — это задержать сигнал, поступающий на разрешающий вывод регулятора с помощью пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и диоды, как показано на рисунке 2.Когда переключатель замыкается, D1 проводит, а D2 остается открытым. Конденсатор C1 заряжается, при этом напряжение на EN2 растет со скоростью, определяемой R1 и C1. Когда переключатель размыкается, конденсатор C1 разряжается на землю через R2, D2 и R PULL . Напряжение на EN2 падает со скоростью, определяемой R2, R PULL и C2. Изменение значений R1 и R2 изменяет время зарядки и разрядки, тем самым устанавливая время включения и выключения регулятора.

Рисунок 2. В простом методе определения последовательности источников питания используются резисторы, конденсаторы и диоды.

Этот метод может быть полезен для приложений, которые не требуют точной последовательности, а для некоторых приложений, где достаточно простой задержки сигналов, могут потребоваться только внешние R и C. Недостаток использования этого метода со стандартными регуляторами заключается в том, что логический порог Количество выводов включения может сильно различаться в зависимости от напряжения и температуры. Кроме того, задержка нарастания напряжения зависит от номиналов и допусков резистора и конденсатора. Типичный конденсатор X5R будет изменяться примерно на ± 15% в диапазоне температур от –55 ° C до + 85 ° C и еще на ± 10% из-за эффектов смещения постоянного тока, что делает синхронизацию неточной и иногда ненадежной.

Precision позволяет упростить секвенирование

Для того, чтобы получить стабильные пороговые уровни для точного управления синхронизации, большинство регулирующих органов требуют внешнего опорного напряжения. ADP5134 решает эту проблему за счет интеграции прецизионного эталона, значительной экономии средств и экономии площади печатной платы. Каждый регулятор имеет отдельный вход включения. Когда напряжение на разрешающем входе поднимается выше V IH_EN (минимум 0,9 В), устройство выходит из режима отключения и включается служебный блок, но регулятор не активируется.Напряжение на разрешающем входе сравнивается с точным внутренним опорным напряжением (обычно 0,97 В). Как только напряжение на выводе разрешения превышает порог включения точности, регулятор активируется, и выходное напряжение начинает расти. Эталонное значение изменяется всего на ± 3% в зависимости от входного напряжения и температуры. Этот небольшой диапазон обеспечивает точное управление синхронизацией, решая проблемы, возникающие при использовании дискретных компонентов.

Когда напряжение на входе падает позволить 80 мВ (типичное значение) ниже опорного напряжения, регулятор отключается.Когда напряжение на всех разрешающих входах падает ниже В IL_EN (максимум 0,35 В), устройство переходит в режим отключения. В этом режиме потребление тока падает до менее 1 мкА. На рисунках 3 и 4 показана точность пороговых значений прецизионного включения ADP5134 при превышении температуры Buck1.

Рисунок 3. Прецизионный порог включения по температуре, 10 образцов. Рисунок 4. Прецизионный порог отключения по температуре, 10 образцов.

Простая последовательность источников питания с использованием резисторных делителей

Многоканальные источники питания могут быть последовательно подключены, подключив ослабленную версию одного выхода регулятора к разрешающему выводу следующего регулятора, который должен быть включен, как показано на рисунке 5, где регуляторы включаются и выключаются последовательно: Buck1 → Buck2 → LDO1 → LDO2 .На рисунке 6 показана последовательность включения питания после подключения EN1 к V IN1 . На рисунке 7 показана последовательность отключения питания после отключения EN1 от V IN1 .

Рисунок 5. Простая последовательность действий с ADP5134. Рисунок 6. Последовательность запуска ADP5134. Рисунок 7. Последовательность выключения ADP5134.

ИС секвенсора повышают точность синхронизации

В некоторых случаях точная синхронизация важнее уменьшения площади и стоимости печатной платы. Для этих приложений используется микросхема контроля напряжения и секвенсора, такая как четырехканальный монитор напряжения ADM1184, обеспечивающий ± 0.Может использоваться точность 8% по напряжению и температуре. Или счетверенный секвенсор напряжения ADM1186 и монитор с программируемой синхронизацией могут быть полезны в приложениях, требующих более сложного управления последовательностью включения и выключения питания.

4-канальный стабилизатор ADP5034 включает в себя два понижающих стабилизатора 3 МГц, 1200 мА и два LDO 300 мА. Типичная функция упорядочивания может быть реализована с помощью ADM1184 для контроля выходного напряжения одного регулятора и подачи сигнала высокого логического уровня на разрешающий вывод следующего регулятора, когда контролируемое выходное напряжение достигает определенного уровня.Этот метод, показанный на рисунке 8, можно использовать с регуляторами, не обеспечивающими функцию включения точности.

Рис. 8. Последовательность работы 4-канального регулятора ADP5034 с использованием четырехканального монитора напряжения ADM1184.

Заключение

Последовательность с использованием входов разрешения точности ADP5134 проста и удобна в реализации, требуя только двух внешних резисторов на канал. Более точной последовательности можно добиться, используя мониторы напряжения ADM1184 или ADM1186.

Ссылки

Примечания по применению

Мурнэйн, Мартин и Крис Огаста.Замечания по применению AN-932. Последовательность источников питания . Analog Devices, Inc., 2008 г.

Внешние ресурсы

Лист данных семейства ПЛИС Xilinx DS529 Spartan-3A

Страницы продукта

Управление питанием

Секвенирование

3 Автономная технология: возможности и потенциал | Автономные транспортные средства поддержки военно-морских операций

различных направлений каждой из групп, определяющих LOA. Применение концепций и технологий автономии к системе по своей сути является сложной проблемой с несколькими степенями свободы, которые необходимо решать.Таким образом, невозможно полностью охарактеризовать реализованную степень автономности одним числом.

Расширенное представление уровня автономии

Основное ожидание от автономных транспортных средств ВМФ и Корпуса морской пехоты заключается в том, что они смогут выполнять задачи миссии надежно, эффективно и по доступной цене с надлежащим уровнем независимости от человеческого вмешательства. Однако на практике сложно присвоить какой-либо AV единый уровень автономии.Во многом это связано с тем, что AV и их системы управления предназначены для выполнения сложных задач, состоящих из множества действий, каждая из которых может быть реализована с разным уровнем автономии. Этот факт подразумевает, что понятие сложности также необходимо учитывать при назначении LOA для AV.

В этом разделе предлагается новый взгляд на уровень автономии, который в дальнейшем именуется , уровень автономии миссии . Как описано ниже, автономность миссии состоит из двух степеней свободы: сложности миссии и степени автономности .«Сложность миссии» отражает количество функциональных возможностей миссии, присущих любой данной системе, или количество различных миссий, которые могут быть реализованы системой, независимо от того, выполняются ли они автономно или нет. «Степень автономности» отражает степень автономии, используемую для выполнения любой конкретной миссии или функциональных возможностей.

Сложность миссии, первая степень свободы, не следует путать со сложностью системы , которая увеличивается по мере увеличения количества и разнообразия элементов системы (например.g., транспортные средства, операторы, процессоры, каналы передачи данных, датчики, базы данных, силовые базы и т. д.) становятся больше и по мере того, как уровень предсказуемости системы снижается. Сложность системы частично является результатом выбора требований к автономности миссии.

Чтобы подробнее рассказать о сложности миссии, полезно рассмотреть ее в контексте миссии с автономным транспортным средством. Миссия — это иерархический набор действий миссии, которые упорядочены для достижения целей миссии. Мероприятия высокого уровня (т.е., фазы миссии, такие как запуск, вход, операции, выход и восстановление) разбиты на второстепенные действия, которые сами в дальнейшем раскладываются на примитивные действия. Каждую миссию можно выполнить с помощью различного сочетания взаимодействия человека и / или машины. Участие человека в миссии можно разделить на категории с точки зрения контроля и санкционирования, координации и разведки, как показывают примеры во вставке 3.2.

Количество уровней активности миссии (e.g., высокий, средний, низкий), количество миссий на каждом уровне и степень эквивалентной человеку функциональности (например, интеллекта), требуемой для каждого из них, являются конструктивными решениями, которые после их принятия определяют сложность самого AV. . Сложность миссии в этом случае характеризуется количеством функциональных возможностей миссии, которые может выполнить

Зеленый дата-центр с автономным питанием

Новый центр обработки данных в США полностью вырабатывает электроэнергию для своих серверов из возобновляемых источников, преобразуя биогаз с очистных сооружений в электричество и воду.

Новый центр обработки данных в США полностью вырабатывает электроэнергию для своих серверов из возобновляемых источников, преобразуя биогаз с очистных сооружений в электричество и воду. Siemens реализовал пилотный проект, который недавно был запущен, совместно с Microsoft и FuelCell Energy. Дата-центр не подключен к общественной электросети. Компания Siemens разработала и установила интеллектуальную технологию управления и мониторинга для установки, а также программное обеспечение для управления энергопотреблением, чтобы серверы могли быть надежно снабжены электричеством в любое время.Партнеры намерены продемонстрировать, что с помощью интеллектуального оборудования и программного обеспечения даже критически важные объекты, такие как центры обработки данных, могут надежно работать с альтернативными источниками энергии.

Небольшая экспериментальная система в Шайенне, штат Вайоминг, состоит из 200 серверов и подключена к суперкомпьютерному центру Университета Вайоминга. Метан, используемый для выработки электроэнергии, образует биогаз в резервуарах для разложения сточных вод.Он направляется в центр обработки данных, где топливный элемент мощностью 300 киловатт (кВт) преобразует газ в электричество с помощью электрохимического процесса, исключающего возгорание. Из 250 кВт вырабатываемой электроэнергии центр обработки данных будет использовать на собственные нужды. Остальная часть будет использована очистными сооружениями, что снизит собственные затраты на электроэнергию. Маленькая пилотная система должна соответствовать тем же строгим требованиям, что и большие центры обработки данных. Электроснабжение серверов должно быть абсолютно надежным и бесперебойным, чтобы исключить дорогостоящую потерю данных.Это также означает, что источник питания должен соответствовать высоким стандартам качества, поскольку скачки или провалы напряжения продолжительностью всего несколько миллисекунд могут вызвать неисправность ИТ.

250 киловатт энергии от биогаза и топливных элементов

Для поддержания такого уровня надежности компания Siemens разработала программное обеспечение для управления энергопотреблением, а также интеллектуальную технологию управления и мониторинга для всего источника питания. Система контролирует подачу биогаза, а также производимое электричество и поддерживает полный обзор работы топливных элементов.Решение также обеспечивает необходимое качество энергии. Кроме того, система выдает ранние предупреждения операторам центра обработки данных, если возникают проблемы с качеством электроэнергии или если прогнозируемое энергопотребление превышает произведенное количество.

На основе информации, полученной с помощью системы мониторинга, партнеры намерены продемонстрировать, что центры обработки данных могут быть надежно снабжены электроэнергией за счет комбинации биогаза и топливных элементов. Компания Siemens разработала решение специально для этого центра обработки данных на основе параметров, предоставленных Microsoft и производителем топливных элементов.Цель состоит в том, чтобы расширить проект на следующем этапе от пилотной установки до крупномасштабной системы.


Проект энергетического перехода переходит во вторую фазу

Цитата : Зеленый дата-центр с автономным электроснабжением (2014, 28 ноября) получено 12 ноября 2020 с https: // физ.org / news / 2014-11-green-center-autonomous-power.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

автономных датчиков: существующие и перспективные применения

1.Введение

Постепенное распространение беспроводных сенсорных сетей [1] подразумевает увеличение использования батарей и, как следствие, озабоченность по поводу их надлежащей утилизации в конце срока их службы. Вместе с уменьшением габаритов устройств уменьшение доступного пространства для электроники и аккумуляторов обычно подразумевает меньшую автономность работы по сравнению с предыдущими решениями.

Более того, саморазряд аккумулятора может стать проблемой, когда его необходимо хранить в устройстве в течение длительного времени, как это обычно происходит в случае применения датчиков.Таким образом, альтернативная технология электропитания, которая обеспечивает жизнеспособное решение для улучшения с точки зрения эксплуатационной эффективности, становится одной из основных интересных тем, касающихся реализации беспроводных сенсорных сетей.

Есть несколько способов, чтобы датчик всегда был готов к работе, учитывая, что аккумуляторные батареи могут работать дольше, если заряжаются от альтернативного источника питания. Стандартные аккумуляторные батареи можно подключать параллельно к альтернативному источнику питания, например, фотоэлектрическому элементу или пьезоэлектрическому генератору, через зарядное устройство.В некоторых случаях можно использовать один или несколько источников питания одновременно.

Учитывая эти идеи, можно было бы иметь автономный беспроводной датчик, работающий только от энергии, поступающей из окружающей среды: никаких батарей на борту не потребуется. Этот подход сейчас становится популярным как «технология сбора энергии» [2]. В этой главе мы сосредоточимся на инновационном решении, сочетающем фотоэлемент и пьезоэлектрический или электромагнитный накопитель энергии вибрации. Эти генераторы используют разные источники энергии, и они могут дополнять друг друга, например, в ситуациях, когда один из двух может быть временно недоступен.

Можно заметить, что общая стоимость устройства не зависит только от стоимости разработки и производства, но для устройства с батарейным питанием также необходимо учитывать затраты на техническое обслуживание. Эти затраты явно связаны с характеристиками устройства; чем больше он потребляет, тем чаще требуется замена и утилизация батареи. Как следствие, необходимо учитывать как минимум три дополнительных вида затрат: стоимость покупки батареи, стоимость замены батареи и стоимость ее утилизации.

Очевидно, что система, не требующая батареи, является очень хорошим кандидатом для развития будущих сетей беспроводных датчиков.

2. Типичный автономный датчик

Обычно можно использовать один или несколько источников питания одновременно; например, на блок-схеме, показанной на Рисунке 1, представлены вибрация и уборщик солнечной энергии. Он преобразует часть энергии окружающей среды, присутствующей в рабочей области датчика, в электричество, которое можно использовать для питания самого датчика.Это означает, что датчик может работать практически вечно.

Генерируемый ток от харвестера может быть постоянным, переменным или иногда может иметь случайное поведение, в то время как схема внутреннего датчика ожидает постоянного значения входящего тока; поэтому необходима схема согласования мощности для выпрямления и регулирования напряжения, поступающего от источников энергии.

Рис. 1.

Блок-схема автономного беспроводного датчика

После стабилизации питания требуется контролер напряжения для правильного включения или выключения каждой электронной части датчика.Без этого компонента электронное устройство, такое как микроконтроллер, может постоянно включаться и выключаться, даже не начиная работать должным образом.

Микроконтроллер обычно используется в качестве блока обработки датчика. Он посвящен сбору, обработке и передаче информации, поступающей из окружающей среды и собираемой датчиком, через радиочастотный приемопередатчик. Микроконтроллер может получить одну или несколько переменных среды. Некоторые примеры изображены на рисунке 1: напряжения, температуры, уровни освещенности и многое другое.

Микроконтроллер может работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами, позволяя системе собирать большое количество разнообразной информации. После получения данных они сериализуются и затем отправляются в радиочастотный приемопередатчик для передачи на удаленный приемник. По окончании передачи процессор может выключить все устройства и себя в целях экономии энергии. По прошествии заранее установленного времени микроконтроллер включается, и сбор и передача значений переменных начинается снова.

3. Источник питания

Как упоминалось ранее, каждое электронное устройство требует для работы источника электроэнергии. Обычно батареи используются для обеспечения достаточного питания датчика. Размер батареи зависит от ожидаемого срока службы системы и от мощности, необходимой для работы. Напротив, автономная система работает без батарей или других традиционных источников энергии. Это означает, что необходимая мощность должна предоставляться сама по себе. Энергия не может быть произведена, но ее можно только преобразовать или передать из одного состояния в другое.

Задача комбайна для сбора энергии — преобразовать энергию окружающей среды в электричество. Для этого подходят несколько различных источников энергии: вибрации, температурные градиенты, световые и электромагнитные поля. Выбор использования одного источника по сравнению с другим зависит от количества доступной энергии. Обычно извлекаемая энергия непостоянна: иногда она колеблется ежедневно, как солнечный свет, иногда она меняется быстрее, как колебания колеса на дороге.

Поскольку электронное устройство требует постоянного источника питания, необходимо устройство хранения, чтобы энергия была постоянно доступна. Запоминающее устройство может быть реализовано в виде конденсатора с низкой саморазрядкой и высокой емкости или тонкопленочной перезаряжаемой твердотельной батареи.

Кроме того, очень важно уменьшить потери энергии во время преобразования, увеличив его эффективность, чтобы иметь возможность сохранять как можно больше энергии. Таким образом, при фиксированной потребности в мощности такое же количество энергии будет отдавать меньший харвестер, что приведет к соответствующему размеру и снижению стоимости всей системы.

3.1. Сборщик энергии

Могут быть реализованы несколько типов сборщиков энергии, которые могут использоваться для получения электроэнергии, необходимой датчику для обеспечения энергетической автономности. Невозможно сказать, какой из них лучший, можно сказать, какой из них лучше всего подходит для конкретного приложения. Выбор непрост, потому что необходимо оценить множество параметров, но сначала можно выбрать один из нескольких типов:

  • Сборщик энергии вибрации

  • Сборщик солнечной энергии

  • Сборщик энергии тепловых градиентов

  • Уборочный комбайн с электромагнитной энергией

Каждый харвестер может быть реализован с использованием различных технологий, поэтому количество возможных способов его изготовления обеспечивает большую свободу выбора.

Также возможно объединить больше комбайнов для сбора энергии, чтобы получить более высокую вероятность постоянного источника питания. Может случиться так, что источник энергии временно недоступен, но еще может присутствовать другой (например, вибрация и солнечная энергия).

Сборщики энергии вибрации могут быть реализованы с использованием различных технологий и материалов.

  • Пьезоэлектрические устройства для сбора энергии: пьезоэлектрический материал подвергается воздействию вибраций, чтобы произвести электрический ток, пропорциональный их интенсивности.Можно использовать различные формы и размеры пьезоэлектрического материала, от простого кантилевера (рис. 2) до изогнутой балки и чего-то более сложного, например фрактала.

Рис. 2.

Двухслойный пьезоэлектрический кантилевер

  • Магнитострикционные накопители энергии: магнитострикционный материал деформируется вибрациями, создавая переменное магнитное поле, которое в сочетании с индуктором (Рис. 3) может создавать электрический ток. ток пропорционален их интенсивности.

Рис. 3.

Сборщик энергии магнитострикционной вибрации

  • Сборщик энергии на основе индукции: вибрации вызывают относительное движение магнита и индуктора (рис. 4). Благодаря закону Фарадея-Неймана в катушке индуктивности генерируется электрический ток.

Рис. 4.

Схема индукционного комбайна для сбора энергии

При проектировании виброуборочного комбайна также важно учитывать его динамику.За несколько лет исследований было продемонстрировано, что наилучшие результаты достигаются с нелинейной динамической системой. Сборщик энергии, основанный на бистабильной нелинейной динамике, является одним из самых простых (Рисунок 5).

Рис. 5.

Бистабильный нелинейный пьезоэлектрический комбайн

Рассматривая консоль, нелинейная бистабильная динамика может быть получена с использованием двух магнитов [3]: этот харвестер показан на Рис. 5. U (x) — потенциальная энергия кантилевера, V — генерируемое напряжение, γ — постоянная демпфирования, K c и K v — константы связи и τ p — постоянная времени пьезоэлектрика.Δ — это расстояние между магнитами, и оно определяет высоту барьера потенциала: см. Рисунок 6.

Рисунок 6.

Возможная функция бистабильного нелинейного маятника

Рисунок 7.

Временная шкала эффективности преобразования энергии солнечных элементов (из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии — США)

Ток, вырабатываемый сборщиком энергии вибрации, представляет собой переменный ток, поэтому он должен быть выпрямлен для использования датчиком. Сборщики солнечной энергии вместо этого используют фотоэлектрический эффект для производства постоянного тока; это не нужно исправлять.Для производства новых солнечных элементов используются и изучаются несколько различных технологий.

Учитывая, что мощность излучения, приходящего на поверхность земли, составляет приблизительно 1 кВт / м 2 , единственный способ увеличить мощность, преобразуемую из света, — это повысить эффективность преобразования. На Рисунке 7 показана эффективность преобразования материала, использованного для изготовления с 1976 по 2012 год.

Рис. 8.

A Термоэлектрический генератор (из проекта «Эффективное генерирование возобновляемой энергии с использованием нанофабриката кремния (GREEN Silicon)», Проактивная инициатива EC FP7 ICT FET «На пути к ИКТ с нулевым потреблением энергии» №257750 Университет Глазго, Великобритания; Миланский политехнический университет, Италия; Universität Linz)

Другой источник энергии представлен температурными градиентами и используется так называемым термоэлектрическим генератором или ТЭГ. Обычно эффект Зеебека используется для создания электрического тока.

Типичный КПД термоэлектрических генераторов составляет около 8-10%. В более старых устройствах на основе Зеебека использовались биметаллические переходы. В более поздних устройствах используются полупроводниковые p-n-переходы из теллурида висмута (Bi2Te3), теллурида свинца (PbTe), оксида кальция и марганца, сверхрешеток Ge / SiGe [4].

Это твердотельные устройства и в отличие от предыдущих не имеют движущихся частей. Выбор материала, который будет использоваться для изготовления, зависит также от температуры. На рисунке 8 показан вид ТЭГ, созданного с использованием объемных двумерных сверхрешеток Si / SiGe и Ge / SiGe, одномерных нанопроволок с латеральной структурой и квантовых точек 0D, изготовленных по технологии гетероструктуры Ge / SiGe.

Также возможно извлекать энергию из радиоволн. Антенна используется для преобразования падающей волны в ток.Если антенна предназначена для работы в широком диапазоне частот, можно извлекать немалое количество энергии. Передача мощности с помощью радиоволн описывается вектором Пойнтинга S , величиной, представляющей величину и направление потока энергии в электромагнитных волнах.

Вектор S определяется как векторное произведение S → = (1 / μ) E → × B →, где μ — проницаемость среды, через которую проходит излучение, E — амплитуда электрического поля. , а B — амплитуда магнитного поля.Направление вектора S → перпендикулярно плоскости, определяемой векторами E → и B →. Для бегущей электромагнитной волны вектор Пойнтинга указывает направление распространения волны. Учитывая это, легко понять, что плотность мощности электромагнитной волны обычно довольно мала, поскольку E и B уменьшаются пропорционально квадрату расстояния от источника. Но если комбайн находится близко к источнику или источник очень сильный, например, рядом с вышкой теле- или радиовещания, можно извлечь достаточно энергии для питания датчика.

Ток, протекающий от антенны, является переменным, поэтому его необходимо выпрямить. Процесс ректификации тратит энергию, и это необходимо учитывать при проектировании системы сбора урожая. Как показано на рис. 9, в центральной части диполя можно разместить небольшой сигнальный диод для выпрямления радиочастотного сигнала.

Рис. 9.

Антенна, используемая для сбора ВЧ-энергии

Выпрямление может быть выполнено с помощью диодов, таких как p-n диоды или диоды Шоттки, или активных выпрямителей.Первые — это пассивные устройства, и они вносят потери из-за порогового напряжения перехода. Последние являются активными устройствами и могут достигать более высокой эффективности преобразования энергии благодаря очень низким пороговым напряжениям. В них используются активные диоды, обычно сделанные на полевых транзисторах, и для их включения и выключения в правильной последовательности требуется схема управления. Так что выбор выпрямителя — задача нетривиальная, и ее необходимо учитывать при проектировании системы уборки урожая.

3.2. Управление питанием

Энергия, поступающая от комбайна, не всегда постоянна по амплитуде. Лишь немногие устройства генерируют колебания постоянной амплитуды, например двигатель, вращающийся с постоянной скоростью. Например, колебания автомобиля, как правило, имеют переменную амплитуду и частоту. У него может быть очень высокий всплеск, а через несколько миллисекунд практически ничего.

На рисунке 10 показан временной ряд реальной вибрации колесной оси автомобиля: как видно, это практически случайный сигнал.

Рис. 10.

Временной ряд вибрации оси колеса

При использовании пьезоэлектрического устройства сбора энергии вибрации выходное напряжение генератора будет пропорционально амплитуде ускорений. В некоторых ситуациях возможно достижение пикового напряжения до 20 В и более. Следовательно, потребуется регулятор напряжения для регулирования напряжения источника питания до фиксированного значения, например 3,3 В.

Существует множество типов регуляторов напряжения, от простой комбинации резистора и стабилитрона до более сложной коммутации. регулятор.Первый имеет низкий КПД: много энергии тратится на резистор и переход, когда напряжение достигает порога стабилитрона.

С другой стороны, импульсные регуляторы гарантируют более высокую эффективность регулирования, но они требуют более жестких условий работы: например, им требуется короткое время, даже если оно не нулевое, для начала работы. Учитывая, что реальные вибрации могут быть непостоянными, может случиться так, что этот тип регулятора не запустится должным образом, потому что напряжение, поступающее от комбайна, иногда будет достаточно высоким, чтобы он мог запуститься, но не всегда.

В некоторых случаях оптимальным решением может быть простой и недорогой стабилизатор напряжения с малым падением напряжения (LDO). Он может работать с непостоянным напряжением, для работы не требуются часы, и он гарантирует низкое падение напряжения, уменьшая потери энергии из-за потерь напряжения между его входом и выходом.

Общая схема цепи питания может быть представлена ​​на рисунке 8. Выход регулятора напряжения обычно подключен к устройству накопления энергии.Это может быть конденсатор с очень малыми потерями или аккумулятор. Наиболее важно использовать устройство с низким саморазрядом и очень низким внутренним сопротивлением. При низком саморазряде количество потерь энергии невелико, и можно гарантировать более длительный срок службы.

Низкое внутреннее сопротивление необходимо, когда нагрузка требует высокого пикового тока во время рабочего цикла. Маленькие и высокоэффективные тонкопленочные аккумуляторы не подходят для работы с пиковыми токами, поскольку они обычно могут выдавать только 10 мкА / см 2 [5].Используя танталовый конденсатор емкостью 1000 мкФ в качестве накопителя энергии, можно оценить время, необходимое системе на Рисунке 11 для достижения номинального напряжения 3,3 В. Вибрации, использованные для испытания, представлены на Рисунке 10. Двойной слой используется пьезоэлектрический нелинейный бистабильный комбайн энергии. Размер кантилевера, использованного для испытаний, составляет 2,74 х 0,67 х 0,032 дюйма. В результате, как показано на рисунке 12, напряжение на конденсаторе возрастает от нуля до 3,3 В примерно за 90 с с непостоянным наклоном, в зависимости от амплитуды ускорений.На этом же рисунке можно увидеть момент включения датчика. Через 56,4 с напряжение на конденсаторе превышает пороговое значение 2,35 В, и контроллер напряжения подключает конденсатор к нагрузке. Таким образом, он получает питание только тогда, когда напряжение питания достаточно высокое, чтобы гарантировать правильное напряжение питания, необходимое для электронного устройства.

Рисунок 11.

Цепь электроснабжения

3.3. Микроконтроллер

Датчик — это устройство, которое должно определять некоторые параметры и затем отправлять их электрическое представление для сбора и различного использования в зависимости от приложения.Можно получить, обработать и отправить получателю множество различных переменных среды. Все эти задачи обычно выполняются микроконтроллером.

Микроконтроллер может быть очень простым устройством, похожим на сеть с комбинационной логикой, или чем-то более сложным, например, небольшой компьютер с несколькими периферийными устройствами. Микроконтроллеры — это не микропроцессоры, они похожи на небольшую сложную систему, состоящую из ЦП, памяти программ, памяти данных, таймеров, аналого-цифровых преобразователей, интерфейсов последовательного порта, цифрового ввода-вывода и т. Д.Они программируемы: это очень важно, потому что они могут выполнять множество различных задач, просто изменяя код, а не оборудование.

Все эти компоненты требуют питания. Обычно автономная система должна работать очень долгое время без обслуживания. Каждый компонент должен быть рассчитан на работу с минимально возможной мощностью. Таким образом, можно получить систему с чрезвычайно низким энергопотреблением, подходящую для работы только с количеством энергии, извлеченной из окружающей среды.

Некоторые современные микроконтроллеры спроектированы и реализованы с учетом очень долговечных приложений. Некоторые компании имеют в своем портфолио несколько устройств с очень низким энергопотреблением в спящем режиме. Фактически, чтобы снизить общее энергопотребление, микроконтроллер должен оставаться в спящем режиме столько, сколько он может.

Предполагая, что мы измеряем температуру в помещении каждые десять секунд, можно запрограммировать наш датчик, чтобы он оставался в спящем режиме большую часть времени и в активном режиме только на время, необходимое для измерения температуры, чтобы подготовить данные для передачи и отправки их через радиочастотный трансивер.Таким образом, потребляемая мощность за период 10 секунд является суммой мощности, необходимой во время сна и активного режима. Учитывая, что активный режим может длиться около 7 мс, очевидно, что очень важно иметь очень низкое энергопотребление во время сна (9,993 с).

В качестве примера был разработан и испытан небольшой гибридный автономный датчик [6]. В нем используется пьезоэлектрический нелинейный бистабильный комбайн и два небольших солнечных элемента для питания беспроводного узла, состоящего из микроконтроллера семейства MSP430 и радиочастотного приемопередатчика производства Texas Instruments.В спящем режиме его потребность в токе составляет около 500 нА при 3,3 В. Во время передачи данных по радио ток возрастает примерно до 25 мА при 3,3 В. Среднее значение тока в активном режиме составляет около 7 мА при 3,3 В. V.

Можно оценивать требуемую энергию каждые 10 секунд, как показано в уравнении (1-3).

Esleep = 0,5 * 10-6 * 3,3 * 9,993 = 16,488 μJE1

Eactive = 7 * 10-3 * 3,3 * 0,007 = 0,161 mJE2

Etotal = Esleep + Eactive≅EactiveE3

Понятно, что если ток требуемая во время ожидания будет даже всего на один порядок выше, 5 мкА, при этом в требуемой энергии будет преобладать спящий режим.Другими словами, можно было бы сказать, что большая часть энергии будет потрачена на тепло.

Программирование микроконтроллера также важно, поскольку время, необходимое для нахождения в активном режиме, пропорционально количеству циклов, которые должен выполнить ЦП. Обычно микроконтроллеры программируются на C, языке программирования общего назначения, или на других языках более высокого уровня; иногда, чтобы избежать накладных расходов на языки высокого уровня, лучше писать на языке ассемблера, чтобы оптимизировать длину каждой функции или подпрограммы.

Рисунок 12.

Напряжение на конденсаторе и выходное напряжение супервизора

3.4. Радиочастотный трансивер

После того, как данные попадают в память микроконтроллера, они должны быть переданы на приемник, который просто получит и сохранит их в базе данных и, в конечном итоге, будет использовать их для некоторой обработки автоматического управления или человеческой деятельности. Приемопередатчик, с помощью которого отправляются данные, выполняет функцию представления данных с помощью радиочастотных сигналов и передачи их последовательно на определенное расстояние.

Диапазон беспроводной связи может составлять от нескольких метров до нескольких километров и даже больше, но обычно автономные датчики представляют собой маломощные устройства, а мощность, доступная для радиопередачи, составляет несколько мВт. Следовательно, они обычно работают на расстоянии до 100 метров.

Выбор типа используемого трансивера очень важен и зависит от многих переменных. В первую очередь трансиверы различают друг друга по рабочему диапазону частот. В каждой стране есть несколько бесплатных частот, предназначенных для маломощных радиослужб, таких как телеметрия, которые называются диапазонами ISM — промышленными, научными и медицинскими: для использования этих частот не требуется лицензии.Полосы частот ISM приведены в таблице 1.

Одной из наиболее часто используемых полос частот является 2,4–2,5 ГГц. Он используется для связи по Wi-Fi и Bluetooth. Это технологии связи с низким энергопотреблением и высокой скоростью передачи данных, которые обычно не подходят для автономных датчиков из-за их высокой вычислительной стоимости; например, их протоколам требуется много времени для установления соединения между двумя узлами.

13,553 МГц 60401 50040 МГц
Диапазон частот Полоса пропускания Центральная частота. Доступность
6,765 МГц 6,795 МГц 30 кГц 6,780 МГц При условии принятия на местном уровне
13,553 МГц 13,5
26,957 МГц 27,283 МГц 326 кГц 27,120 МГц
40,660 МГц 40,700 МГц 40 кГц 40.680 МГц
433,050 МГц 434,790 МГц 1,74 МГц 433,920 МГц Только для региона 1 и при условии местного признания
902,000 МГц 928,000 МГц 928,000 МГц только для региона 2
2,400 ГГц 2,500 ГГц 100 МГц 2,450 ГГц
5,725 ГГц 5,875 ГГц 150 МГц 5.800 ГГц
24,000 ГГц 24,250 ГГц 250 МГц 24,125 ГГц
61,000 ГГц 61,500 ГГц 122,000 ГГц 123,000 ГГц 1 ГГц 122,500 ГГц При условии принятия на местном уровне
244,000 ГГц 246,000 ГГц 2 ГГц 245.000 ГГц При условии принятия на местном уровне
Район 1 включает: Европу, Африку, Ближний Восток к западу от Персидского залива, включая Ирак, бывший Советский Союз и Монголию.
Район 2 охватывает Америку, Гренландию и некоторые восточные острова Тихого океана.

Таблица 1.

Диапазон частот ISM (Промышленный, научный и медицинский)

Автономные датчики — это устройства, которые обычно передают несколько байтов данных, а обмен данными продолжается несколько миллисекунд.Для этого можно использовать и другие технологии. Полностью проприетарные протоколы могут быть реализованы по радиоканалу с использованием таких схем модуляции, как OOK, FSK или QPSK. Эти протоколы могут обеспечивать простую одноранговую связь или более сложные сетевые возможности, такие как маршрутизация и оптимизация пути. Но все имеет свои вычислительные затраты, поэтому обычно предпочтительнее работать с простой одноранговой сетью с одной точкой доступа или координатором и несколькими узлами с ограниченной функциональностью (звездообразная топология): см. Рисунок 13.

Как уже говорилось, пиковая мощность, требуемая радиочастотным приемопередатчиком, может быть очень высокой, особенно по сравнению с мощностью, запрашиваемой всем датчиком. Следует учитывать, что современные технологии дают нам возможность выбирать среди множества различных схем модуляции. У каждого из них есть свои плюсы и минусы: стоимость, сложность, полоса пропускания, спектральная эффективность, отношение сигнал / шум (S / N), необходимое для заданного BER — коэффициента битовых ошибок (или коэффициента ошибок символа). Последний — очень важный параметр, который необходимо учитывать при настройке радиолинии, потому что, зная количество энергии, необходимое в приемнике для получения отношения сигнал / шум для данной вероятности ошибки и заданного расстояния передачи , можно установить уровень передаваемой мощности.

На рисунке 14 показан BER как функция отношения между энергией на бит E 0 и шумом N 0 для трех различных методов модуляции. Если требуемый BER составляет 10 -3 , для приемника PSK отношение E 0 / N 0 должно быть немного меньше 10 дБ. Если расстояние между передатчиком и приемником остается неизменным, для получения такой же вероятности ошибки в бите (BER = 10 -3 ) с использованием приемника с ЧМн или ASK потребуется более высокая мощность.Глядя на график на рисунке 14, можно оценить необходимое соотношение E 0 / N 0 для желаемой модуляции: оно немного меньше 16 дБ, на 6 дБ больше, чем для модуляции PSK.

Рис. 13.

Сеть с топологией «звезда»

Рис. 14.

BER в сравнении с SNR для трех разных модуляций комментариев

И последнее, но не менее важное: использование высокоэффективной антенны с точки зрения усиления и диаграммы направленности желательно, потому что она уменьшит количество энергии, необходимое для покрытия расстояния между передатчиком и приемником.Было разработано и реализовано несколько типов антенн. Не существует идеальной антенны для каждого приложения, поэтому каждый раз необходимо выбирать правильную антенну для получения желаемых характеристик.

Антенны могут быть распечатаны на схеме или могут быть реализованы как отдельное устройство. Они также могут быть реализованы в виде небольшого интегрированного чипа, например, в технологии LTCC, или непосредственно напечатаны на диэлектрической подложке с помощью струйного принтера.

4. Датчик на основе RFID

Автономные датчики иногда могут опрашиваться бесконтактно без использования батареи.Этот тип устройств интересен для приложений, в которых использование проводных решений, например, в упаковке или при измерениях на теле, было бы очень затруднено. Для этих приложений обслуживание и замена батарей всегда является проблемой.

В литературе описаны приложения [7,8], в которых автономная сенсорная система использует электромагнитное поле для питания устройства. В целом RFID-метки делятся на две основные категории: пассивные; они получают свою рабочую энергию из сигнала считывателя RFID, не имеют реального передатчика, модулируют и излучают своей антенной сигнал, передаваемый считывателем.Расстояния, на которых они могут работать, составляют, самое большее, порядка нескольких метров или нескольких сантиметров в зависимости от рабочей частоты. Активный; они питаются от батарей. Они включают как приемник, так и передатчик в качестве считывающего устройства. У них обычно большая память, часто перезаписываемая. Расстояния, на которых они могут работать, зависят от передатчика и батарей и обычно составляют не более 200 метров.

С точки зрения энергопотребления датчики с поддержкой RFID также можно разделить на две категории: активные и пассивные.Активные сенсорные метки с поддержкой RFID используют батареи для питания своих схем связи и имеют относительно большой радиус действия беспроводной связи. Однако потребность во внешних батареях ограничивает их применение только там, где замена батарей возможна и доступна по цене. В случае пассивных сенсорных меток с поддержкой RFID, когда считыватель опрашивает пассивную сенсорную систему, переданный радиочастотный сигнал используется для питания системы, а затем данные считывания передаются считывателю по беспроводной связи через электромагнитное поле и антенный интерфейс.Фактически, все большее развитие датчиков, основанных на технологии RFID, основано на комбинации катушек антенн и ИС, использующих принцип обратного рассеяния для обеспечения возможности цифрового и аналогового зондирования.

В последнее время растет интерес к материалам, используемым в сенсорных приложениях: сверхчувствительный композит, который может быть напечатан непосредственно на той же подложке вместе с антенной, когда технология струйной печати выбрана для сверхбыстрого прототипирования и низкой стоимости, гибкие решения, анализируются.Было обнаружено, что композиты на основе углеродных нанотрубок (УНТ) обладают высокой электропроводностью, очень чувствительной к чрезвычайно малым количествам газов. В этом разделе мы стремимся привести пример в качестве доказательства концепции нового подхода, который предполагает устранение микросхемы IC и ее замену чувствительным элементом, непосредственно интегрированным с антенной, для беспроводной передачи конфиденциальных данных в ближайшем будущем. «нулевой мощности» мода.

В [9] сенсорный узел на основе углеродных нанотрубок с поддержкой RFID был представлен в качестве доказательства концепции.В качестве чувствительного элемента была выбрана пленка из слоев УНТ. Электрическое сопротивление пленки УНТ варьируется в зависимости от наличия газов в окружающей среде. Как упоминалось ранее, в пассивных RFID считыватель отправляет сигнал запроса на метку RFID, которая образована антенной и микросхемой в качестве нагрузки. Интегральная схема реагирует на изменение входного импеданса считывающего устройства, таким образом модулируя ответ сигнала обратно считывающему устройству. Обычно используемый тип модуляции — это модуляция ASK, амплитудная манипуляция, при которой интегральная схема меняет свой импеданс между согласованным и несогласованным состояниями.

В системе RFID можно рассчитать коэффициент отражения антенны для оценки силы отраженной волны. Тот же механизм можно использовать для реализации сенсорных узлов с поддержкой RFID. Пленка SWNT работает как настраиваемый резистор, величина которого зависит от наличия тестируемого газа в окружающей среде. Считыватель RFID контролирует уровень мощности обратного рассеяния, и когда есть изменения в этом уровне, это означает, что обнаружен целевой газ. Концептуальная схема принципа работы показана на рисунке 15.

Рисунок 15.

Концептуальная схема предлагаемого модуля датчика с поддержкой RFID.

5. Выводы

В этой главе был представлен обзор автономных датчиков. Эти устройства питаются только от энергии окружающей среды, что исключает необходимость замены батарей. Требуемая энергия обеспечивается различными типами комбайнов. Каждый из них отличается от другого видом энергии, который может преобразовывать.

В разделе 2 представлена ​​схема базового датчика. Были выделены и кратко описаны его основные части, пытаясь сосредоточить внимание на теме требований к мощности.

В разделе 3 обсуждалась тема сбора энергии с акцентом на основные принципы, лежащие в основе каждой технологии. Есть несколько разных подходов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Затем была представлена ​​тема управления питанием и проанализирована цепочка согласования мощности.Было показано, что необходимы три основных части: регулятор напряжения, регулятор напряжения и устройство хранения энергии.

Затем была описана активная схема датчика. Обычно он состоит из микроконтроллера, некоторых датчиков и радиочастотного трансивера. На рынке уже представлено множество различных устройств, но лишь немногие из них подходят для систем сбора энергии из-за требований к мощности. На самом деле очень важно использовать устройства с очень низким энергопотреблением, потому что количество энергии, доступное от типичного энергоуборочного комбайна сантиметрового масштаба, на несколько порядков меньше, чем от обычной батареи AAA.

Далее последовал краткий анализ схем модуляции радиосвязи. При выборе беспроводного трансивера важно учитывать количество энергии, необходимое для передачи каждого бита информации, чтобы иметь заданную вероятность ошибки на стороне приемника. Было бы желательно иметь меньшую мощность, передаваемую с меньшим количеством ошибок: это обычно означает более сложные модуляции и, как следствие, более сложную схему радио.

Наконец, было обсуждено краткое описание пассивных устройств RFID.Эти датчики получают необходимую энергию от электромагнитного поля, излучаемого считывателем. Таким образом, они могут считаться действительно автономными системами, поскольку в них не используются батареи и они состоят из всех схем, необходимых для преобразования энергии электромагнитных волн, сбора данных и их передачи на приемник.

1usmus Power Plan для AMD Ryzen — Новые разработки

Введение


В начале ноября мы представили вам индивидуальный план питания 1usmus для AMD Ryzen.Этот настраиваемый план управления питанием помогает повысить производительность системы, обучая Windows правильному использованию функции Collaborative Power Performance Control в Zen 2. Статья получила отличные отзывы читателей и экспертов. AMD также запустила собственное исследование для изучения поведения процессора, которое мы обсуждали в нашей статье, и обнаружила, что большая часть производительности или странностей при повышении связана с планировщиком Windows. Тем временем Microsoft, к счастью, выпустила обновление «KB4524570» для Windows 10, которое обеспечивает множество внутренних улучшений Планировщика Windows, помогая улучшить поведение и частоту.

Вторая часть проблемы находится на уровне BIOS, в частности, в работе CPPC и настроек C-состояния, которые по умолчанию должны быть в режиме «Включен». Комментируя мой план электропитания, глава отдела технического маркетинга процессоров AMD Роберт Хэллок в интервью PC World подтвердил наши открытия о CPPC и C-State, заявив, что эти функции включены «по умолчанию». что, к сожалению, не совсем соответствует действительности.

За исключением энтузиастов и профессиональных пользователей, большинство людей не склонны перепроверять свои настройки BIOS и могут пострадать от более низкой производительности прироста просто потому, что некоторые производители материнских плат, похоже, не знают, насколько важны эти настройки для ЦП. повысить поведение.В этой статье я публикую второй план питания для Ryzen, который помогает даже пользователям с последними обновлениями Windows. Ссылку для загрузки можно найти ниже в описании.

В качестве подкрепления я хотел бы подробно описать хронологию интересной серии событий, в которые трудно поверить, что они были случайными:

4 ноября — Публикация оригинальной статьи.
7 ноября — Срочный выпуск BIOS v170 для моей материнской платы MSI Godlike X570. В частности, это было исправление для CPPC и включение C-Global State и AMD Cool & Quiet по умолчанию (чего не было раньше), но без упоминания об этом в журнале изменений прошивки.Вместо этого в нем было только два элемента:

Ключевые изменения в обновленном BIOS:
  • Увеличено время загрузки системы.
  • Улучшена совместимость устройств PCI-E.
11 ноября — Microsoft срочно выпускает накопительное обновление «KB4524570». В выпуске также ничего не говорится об исправлениях, связанных с ACPI и планировщиком задач. Цитата Microsoft:
  • Это обновление безопасности включает улучшения качества. Ключевые изменения включают:
  • Эта сборка включает все улучшения из Windows 10 версии 1903.
  • Решает проблему в подсистеме блокировки клавиатуры, которая могла некорректно фильтровать ввод клавиш.
  • Обеспечивает защиту от уязвимости, связанной с ошибкой проверки компьютера процессора Intel® (CVE-2018-12207). Используйте параметр реестра, как описано в статье базы знаний руководства. (Этот параметр реестра отключен по умолчанию.)
  • Обеспечивает защиту от уязвимости, связанной с асинхронным прерыванием транзакций Intel® Transactional Synchronization Extensions (Intel® TSX) (CVE-2019-11135).Используйте параметры реестра, как описано в статьях о клиенте Windows и Windows Server. (Эти параметры реестра включены по умолчанию для выпусков клиентской ОС Windows и выпусков ОС Windows Server.)
  • Обновления безопасности для Microsoft Scripting Engine, Internet Explorer, платформы и платформ приложений Windows, Microsoft Edge, основ Windows, криптографии Windows, виртуализации Windows, Windows Linux, ядро ​​Windows, сеть Windows Datacenter и ядро ​​базы данных Microsoft JET.
  • Никаких дополнительных проблем для этого выпуска не задокументировано.

Что на самом деле изменилось

Я провел собственное тестирование, чтобы выяснить, что изменилось между этими обновлениями.

Тестовая система:

  • Ryzen 9 3900X
  • EKWB с водяным охлаждением
  • MSI MEG X570 GODLIKE (BIOS 7C34v160, AGESA 1.0.0.4В и 7C34v170, AGESA 1.0.0.4В)
  • G.Skill Drident C16 Royal Trident двухканальный
  • Windows 10 64-разрядная 1903 и 1909
  • Драйвер набора микросхем AMD 1.9.27.1033

BIOS v160, Windows 1903 без KB4524570, Ryzen Balanced

На этом графике отображается состояние системы до обновления BIOS и накопительного обновления Microsoft от 15 ноября. Он демонстрирует однопоточную загрузку чистой операционной системы без фоновой активности программы, но задействовали 9 ядер из 12, и с CPPC были очевидные проблемы. В то же время, каждый раз, когда тест перезапускался, было видно, что разные ядра ускоряются. Такое поведение является следствием неэффективного гетерогенного режима, не ориентированного на производительность, и неправильной реализации CPPC.

Каждое ядро, которое не находится в спящем режиме, уменьшает максимальное ускорение одноядерного ядра, потому что для n-потоковых нагрузок определяется его собственный предел EDC, напряжения и температуры (мы не будем рассматривать другие факторы работы AVFS в этом материале) . Напомню, что для игр такое переключение контекста и перемещение данных между CCX приводит к заиканию (и, в частности, к снижению частоты кадров), что, в свою очередь, влияет на ваш игровой опыт.


BIOS v170, Windows 1903 с KB4524570, 1usmus Ryzen Universal

Изменения, наблюдаемые в новом BIOS, очень значительны:

  • Однопоточная нагрузка всегда находится в пределах одного CCX
  • Максимальное ускорение приходится на лучшее ядро; то есть у нас есть правильный CPPC.
  • Неиспользуемые ядра спят, когда не используются.
  • Планировщик Windows пытается удерживать однопоточную нагрузку на одном ядре.

Мой модифицированный BIOS v130 + SMU 46.24.00, Windows 1903, Ryzen Balanced

Внимательные наблюдатели могут заметить, что свежий SMU 46.54.00, который поставляется с микрокодом AGESA Combo PI 1.0.0.4B, снизил частоты для всех ядер относительно старый BIOS для обозревателей. Если мы рассмотрим CCD1 (матрица 1), у нас будет около -75, -25, +25, -50, -25, -25 МГц для ядер 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 соответственно. .Конечно, частота не является показателем реальной производительности, и в этом случае для нас гораздо важнее сохранить нагрузку на одно, определенно превосходное (предпочтительное) ядро, в то время как остальные ядра остаются в спящем режиме.

Я также хочу упомянуть, что результаты частотных измерений довольно грубые, поскольку текущий метод мониторинга основан на знании фактических тактовых импульсов шины (BCLK) и выборе коэффициентов ядра в определенные моменты времени.

HWiNFO Автор Мартин пишет:

«В течение нескольких лет стало обычной практикой сообщать мгновенные (дискретные) значения тактовой частоты процессоров.Этот метод основан на знании фактических частот шины (BCLK) и выборке соотношений ядер в определенные моменты времени. Результирующие часы — это простой результат отношения, умноженного на BCLK. В прошлом такой подход работал достаточно хорошо, но теперь его недостаточно. С годами процессоры превратились в очень динамичные компоненты, которые могут изменять свои рабочие параметры сотни раз в секунду в зависимости от нескольких факторов, включая объем рабочей нагрузки, температурные ограничения, тепловой / VR ток и ограничения мощности, турбо-коэффициенты, динамический TDP и т.Хотя этот метод по-прежнему представляет фактические значения тактовой частоты и сообщаемые соотношения, соответствующие определенным P-состояниям, он стал недостаточным для обеспечения хорошего обзора динамики процессора, особенно когда параметры колеблются с гораздо большей частотой, чем может зафиксировать любое программное обеспечение. Еще один недостаток заключается в том, что ядра в современных ЦП, которые не имеют рабочей нагрузки, приостанавливаются (более низкие состояния C). В таком случае, когда программное обеспечение пытается опросить их статус, оно ненадолго разбудит их, и поэтому полученные часы не соблюдают состояние сна.

Следовательно, необходимо использовать новый подход, называемый эффективными часами. Этот метод основан на способности оборудования производить выборку фактического состояния часов (всех его уровней) в течение определенного интервала, включая состояния сна (остановленные). Затем программное обеспечение запрашивает счетчик за определенный период опроса, который предоставляет среднее значение всех состояний часов, которые произошли в данном интервале. HWiNFO v6.13-3955 Beta представляет отчет об этих часах. Многие пользователи могут быть удивлены, насколько эти часы отличаются от традиционных значений часов.Но обратите внимание, что это эффективное значение представляет собой средние тактовые импульсы за интервал опроса, используемый в HWiNFO. Этот новый метод был протестирован на нескольких процессорах и показал более точные результаты, особенно в сценариях с чрезвычайно колеблющимися значениями.

В системах «Zen 2» (Matisse) этот метод может обеспечить результаты, близкие к значениям тактовой частоты ядра Ryzen Master (RM), особенно потому, что он учитывает спящие ядра. Предполагается, что такие ядра помечаются RM как спящие, когда эффективная (средняя) частота ниже определенного порога (где-то около 50 МГц и ниже).Обратите внимание, что RM использует другую (проприетарную) технику для измерения часов, поэтому могут быть некоторые различия между эффективными часами в HWiNFO и RM. Хотя мы работаем с AMD над оптимальным способом доступа к более точным данным для измерения значений тактовой частоты и напряжения, это остается единственным методом. Кроме того, текущий метод эффективной тактовой частоты — это архитектурная особенность, означающая, что она не зависит от конкретной модели ЦП, но является универсальной для широкого диапазона семейств ЦП ».

Adaptive Clock Stretching

Еще один нюанс мониторинга тактовой частоты это «Adaptive Clocking Stretching», метод регулировки тактовой частоты, который динамически регулирует время цикла (например,g., снижает частоту), чтобы выдерживать падения напряжения без увеличения общего напряжения питания.
Как только обнаруживается падение входящего напряжения и определяется степень падения напряжения, логика растяжения тактового сигнала уменьшает частоты для компенсации. К сожалению, я не могу предоставить вам более конкретные данные из-за моего соглашения о неразглашении, но могу привести пример поколения Steamroller. Тогда порог спада составлял 2,5%, а период тактовой частоты был увеличен на 7%, что обеспечивало хороший баланс между поддержанием высоких частот и улучшением Vmin.Еще одна интересная возможность этой технологии — настраиваемый коэффициент циклов, которые можно растягивать. То есть процессор может «проглотить» падение напряжения на определенное количество циклов перед активацией растяжения.

Это еще одна часть головоломки, которая проясняет невероятно сложное и технологичное чудо современных процессоров. Я рад, что мое взаимодействие с AMD позволит вам получить дополнительную производительность и улучшить игровой комфорт.

Должен признаться, мне очень нравится играть с оборудованием AMD, чтобы найти дополнительную производительность, особенно для вас, геймеров.Я просто надеюсь, что эти результаты будут включены в обновления BIOS и драйверов, что принесет пользу еще большему количеству пользователей.

Общие советы для пользователей Ryzen

  • Обратите особое внимание на обновления операционной системы и BIOS. Поставщики ОС и прошивок в последнее время слишком часто меняют вещи, слишком мало документации. Проблемы и решения серьезных проблем часто не упоминаются в журналах изменений.
  • Для обновления BIOS всегда используйте флэшбэк BIOS (если это возможно / доступно) и очищайте CMOS после прошивки.В противном случае Windows может не увидеть изменений в таблицах ACPI, описывающих конфигурацию процессора.
  • Следите за обновлениями драйверов набора микросхем Ryzen. Именно эти драйверы являются наиболее важным связующим звеном между BIOS и ОС, а также косвенно влияют на планировщик ОС.
  • Global C-state Control, CPPC Preferred Cores и AMD Cool’n’Quiet всегда должны быть установлены на «Enabled».
  • Охлаждение ЦП: частота разгона процессоров Zen 2 сильно зависит от температуры.AMD рассчитала свои номинальные частоты разгона при 50 ° C.

    В зависимости от процессора максимальное ускорение будет снижаться с температурой:
    — 3900/3950 — 75 МГц на 10 ° C
    — 3800/3700 ​​- 50 МГц на 10 ° C
    — 3600/3500 — 35 МГц на 10 ° C

    Вот почему некоторые люди с плохим охлаждением могут видеть более низкие частоты. Это включает в себя обдув корпуса и высокие температуры окружающей среды.

Также хочу поблагодарить Олега Касумова за помощь в исследовании.

Обновлен универсальный профиль питания 1usmus Ryzen

Я подготовил новый универсальный профиль питания 1usmus Ryzen Universal, который будет полезен для всех сборок Windows 10 с любым BIOS.Основное отличие от «Ryzen Balanced» заключается в том, что при низкопоточных рабочих нагрузках (1–4 потока) будет лучше загрузка ЦП.

Хотя последнее обновление профиля мощности AMD работает намного лучше, чем раньше, оно устанавливает для планировщика значение «может использовать лучшие ядра» (авто), полагая, что ядро ​​ОС Microsoft делает правильные вещи, я изменил это на «должно использовать лучшие ядра» , чтобы действительно использовать самые лучшие ядра.

Я уверен, что AMD рассмотрит эти изменения в будущем, но до тех пор, пока эти улучшения не будут реализованы, вы можете использовать мой профиль мощности для лучшего поведения наддува.Получить его можно по ссылке ниже. Пожалуйста, обратитесь к оригинальной статье за ​​инструкциями по установке (они несложны).

СКАЧАТЬ : 1usmus Ryzen Power Plan v1.1

IT Essentials, глава 2, версия 5.0, ответы

1 . Какой инструмент в Windows XP дает техническому специалисту доступ для инициализации дисков и создания разделов?

Дефрагментация

Скандиск

Формат

Управление дисками

Очистка диска

2 .Какой чистящий раствор рекомендуется для очистки контактов компонентов компьютера?

изопропиловый спирт

очиститель стекол с аммиаком

вода, смешанная с небольшим количеством жидкости для мытья посуды

медицинский спирт

3 . Какие два действия представляют потенциальную угрозу безопасности техника? (Выберите два.)

стоит на антистатическом коврике во время работы за компьютером

подключение принтера к ИБП

с помощью магнитной отвертки при работе с жестким диском

чистка компьютера изнутри, когда он включен

ношение браслета при работе с блоком питания

4 .Какое обстоятельство увеличивает вероятность повреждения компьютера электростатическим разрядом?

самозаземление от корпуса компьютера

с помощью магнитной отвертки при работе с жестким диском

подключение принтера к ИБП

для работы в условиях низкой влажности

5 . Каковы два важных источника EMI? (Выберите два.)

инфракрасные мыши

грозы

модулей ОЗУ

линии электропередачи

ЖК-мониторы

6 .Какое состояние относится к пониженному уровню напряжения переменного тока, который сохраняется в течение длительного периода времени?

провисание

шип

всплеск

затухание

7 . Какой инструмент потенциально может вызвать потерю данных на жестком диске или гибких дисках?

сжатый воздух

отвертка магнитная

графитный карандаш

компьютерный пылесос

8 . Какая утилита командной строки Windows XP сканирует критически важные файлы операционной системы и заменяет все поврежденные файлы?

Проверка системных файлов

Очистка диска

Система сканирования

Дефрагментация

Управление дисками

Чкдск

9 .Какой инструмент предназначен для ослабления или затяжки винтов с крестообразным шлицем?

драйвер torx

крестовая отвертка

отвертка с плоской головкой

шестигранник

10 . Какова правильная директива по использованию баллона со сжатым воздухом для очистки ПК?

Используйте длинный, постоянный поток воздуха из баллона.

Не распыляйте сжатый воздух, если баллончик перевернут.

Не используйте сжатый воздух для очистки вентилятора ЦП.

Обрызгайте вентилятор охлаждения процессора сжатым воздухом, чтобы убедиться, что лопасть вентилятора вращается свободно.

11 . После использования Интернета производительность компьютера снижается. Какие три инструмента можно запустить, чтобы попытаться улучшить производительность компьютера? (Выберите три.)

Fdisk

программа обновления BIOS

Средство для удаления шпионского ПО

Дефрагментация

Очистка диска

Диспетчер устройств

12 .Какой тип крепления ослабляется и затягивается шестигранной отверткой?

Болт с шестигранной головкой

Винт с крестообразным шлицем

Винт со шлицем

болт torx

13 . Почему никогда не следует использовать карандаш как инструмент при работе внутри компьютера?

Грифель карандаша токопроводящий.

Грифель карандаша может наводить ток.

Карандаш может удерживать статический заряд.

Грифель для карандашей вызывает коррозию.

14 . Как встроенный ИБП защищает компьютерное оборудование от перебоев в подаче электроэнергии?

, остановив подачу напряжения на компьютер

путем заземления избыточного электрического напряжения

путем переключения с основного на резервный источник питания

с использованием батареи для обеспечения постоянного уровня напряжения

15 . Какие два устройства обычно влияют на беспроводные сети? (Выберите два.)

микроволны

беспроводных телефонов

внешних жестких диска

домашних кинотеатров

Плееры Blu-ray

лампы накаливания

16 . Технический специалист хочет ограничить вероятность воздействия электростатического разряда на рабочее место. Какие три меры предосторожности следует соблюдать? (Выберите три.)

Убедитесь, что на рабочем столе и на полу есть антистатические коврики.

Поддерживайте очень низкую влажность окружающей среды.

Убедитесь, что весь пол застелен ковром.

Носите антистатический браслет.

Храните все компоненты в антистатических пакетах.

Храните все компоненты компьютера в прозрачных пластиковых пакетах.

17 . Какие меры предосторожности следует соблюдать при работе в компьютерных системах?

Избегайте использования намагниченных инструментов.

Используйте защиту от электростатического разряда при ремонте мониторов во влажной среде.

Оставьте шнур питания подключенным к розетке для заземления.

Избегайте одновременного использования антистатических браслетов и антистатических ковриков.

18 . Почему документирование всех услуг и ремонтов является важным организационным инструментом для техника?

Позволяет обмениваться информацией в Интернете.

Увеличивает стоимость услуг и ремонта.

Это снижает технические навыки, необходимые новым специалистам.

Он предоставляет справочные материалы по аналогичным проблемам, которые могут возникнуть в будущем.

19 .Техник случайно пролил чистящий раствор на пол мастерской. Где технический специалист может найти инструкции о том, как правильно очистить и утилизировать продукт?

местная группа по опасным материалам

страховой полис компании

паспорт безопасности материала

правила местной администрации по охране труда

20 .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.