АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
(1)-(3) преобразуются в интегралы:
1
1
1
1
det
T
B
D
B
J
d d
, (4)
1
1
1
1
det
T
N
B
J
d
d
, (5)
1
1
det
T
N
J
d
, (6)
где матрица Якоби имеет вид:
x
y
J
x
y
. (7)
Применение естественной системы координат осуществляется путем
перехода к локальной системе - с независимыми координатами
1
1
и
1
1
. При этом вводятся безразмерные координаты
x
b
и
y
a
(рис. 1).
Необходимость вычисления определителя матрицы Якоби в методе
конечных элементов возникает еще и при вычислении градиентов функции
формы в локальной системе координат
,
по формуле:
R
R
R
x
y
x
x
J
R
R
R
x
y
y
y
,
где функции формы
1, 2,3, 4
R
для линейных четыреугольных
элементов в локальной системе координат
,
(рис. 2) определяются с
помощью соотношений:
1
1
1
1
4
R
,
2
1
1
1
4
R
,
3
1
1
1
4
R
,
4
1
1
1
4
R
.
Рисунок 1. Прямоугольный линейный элемент
66
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
Рисунок 2. Локальная система координат
для прямоугольного линейного элемента.
Глобальные координаты
x
и
y
выражаются через локальные – с
помощью следующих интерполяционных полиномов [3]:
1
1
2
2
3
3
4
4
x
R X
R X
R X
R X
,
1 1
2 2
3 3
4 4
y
R Y
R Y
R Y
R Y
,
где
,
1,2,3,4
X
Y
глобальные координаты узлов линейного
четырехугольного элемента (рис. 1). Для определения матрицы Якоби
вычислим следующие частные производные:
1
2
3
4
1
2
3
4
x
R
R
R
R
X
X
X
X
,
1
2
3
4
1
2
3
4
y
R
R
R
R
Y
Y
Y
Y
,
1
2
3
4
1
2
3
4
x
R
R
R
R
X
X
X
X
,
1
2
3
4
1
2
3
4
y
R
R
R
R
Y
Y
Y
Y
,
где
1
1
1
4
R
,
1
1
1
4
R
,
1
1
1
4
R
,
1
1
1
4
R
,
1
1
1
4
R
,
1
1
1
4
R
,
1
1
1
4
R
,
1
1
1
4
R
.
Следовательно
1
2
3
4
1
2
3
4
x
R
R
R
R
X
X
X
X
,
67
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
1
2
3
4
1
2
3
4
y
R
R
R
R
Y
Y
Y
Y
,
1
2
3
4
1
2
3
4
x
R
R
R
R
X
X
X
X ,
1
2
3
4
1
2
3
4
y
R
R
R
R
Y
Y
Y
Y
,
или
1
2
3
4
1
1
1
1
1
4
x
X
X
X
X
,
1
2
3
4
1
1
1
1
1
4
y
Y
Y
Y
Y
,
1
2
3
4
1
1
1
1
1
4
x
X
X
X
X
,
1
2
3
4
1
1
1
1
1
4
y
Y
Y
Y
Y
,
или
11
11
1
4
x
A
B
,
12
12
1
4
y
A
B
,
21
21
1
4
x
A
B
,
22
22
1
4
y
A
B
,
где
11
1
2
3
4
A
X
X
X
X
,
11
1
2
3
4
B
X
X
X
X
,
12
1
2
3
4
A
Y
Y
Y
Y
,
12
1
2
3
4
B
Y
Y
Y
Y
,
21
1
2
3
4
A
X
X
X
X
,
21
1
2
3
4
B
X
X
X
X
,
22
1
2
3
4
A
Y
Y
Y
Y
,
22
1
2
3
4
B
Y
Y
Y
Y
.
Тогда
11
11
12
12
21
21
22
22
11
11
22
22
12
12
21
21
1
det
det
4
1
4
A
B
A
B
J
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
.
Следовательно, определитель матрицы Якоби в общем случае является
полиномом второго порядка относительно локальных координат
и
.
Однако, при вычислении интегралов вида
68
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
1
1
1
1
det
T
T
V
B
D
B dV
B
D
B
J
d d
в методе конечных элементов, последний полином придется перемножать с
элементами матрицы
T
B
D B
, которые сами являются полиномами
второго порядка относительно
и
. Для проведения процедуры
перемножения полученный определитель желательно видоизменить. После
раскрытия скобок и перегруппировки слагаемых, определитель матрицы Якоби
будет иметь вид:
det J
A
B
C
D
, (8)
где
11
22
12
21
1
4
A
A A
A A
,
22
11
21
12
1
4
B
A B
A B
,
11
22
12
21
1
4
C
A B
A B
,
11
22
12
21
1
4
D
B B
B B
.
Надо отметить, что полученный в общем виде определитель (8) применяется
только при вычислении обьемного интеграла (4), используемого для учета
кондуктивной составляющей матрицы теплопроводности элемента в методе
конечных элементов. При вычислении поверхностных интегралов вида (2) и (3)
выражение (8) упрощается, так как указанные поверхностные интегралы, как
правило, сводятся к одномерным интегралам.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. – М.,
1965. - 424 c.
2.
Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 544 с.
3.
Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. – М.: Мир, 1979. – 392 с.
ТҮЙІНДЕМЕ
Мақалада изопараметрлік және субпараметрлік элементтер үшін Якоби матрицасының
анықтауышын есептеу алгоритмы келтірілген.
(Айтбаев К., Надыров А. Изопараметрлік және субпараметрлік элементтер үшін Якоби
матрицасының анықтауышын есептеу)
SUMMARY
The paper presents an algorithm for computing the determinant of the Jacobian matrix for
isoparametric and subparametric elements.
(Aitbayev K., Nadirov A. Computing the Determinant of the Jacobian Matrix for Isoparametric
and Subparametric Elements)
69
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
УДК 621.311
Н.Т.РУСТАМОВ
доктор технических наук,
профессор МКТУ им. Х.А.Ясави
Б.Р.КОНУСОВ
магистрант МКТУ им. Х.А.Ясави
Е.Н.РУСТАМОВ
магистр ТГТУ им. А.Р.Беруни
СОЗДАНИЕ ГИБРИДНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
В данной работе рассматривается концепция создания гибридной
энергостанции. Предлагаемая гибридная энергостанция, названной ‹‹СВБ››,
использует энергию солнца, ветра и биогаза одновременно для выработки
электрической, тепловой и т.д. энергии. Использования такой
энергостанции является очень эффективной для географически сильно
распределенных жилищных точек.
Ключевые слова: гибридная энергостанция, солнечные батареи, биогаз,
ветроэнергия, СВБ.
Введение. Заботясь о глобальном, не стоит забывать и о делах
житейских. Например, о том, что очень скоро электроэнергия и газ
подорожает. А вслед за европейскими ценами на газ и электричество в
Казахстан придут и европейские цены на электроэнергию (основная часть
электроэнергии в Казахстане вырабатываются электростанциями на
природном газе и угле).
Количество
установленных
персональных
солнечных
мини-
электростанций в Европе уже очень велико. И это не просто «мода», это и
весомый вклад в энергетику (до 10-15% в некоторых странах). Европа
полным ходом движется к зелёной энергетике, к зелёным лесам и чистым
рекам, к государственной и личной независимости. В том векторе будет
двигаться всё большее количество стран и людей. Например, солнечная
энергия привлекает многих. Действительно, на каждый квадратный метр
поверхности Земли падает около 3 кВт*ч даровой энергии в день. И велико
искушение так или иначе ее использовать для каких-либо утилитарных целей.
Тепловая энергия солнечных лучей давно и успешно используется - от
черных баков для душа на дачах до гелиоэлектростанций, концентрирующих
солнечную энергию на паровых котлах. Однако вызывает интерес
преобразование энергии солнечных лучей напрямую в электроэнергию - так
легче ее применить. Тем более, что солнечные элементы перестали быть чем-
70
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
то экзотическим.
Энергия ветра – это косвенная форма солнечной энергии, являющаяся
следствием разности температур и давлений в атмосфере Земли. Около 2%
поступающей на Землю солнечной энергии превращается в энергию ветра.
Ветер – очень большой возобновляемый источник энергии. Его энергию
можно использовать почти во всех районах Земли. Получение
электроэнергии от ветроэнергетических установок является чрезвычайно
привлекательной, но вместе с тем технически сложной задачей. Трудность
заключается в очень большой рассеянности энергии ветра и в его
непостоянстве.
Отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности позволяют
вырабатывать энергию. Энергию из ничего. Отходами может являться
птичий помет, навоз свиней, скота, пивная дробина, отходы боен,
послеспиртовая барда, канализационные стоки, свекольный жом и т.д.
Было бы очень эффективно использовать три эти типа источника энергии
одновременно. Тогда нам не мешало бы временное отсутствие солнца и
ветра.
Предлагаемую концепцию можно использовать как автономную
гибридную энергостанцию для электрификации различных объектов (школ,
медицинских пунктов, и т.д.), которая может использоваться в удаленных и
трудно доступных местах, где отсутствует традиционное электро и
водоснабжение.
Цель работы. Разработка технологии сборки гибридной электростанции
малой мощности сочетающих в себе солнечную, ветровую и биогазовую
энергию.
Метод решения. Предлагаемая гибридная электростанция является
модульным и ее сборка не является трудоемким. Ниже приводим один из
возможных вариантов сборки и расчетов ее компонент такой гибридной
энергостанции.
Рис.1. Общая схема предлагаемой гибридной энергостанции ‹‹СВБ››
71
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
В течение всего светового дня солнечная батарея генерирует
электричество, которое накапливается в аккумуляторных батареях.
Накопленная электрическая энергия преобразуется в напряжение 220В 50Гц
и расходуется по необходимости. Система позволяет вырабатывать энергию
не только в ясный солнечный день, но и в облачные и пасмурные дни.
Принцип действия ветровых станций прост: ветер, действуя на лопасти
установки, вращает ротор, приводя в движение вал электрогенератора.
Генератор вырабатывает электрическую энергию, и, таким образом, энергия
ветра превращается в электрический ток.
Биомасса является сконцентрированной энергией солнца. Ее можно
преобразовать в разнообразные виды топлива: жидкое, газообразное или же
использовать непосредственно для получения теплоты. В состав биомассы
входят сельскохозяйственные продукты, отходы сельскохозяйственных и
промышленных предприятий, лесоматериалы, морские растения. Биомасса
относится к местным источникам энергии. При сбраживании органических
отходов образуется биогаз.
Газ получается в процессе разложения (ферментации) органических
веществ без доступа воздуха (анаэробный процесс): помет домашних
животных, солома, ботва, опавшие листья и др. органические отходы,
образующиеся в индивидуальном хозяйстве. Отсюда следует, что биогаз
можно получать из любых хозяйственно бытовых отходов которые могут
разлагаться и бродить в жидком или влажном состоянии.
Эта смесь газов, которая содержит 50-80% метана, 50-20% углекислого
газа, меньше 1% сероводорода и следов аммиака. Содержимое метана в
биогазе колеблется, что существенным образом влияет на теплоту сгорания
этого топлива. При сгорании 1м
3
биогаза с 50%-ным содержанием метана
получают 17,8 МДж энергии, при 70%-ном содержании – 25,0 МДж. При
сгорании 1м
3
природного газа получают 34 МДж, I кг жидкого топлива – 42
МДж. Для того, чтобы собрать малогабаритную установку необходимо знать
из какого сырья и по какой технологии можно получить биогаз.
В предлагаемой концепции используются эти три типа энергии
солнечная, ветровая и биогазовая в результате получиться гибридная
энергостанция ‹‹СВБ››.
Для расчёта параметров ‹‹СВБ››, необходимо просуммировать мощность
всех электроприборов и умножить их на время работы. Допустим имеются
следующие потребители: холодильник, телевизор, компьютер, осветительные
приборы, зарядные устройства для телефонов, бытовые маломощные
инструменты.
Среднего размера холодильник класса потребления А расходует в день
примерно 680 Вт (смотрим паспорт изделия), ЖК телевизор с диагональю 54
см. потребляет примерно 50 Вт, при просмотре телевизора два часа в день это
100 Вт, компьютер (ноутбук) 60 Вт, при работе на компьютере три часа в
72
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
день потребление составит 180 Вт, освещение три энергосберегающие лампы
по 15 Вт четыре часа в день 15 х 4 х 4 = 240 Вт, зарядки трёх телефонов не
более 10 Вт в день, маломощная дрель или болгарка 5 минут непрерывной
работы (работа около часа) 50 Вт. Итого: 680 + 100 + 180 + 240 + 10 + 50 =
1260 Вт.
Этот расчёт сделан из тех обстоятельств, что мы серьёзно трудились и
отдыхали целый день: три часа на компьютере, час с дрелью два часа
смотрели телевизор и непрерывно болтали по трём телефонам.
Итак – мы собираемся потребить 1260 Вт. в сутки. В ЛЕТНЕЕ время
один Ватт энергии солнечной батареи производит в среднем (с учётом
пасмурных дней ) 11 Вт в сутки. КПД системы (зарядка аккумулятора и КПД
инвертора) около 50 %.
ИТОГ: мощность СВБ должна быть не менее 978 / 11 * 2 = 177,8 Вт.
Выводы. Исходя из вышеперечисленных фактов можно сделать
следующие выводы:
-
использование
альтернативных
источников
энергии
в
комбинированном
виде
увеличивает
надежность
электроснабжения
потребителей;
- производство электрической энергии с помощью гибридных
электроустановок, дает потребителям независимость от природно-
климатических факторов, влияющих на генерирование электроэнергии;
- увеличение обьема использования гибридных электростанций занимает
одну из важнейших ролей в решении нынешних экологических и
энергетических проблем.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. –
110 с.
2.
Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г. / Пер. с англ. Под ред.
Ю.Н.Старшикова. – М.: Энергия, 1990. – 256 с.
РЕЗЮМЕ
Бұл мақалада қайта жаңғыртылатын энергия есебінен жұмыс жасайтын гибридті электр
энергиясымен қамтамасыздандыратын жүйе құрастыру мүмкіншілігі қарастырылып отыр.
(Рустамов Н.Т., Конусов Б.Р. , Рустамов Е.Н. Гибридті энергия көзін құрастыру)
SUMMARY
This article discusses the possibility of a hybrid power supply system based on renewable
energy sources.
(Rustamov N.T., Konusov B.R., Rustamov E.N. Creating a Hybrid Power Source)
73
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
ӘОЖ669.01:548.04
Т.А.ТҰРМАМБЕКОВ
физика-математика ғылымдарының докторы,
Қ.А.Ясауи атындағы ХҚТУ-нің профессоры
А.ІЗБАСАРОВА
М.Әуезов атындағы ОҚМУ-нің магистранты
М.БАУБЕКОВА
М.Әуезов атындағы ОҚМУ-нің магистранты
«ЕНДІРУ» ЖӘНЕ «ШЫҒАРУ» ТҮРІНДЕГІ ДИСЛОКАЦИЯЛАРДЫҢ
ОРНАЛАСҚАНДАҒЫ АҚАУ ЭНЕРГИЯСЫНЫҢ ҚАТЫНАС
ШАМАЛАРЫ
Бұл жұмыста жеке дислокациялардың негізгі сипаттамасы болатын
орналасудағы ақаулар энергиясы қатынастарының сандық және сапалық
сипаты қарастырылады. «Шығару» және «ендіру» түрдегі ақаулардың ара
қатынасының
негізінде
қорытпа
құрылымының
модификациясы
болжанылады. Ақаудың орналасу энергияларының қатынас шамасына
термодинамикалық
факторлардың
әсері,
осы
термодинамикалық
факторлардың полиморфты модификациядағы дән шекараларына әсерін
сипаттап көрсетеді. Түрлі ақау өзгерістерінен кейінгі матрицалық
құрылымның өзгеру ықтималдылығы сипатталынады.
Кілт сөздер: ақау, "ендіру" және "шығару" ақаулары, дислокация,
орналасудағы ақау энергиясы, полиморфты морфология, термодинамикалық
факторлар, матрицалық құрылым түрлері.
Ендіру (γ
е
) және (γ
і
) шығару түрдегі орналасуындағы ақау энергиясының
(ОАЭ) қатынас шамаларының мәніне практикалық және теориялық
қызығушылық әрқашан болып отырады. Пластикалық деформация
теориясында металдар физикасының фундаментальды орны бар, себебі
пластикалық деформациядан біз кристалдардың реттелуі мен ретсізделу
процесінің негізін, соның нәтижесінде дислокацияның эволюция жүйесін
болжай аламыз.
Өзара әсерлесетін дислокациялар жүйесін қарастырғанда, пластикалық
деформацияның үрдіс сипатына жүйені құрайтын жеке дислокация
қасиеттерінің әсері үлкен, қайсыбір жағдайда негізгі мән ретінде алынады.
Жеке дислокациялардың негізгі сипаты – ыдыратылған дислокацияның екі
түрдегі орналасудың ақау энергиясымен тікелей байланысқан. Сонымен
қатар атомдық масштабтағы дислокациялық ақау, мысалы сызықтық
дислокация бастамасы қарастырылады. γ
е
мен γ
і
қатынастарының сандық
көрінісі рөлі дислокацияның басталуын ендіру негізіндеγ
е
(interstitial
74
АХМЕТ ЯСАУИ УНИВЕРСИТЕТІНІҢ ХАБАРШЫСЫ, №1, 2013
producing jogs) түсінік беруі мүмкін.
Ендіру түрі сияқты кристалдардың деформациялық – кернеу күйінің
орналасуына байланысты ақаулардың пайда болу жиілігінің корреляциясын
анықтау керек.Ендірілгенде пайда болатын орналасу ақауы сығылып
деформацияланған (прокатталған) материалдарда жиі кездеседі. Бірақ ендіру
түріндегі орналасу ақауы деформацияланған (қарапайым ығысу мен біржақты
созылған) монокристалдарда сирек кездеседі.
Енді жағы центрленген кубтық құрылымдағы ендіру және шығару типті
орналасу ақауының энергия қатынасының ( ξ = γ
е
/γ
і
) шамасын қарастыралық.
"Шығарудан" пайда болған орналасу ақауы (ОА) жағы центрленген кубтық
(ЖЦК) құрылымдағы екі көрші "гексагональды" қатпардың пайда болуымен
сәйкес келеді, ал "ендіру"–ден пайда болған орналасу ақауы да екі
"гексагональды" қатпарға, бірақ бұл қатпарлар бір "кубтық" қатпармен
бөлінген, сәйкес пайда болады.
Ж.Ц.К. құрылымның (3С) матрицасына реттеліп орналасқан ақауды
"ендіру" арқылы тығыз орналасқан құрылымның пайда болуын талдау
ықтималдылығының принципін пайдаланып [1] "ендіру" және "шығару"
арасындағы орналасу ақауының энергияларының қатынасын есептелік.
Ақаудың орналасу концентрациясының барлық шамаларындағы сәйкес
келетін ықтималдылық мәндері мен пайда болу әдістері белгілі болатын
құрлымдарды салыстыралық: мысалы үшін, тығыз қатпарлы ромбаэдрлік
құрылым 9R. ABC↓BCA↓CAB…ABCABA↓CABCAC↓BCABCB↓A…(L=3) Ж.
Ц.К. құрылым матрицасының әрбір үшінші қатарын шығарғандағы орналасу
ақауын ендіруден 9R құрылым пайда болады, ал 18 R
6
құрлым ОА- әрбір
бесінші қатарға (L=5) ақауды ендіруден пайда болады. 18 R
1
құрлымның
басқа
да
көрністері
болуы
мүмкін.
Дәлірек
айтатын
болсақ:
...АВСАВ↓А↓САВСА↓ВСАВС↓В↓А..., яғни ОА ендіруді матрицалық 3С
құрылымдағы әрбір бесінші және жетінші (L
1
=5,L
2
=7) қатарды шығарумен
орындайды. Матрицалық құрылымға ОА ендірудің екі түрлі әдісі болады. Бұл
әдістің біреуі – тығыз орналасқан қабатты тікелей ендіру (ОА-ендіру) немесе
алып тастау (ОА-шығару).
Бұл жағдайда 9R- құрылым төрт қатпарлы матрицалық құрлымға бір ОА-
ды шығару арқылы ендіруден пайда болады, ал 18R матрицалық құрлымның
бес қатпарына бір ОА ендіру арқылы пайда болады, немесе бастапқы 3С
құрлымының әрбір сегізінші қатарына екі "шығару" ОА-ын ендірумен алуға
болады. Бастапқы тығыз орналасқан құрылымда жаңа тығыз орналасқан
қатпардың пайда болу ықтималдылығы, бастапқы құрылымның "қайта
құрылу"-ға кеткен энергиясымен анықталынады. Сонымен 9R және
18R
6
құрылымдардың бастапқы 3С құрылымда пайда болу ықтималдылығы
барлық орналасу ақауының концентрация (α) мәніне сәйкес келеді.
W (9R) = W (18R
b
) = [α (1 – α)
2
]
1/3
Жалпы жағдайда, "ендіру" және "шығару" типті орналасу ақауларының
|