Перспективы применения электрохимических конденсаторов в составе комбинированных энергосиловых установок на автосамосвалах

И.Н. Варакин, к.х.н., В.В. Менухов, В.В. Самитин, к.т.н., ЗАО «ЭЛТОН», (Троицк, Московская обл.)

В настоящее время энергосбережение приобретает особую значимость, охватывая большинство сфер промышленного производства, в т.ч. и автотранспорт. Одно из перспективных направлений в развитии мирового автотранспорта - использование комбинированных энергосиловых установок (КЭУ), совмещающих ДВС (дизельный или газотурбинный двигатель внутреннего сгорания), электродвигатель и мощный накопитель электрической энергии (аккумулятор или электрохимический конденсатор) [1-2].

В связи с этим разработки ИГД УрО РАН по использованию карьерного автотранспорта с комбинированным приводом [3] весьма актуальны и своевременны. Такой привод позволит не только сократить расход дизельного топлива, но и в значительной степени снизить уровень загазованности в карьерах, что, в конечном счете, даст дополнительный экономический эффект при определении разноса бортов и возможной глубины карьеров, рассчитываемых исходя из условий вентиляции карьера.

Работа автосамосвала в карьере имеет циклический характер: погрузка - движение в грузовом направлении - разгрузка - движение в порожнем направлении. Наиболее продолжительны составляющие времени рейса - движение с грузом на подъем, при котором автомобиль запасает потенциальную энергию, и движение порожняком при спуске, когда накопленная потенциальная энергия рассеивается в виде тепла в тормозных устройствах автосамосвала. Если при спуске автосамосвала в карьер рекуперировать энергию торможения и запасать ее в накопителе энергии, то при маневрировании в карьере, погрузке и во время движения в рабочей зоне тяговые двигатели будут использовать запасенную в накопителе энергию, а ДВС будет выключен [3].

По оценкам специалистов ИГД УрО РАН [3], основное достоинство использования КЭУ состоит в сокращении времени работы ДВС на частичных режимах и холостых оборотах. При этом ДВС и накопитель, объединенные в одной схеме, работают каждый только на определенных этапах транспортного цикла (рейса) самосвала в оптимальных для этого условиях и режимах.

Основные режимы работы автосамосвала с КЭУ:

- в грузовом направлении самосвал движется за счет энергии в ДВС;

- разгрузка и движение по отвалу осуществляются за счет энергии накопителя;

- при спуске на нижние горизонты происходит зарядка накопителя за счёт энергии торможения;
- движение по горизонтальным участкам пути осуществляется за счет энергии накопителя;

- движение на рабочем горизонте, ожидание погрузки и установка самосвала под погрузку, запуск ДВС для начала движения груженого самосвала осуществляются за счет энергии накопителя.

Такой режим работы самосвала с ГЭУ обеспечит: движение на электротяге без участия ДВС в течение длительного времени; снижение загазованности карьера; экономию топлива; многократное глушение и надежный запуск ДВС в любых погодных условиях; электропитание собственных нужд транспорта за счет конденсаторной системы, без использования штатных аккумуляторных батарей; повышение срока службы механической системы торможения; для газотурбинного двигателя - стабильность выходных характеристик энергоустановки во всем диапазоне рабочих мощностей.

Определение технических требований к накопителю энергии в составе электропривода

Исходные данные для расчета

Коэффициент использования энергии при разгоне kи, учитывающий потери на трение и сопротивление воздуха, в электродвигателе, в механических передачах составляет для современного автомобильного транспорта 0.7-0.75 [2].

Удельное энергопотребление автомобильного транспорта при движении с постоянной скоростью 40 км/ч составляет 80-110 Вт-ч/т-км [4].

Для карьерного самосвала с учетом сложного рельефа пути kи можно принять равным 0.6, удельное энергопотребление - 140 Вт-ч/т-км.

Основные, необходимые для дальнейших расчетов, технические характеристики широко применяемых карьерных автосамосвалов «БЕЛАЗ» приведены в табл. 1.

Расчет эффективности рекуперации при использовании емкостного накопителя энергии, установленного на платформе транспортного средства

Расчетная энергия, необходимая для разгона транспортного средства массой m до скорости V, равна


С учетом коэффициента использования энергии при разгоне kи, учитывающего потери на трении и сопротивлении воздуха, в электродвигателе, в механических передачах расчетная энергия составляет Ер = Ет/kи. Энергия потерь равна:

Доступная для рекуперации в накопителе энергия составит



С учетом КПД работы накопителя п получаем энергию, поглощаемую накопителем:

Эффективность рекуперации можно представить как отношение энергии, поглощаемой накопителем, к энергии, необходимой на разгон транспортного средства.

Таким образом, максимальная эффективность рекуперации, когда цикл работы представляет собой только разгон и последующее торможение (без движения с постоянной скоростью) равна:

Принимая Vi= 0.9 V и п (ню) = 0.8, получаем максимальную эффективность рекуперации


Оценка параметров накопителя для автосамосвала БЕЛАЗ-7549 грузоподъемностью 80 тонн


Расчетная энергия, необходимая на разгон груженого самосвала до скорости 40 км/ч с учетом kи составит:



С учетом эффективности рекуперации EF = 0.13 энергия торможения, возвращаемая для использования, составляет:

 



Время, затрачиваемое на разгон, составит:

15.4 МДж/600 кВт = 25 сек.


Расчетная энергия, необходимая на разгон порожнего самосвала до скорости 40 км/ч, составит:


С учетом эффективности рекуперации EF = 0.13 энергия торможения, возвращаемая для использования, составляет:

 

7.2-0.13 = 0.94 МДж за цикл.


При времени, затрачиваемом на разгон, около 25 с необходима средняя мощность не более 7.2 МДж/25 с = 290 кВт. При времени на торможение 10 сек. мощность составит:

0.94 МДж/10 с =94 кВт.


В табл. 2 представлены технические требования на накопитель в составе электропривода самосвалов с комбинированной энергосиловой установкой для автосамосвалов БЕЛАЗ грузоподъемностью 80, 120 и 220 т, полученные в результате проведенной оценки.

Оценочные параметры конденсаторной накопительной системы для КЭУ карьерных самосвалов могут быть уточнены при участии специалистов заинтересованных отраслей промышленности.

Одним из вариантов системы суперконденсаторных накопителей в составе КЭУ может выступать система с асимметричными суперконденсаторными модулями [5].

Отличительные качества таких конденсаторов:

- высокие удельная мощность и энергия;

- широкий интервал рабочих температур (-50...+70°С);

- срок службы свыше 15 лет;

- высокая надежность и устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду без выхода из строя;
- низкий саморазряд;

- отсутствие необходимости обслуживания в течение всего срока эксплуатации;

- безопасность в эксплуатации;

- отсутствие материалов, опасных для здоровья человека и окружающей среды.

Установленный на автосамосвале с КЭУ конденсаторный накопитель будет значительно превосходить по технико-экономическим и эксплуатационным показателям аккумуляторную батарею, а также ряд отечественных и зарубежных конденсаторов других типов [6-8].

В табл. 3 представлены варианты конденсаторного накопителя для различных моделей-аналогов самосвалов БЕЛАЗ. Характеристики конденсаторного модуля, из которых построен накопитель, представлены в табл. 4.

Как видно из табл. 3, параметры конденсаторных накопителей удовлетворяют сформулированным требованиям (см. табл. 2). Пробег на электротяге порожнего самосвала за счет энергии конденсатора составит около 0.5 км. Масса накопителя составляет около 1.5% от массы груженого самосвала.

Эффективность использования конденсаторного накопителя

Удельный расход топлива на транспортирование горной массы карьерными автосамосвалами составляет 80-140 г/т-км [3].

Предположим, что один карьерный самосвал совершает в среднем 10 рейсов в смену (или 30 - в сутки).

Тогда самосвал грузоподъемностью 120 т, перевозящий за сутки 120 т ■ 30=3600 т груза, расходует 2386 л/сутки или 620.2 тыс. л/год дизельного топлива, что равноценно 9.3 млн. руб. (при цене 15 руб./л). При условии экономии самосвалом, оснащенным КЭУ, хотя бы 10% топлива можно прогнозировать снижение расходов на топливо на 0.93 млн. руб. в год. С учетом увеличения ресурса работы двигателя экономический эффект будет выше.

Оценочные экономические показатели эффективности применения конденсаторного накопителя для различных моделей-аналогов самосвалов БЕЛАЗ представлены в табл. 5. Из табл. 5 видно, что конденсаторный накопитель может окупиться за 2-2.6 года эксплуатации.

Опыт применения суперконденсаторов


Конденсаторы рассматриваемого типа прошли большой объем испытаний в США и России, где уже более 8 лет успешно применяются для запуска двигателей на грузовом и пассажирском транспорте, на опытных образцах пассажирского и грузового транспорта с гибридными силовыми установками, в системах качественной энергии промышленных предприятий.

Характеристики и качество конденсаторов подтверждены национальными лабораториями в США: INEEL (Idaho National Engineering and Environmental Laboratory) [9], NREL (National Renewable Energy Laboratory) [10], EPRIPEAC [11], BGU (Bowling Green State University) [2], SNL (Sandy National Laboratory) [12], JC (Johnson Controls, Inc.), а также рядом организаций России, в т.ч. МО РФ: ВНИИЖТ, НАТИ, ООО «НИЦ спецтехники и конверсии «Континент», НИИР, ОАО «Тролза» (Энгельс, Саратовская обл.), ОАО «Транс-Альфа» (Вологда), ЗАО «Метро-вагонмаш», Приволжская ЖД.

Суперконденсаторные модули [5] уже более 2 лет эксплуатируются в составе опытных гибридных энергоустановок на автобусе Goshen Coach Euro Shuttle - HBD™ и грузовом фургоне, разработанных в Bowling Green State University (США) [2].

Специалистами МЭИ (ТУ) разработан первый в России гибридный автобус с конденсаторными накопителями, первый этап испытаний которого проведен в г. Майкоп [13].

В 1997 году по заказу правительства Москвы были разработаны и поставлены для эксплуатации на ВВЦ восемь электробусов «Лужок» и три электрофургона типа «Газель», в которых конденсаторы «ЭЛТОН» стали единственным источником питания силовой установки. Время полного заряда конденсаторов «ЭЛТОН» массой 1 т, рабочим напряжением 160 В и запасаемой энергией 30 МДж - 15 минут!

Энергия, накопленная в конденсаторах, установленных на опытном троллейбусе ВМЗ 5298-30АХ, используется для разгона троллейбуса и автономного его движения (без контактного провода) на пути, протяженностью в несколько километров. Троллейбусы эксплуатируются в Вологде и Москве в 1-м троллейбусном депо.

Эффективность использования конденсаторных накопителей и конденсаторов «ЭЛТОН» характеризуют данные табл. 6.


Заключение

Применение суперконденсаторов в качестве накопителя энергии в комбинированной энергосиловой установке карьерного автосамосвала позволит исключить работу дизельного двигателя на вспомогательных операциях транспортного цикла, и, следовательно, сократить время работы на частичных и холостых режимах. Это позволит снизить загазованность рабочей зоны карьеров и уменьшить расход топлива.

Полагаем, что направление по созданию карьерного автотранспорта с комбинированными энергосиловыми установками технически реализуемо и перспективно, т.к. соответствует современным тенденциям автомобилестроения. Накопители, построенные на основе конденсаторных модулей, будут востребованы при разработке КЭУ для карьерного автотранспорта.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Kevin Chandler, Kevin Walkowicz, Leslie Eudy. New York City Transit Diesel Hybrid-Electric Buses: Final Results// DOE/NREL Transit Bus Evaluation Project 2002.

2. A.J. Palumbo, J. Major, A. Bloomfeld. Diesel/Electric Hybrid Vehicle Developments Using Ultracapacitors / / The Advanced Capacitor World Summit, 2003, Washington.

3. Тарасов П.И., Бахтурин ЮА., Глебов А.В., Ковалев Г.Е. Условия и перспективы применения комбинированных энергосиловых установок на карьерных автосамосвалах// Энергосбережение на карьерном автомобильном транспорте. Материалы международного научно-технического семинара, 24-26 июля 2003 г. -Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003.

4. Щетина ВА. «Электромобиль: Техника и экономика».- Л.: Машиностроение. Ленинград. отд-ние, 1987. - 253 с.

5. www.esma-cap.com.

6. http://nesscap.com, www.maxwell.com,www.epcos.com,www.elit-cap.com.

7. I.N. Varakin, EA. Kilganova, A.D. Klementov, S.V. Litvinenko, V.V. Menuhov, V.V. Samitin, N.F. Starodubtsev, A.B. Stepanov. In Proceedings of " The 7-13th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices", 1997-2003. Deerfield Beach, Florida, USA.

8. I.N. Varakin, VA. Karpov, A.D. Klementov, S.V. Litvinenko, V.V. Samitin, A.I. Smelkov, N.F. Starodubtsev. In Proceedings of "The 17,18,20th International Electric Vehicle Symposium", 2000-2003.

9. R. Wright, D. Jamison. Performance Studies of Commercial Ultracapacitors by the U.S. DOE FreedomCAR Program// The Advanced Capacitor World Summit, 2004, Washington.

10. T. Key, T. Basso. Fast Response, Load-Matching Hybrid Fuel Cell// Quarterly Review Meeting, 2002, Madison, WI.

11. H. Kamath, T. Geist. A 2000 V Ultracapacitor for Transmission Stability// The Advanced Capacitor World Summit, 2004, Washington.

12. T. Hund, N. Clark, W. Baca, C. Tatum, G. Nagasubramanian, D. Ingersol. Testing Ultracapacitors. //Power Source Engineering Dept. 2002.

13. http://news.ntv.ru/113916/

Журнал "Горная Промышленность" №3 2008, стр.79