Применение электрохимических конденсаторов ЗАО «Элтон» в составе гибридных энергосиловых установок на карьерном автотранспорте Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© И.Н. Варакин, В.В. Менухов, В.В. Самитин, 2008

УДК 621.319.4

И.Н. Варакин, В.В. Менухов, В.В. Самитин

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ ЗАО «ЭЛТОН» В СОСТАВЕ ГИБРИДНЫХ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК НА КАРЬЕРНОМ АВТОТРАНСПОРТЕ

~П настоящее время энергосбережение приобретает особую

-Я-М значимость, охватывая большинство сфер промышленного производства, в т.ч. и автотранспорт. Наиболее перспективным направлением в развитии мирового автотранспорта является использование гибридной энергосиловой установки (ГЭУ), совмещающей ДВС (дизельный или газотурбинный), электродвигатель и мощный накопитель электрической энергии (аккумулятор или электрохимический конденсатор) [1-3].

Использование карьерного автотранспорта с гибридным приводом может 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 при транспортировании горной массы имеет циклический характер: погрузка - движение в грузовом направлении - разгрузка - движение в порожнем направлении. Наиболее продолжительными операциями рабочего цикла являются, 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 на погрузку тяговые двигатели будут использовать запасенную в накопителе энергию, а ДВС будет выключен [3].

106

Основным достоинством использования ГЭУ является сокращение 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 в оптимальных для этого условиях и режимах.

Основные режимы работы автосамосвала с ГЭУ:

- в грузовом направлении самосвал движется за счет энергии 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 горизонтали осуществляется за счет энергии накопителя,

- движение на нижнем горизонте, простой и погрузка, запуск ДВС осуществляются за счет энергии накопителя.

Такой режим работы самосвала с ГЭУ позволит:

- в течение длительного времени осуществлять движение на электротяге без участия ДВС,

- снизить загазованность карьера,

- экономить топливо,

- обеспечивать многократное глушение и запуск ДВС в любых погодных условиях,

- обеспечить электропитание собственных нужд транспорта за счет конденсаторной системы, отказавшись от использования штатных аккумуляторных батарей,

- повысить срок службы механической системы торможения,

- в случае газотурбинного двигателя накопитель обеспечит стабильность выходных характеристик энергоустановки во всем диапазоне рабочих мощностей.

1. Определение технических требований к накопителю энергии в составе электропривода

Основания для расчета

Коэффициент использования энергии при разгоне КИ, учитывающий потери на трении и сопротивлении воздуха, в электродвигателе, в механических передачах составляет для современного автомобильного транспорта величину 0,7-0,75 [2]. Удельное энергопотребление автомобильного транспорта Таблица 1

107

Технические характеристики самосвалов и сделанные допущения

Модель автосамосвала БелАЗ

7549 7514 7530

Грузоподъемность, т 80 120 220

Масса снаряженного самосвала, т 70 90 150

Масса груженого самосвала, т 150 210 370

Мощность ДВС, кВт 750 1029 1765

Мощность генератора, кВт 630 800 1400

Мощность электродвигателя, кВт 360 380 590

Средняя скорость движения, км/ч 40

Удельное энергопотребление, Втч/ткм 140

Коэффициент использования энергии при разгоне КИ 0,6

при движении с постоянной скоростью 40 км/час составляет 80-110 Втч/ткм [4].

Для карьерного самосвала с учетом сложного рельефа пути КИ можно принять равным 0,6, удельное энергопотребление - 140 Втч/ткм.

В табл. 1 приведены основные, необходимые для расчетов, технические характеристики широко применяемых карьерных самосвалов БелАЗ.

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

Расчетная энергия, необходимая для разгона транспортного средства до скорости V равна Ет = :^2/2. С учетом коэффициента использования энергии при разгоне КИ, учитывающего потери на трении и сопротивлении воздуха, в электродвигателе, в механических передачах имеем Ер = Ет/КИ. Энергия потерь равна

Епот = Ер — Ет = Ет /Ки — Ет = Ет(1/Ки — 1).

Доступная для рекуперации в накопителе энергия составит

Ед = Ет1 — Ет1(1/Ки — 1) = ЕТ1 (2 — 1/Ки),

где Ет1 — запасенная энергия транспорта после выбега, Ет1 = mVl2/2 (VI — скорость транспорта после выбега).

108

С учетом КПД работы накопителя п получаем энергию, поглощаемую накопителем, Еп = пЕт1(2 - 1/КИ). 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:

ББ = пКи (2 - 1/Ки) Ет1/ Ет = п Ки (2 - 1/Ки) У^/У2.

Принимая п = 0,8, У1=0,9У и п накопителя равным, например, 0,8 получаем максимальную эффективность рекуперации ББ = 0,8х0,6х(2-1/0,6) х 0,81 = 0,13.

Оценка параметров накопителя на примере автосамосвала БелАЗ модели 7549 (грузоподъемность 80 т)

Расчетная энергия, необходимая на разгон загруженного транспорта до скорости 40 км/ч с учетом КИ составит 150000*11,12/2/0,6 = 15,4 МДж. С учетом эффективности рекуперации ББ = 0,13 энергия торможения, возвращаемая для использования, составляет 15,4*0,13 = 2,0 МДж за цикл.

Время, затрачиваемое на разгон, составит 15,4 МДж/600 кВт = 25 с. Расчетная энергия, необходимая на разгон незагруженного транспорта до скорости 40 км/ч составит 70000*11,12/2/0,6 = 7,2 МДж. С учетом эффективности рекуперации ББ = 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 торможения 10 с мощность составит 0,94 МДж/10 с = 94 кВт.

В табл. 2 представлены технические требования на накопитель в составе электропривода гибридных самосвалов различных моделей грузоподъемностью 80, 120 и 220 т, полученные в результате проведенной оценки.

С помощью специалистов заинтересованных отраслей промышленности оценочные параметры конденсаторной накопительной системы для ГЭУ карьерных самосвалов могут быть уточнены. Таблица 2

Технические требования на накопитель энергии в составе электропривода гибридного самосвала

109

Модель автосамосвала БелАЗ

7549 7514 7530

Номинальная разрядная мощность, кВт Номинальная зарядная мощность, кВт Отдаваемая энергия в окне рабочих напряжений, МДж

при мощности 290 кВт при мощности 370 кВт при мощности 620 кВт

Время разряда при номинальной мощности , с Эффективность (Еа/Ес) в цикле заряда разряда

290 370 620 94 120 200

7,2

Не менее 25 Не менее 0,8

9,2

15,4

2. Накопитель энергии на основе электрохимических конденсаторов производства ЗАО «ЭЛТОН» («ЭСМА»)

По нашему мнению, наиболее подходящим по технико-экономическим характеристикам накопителем для транспорта с ГЭУ являются отечественные электрохимические конденсаторы производства ЗАО «ЭЛТОН» («ЭСМА»).

Отличительные качества конденсаторов ЭЛТОН:

• Высокая удельная мощность и энергия.

• Широкий интервал рабочих температур (—50/+70 0С).

• Срок службы свыше 15 лет.

• Высокая надежность и устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду без выхода из строя.

• Низкий саморазряд.

• Отсутствие обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

• Безопасность в эксплуатации.

• Отсутствие материалов, опасных для здоровья и окружающей среды.

Установленный на гибридном самосвале конденсаторный накопитель ЭЛТОН, будет значительно превосходить по технико-экономическим и эксплуатационным показателям аккумуляторную батарею, а также конденсаторы других производителей (отечественных и зарубежных) [5-7].

В табл. 3 представлены варианты конденсаторного накопителя для различных моделей-аналогов самосвалов БелАЗ. Таблица 3

Характеристики конденсаторного накопителя для различных моделей-аналогов самосвалов БелАЗ

110

Модель автосамосвала БелАЗ 7549 7514 7530

Накопитель 60*10ЭК303 80*10ЭК303 120*10ЭК303

Диапазон рабочих напряжений, В 900-450 1200-600 1800-900

Л> Запасаемая энергия, МДж 22,7 30,3 45,5

Максимальная мощность, МВт 1,7 2,3 3,4

Масса, т 2,04 2,72 4,08

Объем, м3 1,40 1,87 2,8

Отдаваемая энергия, МДж при

мощности:

290 кВт 18,6 - -

370 кВт - 24,8 -

620 кВт - - 37,0

Время разряда, с при мощности:

290 кВт 64 - -

370 кВт - 67 -

620 кВт - - 60

Пробег на электротяге порож-

него самосвала за счет энергии 0,5

конденсатора, км

Характеристики конденсаторного модуля, из которых построен накопитель, представлены в табл. 4.

Таблица 4

Основные характеристики конденсаторного модуля 10ЭК303

Рабочее напряжение, В 15

Емкость, Ф 4500

Запасаемая энергия, кДж 506

Максимальная мощность, кВт 28

Габаритные размеры, мм 512x181x251

Масса, кг 34

Рабочая температура, 0С -50/+70

Ресурс, циклы 1 000 000

Срок службы, лет Более 15

Как видно из табл. 3, параметры конденсаторных накопителей удовлетворяют сформулированным требованиям (см. табл. 2). Про-

111

бег на электротяге порожнего самосвала за счет энергии конденсатора составит около 0,5 км. Масса накопителя составляет около 1,5 % от массы груженого самосвала.

3. Эффективность использования конденсаторного накопителя

Удельный расход топлива на транспортирование горной массы карьерными автосамосвалами составляет 80-140 г/ткм. При этом на перевозку 1 т горной массы требуется до 2 л дизельного топлива

[3].

Предположим, что один карьерный самосвал совершает в среднем 15 рабочих циклов в смену или 30 циклов в сутки. Отсюда самосвал с грузоподъемностью 80 т перевозит 80^30= =2400 т груза в сутки. Это соответствует 4800^250=1,2 млн. л/год, что равноценно 18 млн. рублей (при цене дизельного топлива 15 руб./л). При условии экономии самосвалом, оснащенным ГЭУ, хотя бы 10 % топлива имеем экономию 1,8 млн. рублей. С учетом увеличения ресурса работы двигателя экономический эффект будет больше.

Табл. 5 иллюстрирует оценочные экономические показатели конденсаторного накопителя для различных моделей-аналогов самосвалов БелАЗ. Из таблицы видно, что конденсаторный накопитель может окупиться менее чем через год эксплуатации.

Таблица 5

Экономические показатели конденсаторного накопителя для различных моделей-аналогов самосвалов БелАЗ

Модель автосамосвалов БелАЗ 7549 7514 7530

Накопитель 60*10ЭК303 80*10ЭК303 120*10ЭК303

Запасаемая энергия, МДж 22,7 30,2 45,3

Стоимость при промышленном

производстве конденсаторов (оснащение более 340 самосва- 1,6 2,2 3,2

лов/год), млн. рублей

Экономический эффект при

условии 10 % экономии топ- 1,8 2,7 4,9

лива, млн. руб.

Срок окупаемости конденса- 0,9 0,8 0,6

торного накопителя, годы

4. Апробация конденсаторов ЭЛТОН

Конденсаторы ЭЛТОН прошли большой объем испытаний в США и России, где уже более 8 лет успешно применяются на грузовом и пассажирском транспорте для запуска двигателей, на

112

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) [8], NREL (National Renewable Energy Laboratory) [9], EPRI PEAC [10], BGU (Bowling Green State University) [2], SNL (Sandy National Laboratory) [11], JC (Johnson Controls, Inc.), а также рядом организаций России, в том числе в МО РФ: ВНИИЖТ, НАТИ, ООО «НИЦ спецтехники и конверсии «КОНТИНЕНТ», НИИР, ОАО «ТРОЛ-ЗА» (г. Энгельс, Саратовская обл.), ОАО «ТРАНС-АЛЬФА» (г. Вологда), ЗАО «МЕТРОВАГОНМАШ», Приволжская ЖД.

На конденсаторные модули ЭЛТОН имеются российские сертификаты соответствия.

Конденсаторы ЭЛТОН (ЭСМА) 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 (Ohio, USA) [2].

энергетического института разработан первый в России гибридный автобус с конденсаторными накопителями ЭЛТОН. В настоящее вре-

Гибридный автобус Goshen Coach Euro Shuttle - HBD™ Ohio, USA, 2004 Оптимальная скорость движения -64 км/ч

Пассажировместимость - 100 чел. Снижение мощности дизеля - 50 % Экономия топлива - >20 % Снижение выхлопа ядовитых веществ на 80 %

Гибридный грузовик-фургон (Университет Боулинг Грин, Огайо, США, 2003 год) Оптимальная скорость движения -64 км/ч

Снижение мощности дизеля - 50 % Экономия топлива - >20 % Снижение выхлопа ядовитых веществ на 80 %

Специалистами Московского

113

мя в г. Майкоп проходят его испытания. Информацию об испытаниях можно найти в интернете по адресу http://news.ntv.rU/113916/.

В 1997 году по заказу правительства Москвы были разработаны и поставлены для эксплуатации на ВВЦ восемь электробусов и три электрофургона типа «Газель», в которых в качестве единственного источника питания использовались конденсаторы ЭЛТОН.

Электробусы «Лужок» (г. Москва, 1998) Пассажировместимость - 50 чел. Максимальная скорость - 25 км/ч Максимальный пробег - 11 км Время полного заряда конденсаторов - 15 мин

Конденсаторная система ЭЛТОН (масса -1 т)

Рабочее напряжение - 160 В Запасаемая энергия - 30 МДж

Энергия, накопленная в конденсаторах ЭЛТОН, установленных на опытном троллейбусе ВМЗ 5298-30АХ, используется для разгона троллейбуса и обеспечения нескольких километров автономного хода без контактного провода. Троллейбусы эксплуатируются в Вологде и

Троллейбус ВМЗ 5298-30АХ с автономным ходом

Оптимальная скорость движения -50 км/ч

Пассажировместимость - 110 чел. Автономный пробег с полной загрузкой - 3,5 км

Снижение расхода электроэнергии ->10 %

5. Заключение

Применение конденсаторов ЭЛТОН в качестве накопителя в гибридном карьерном самосвале позволит сократить время работы двигателя на частичных режимах и холостых оборотах и, значит, снизить расходы на моторное топливо, а также в значительной степени снизить загазованность промплощадки карьеров, т.е. существенно улучшить экологическую обстановку в рабочей зоне, что даст дополнительный экономический эффект. Конденсаторный на-

Москве в 1-м троллейбусном депо.

114

копитель может окупиться менее чем через год эксплуатации транспортного средства.

Мы надеемся, что накопители, построенные на основе конденсаторных модулей ЗАО «ЭЛТОН», будут востребованы при разработке ГЭУ для карьерного автотранспорта.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

3. Тарасов П.И., Бахтурин Ю.А., 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 В.А. «Электромобиль: Техника и экономика».- Л.: Машиностроение. Ленинград. отд-ние, 1987. - 253 с.

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

6. Varakin I.N., Kilganova E.A., Klementov A.D., Litvinenko S.V., Menuhov V.V., Samitin V.V., Starodubtsev N.F., Stepanov A.B. In Proceedings of "The 7-13th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices", 19972003, Deerfield Beach, Florida, USA.

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

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

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

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

11. Hund T., Clark N., Baca W., Tatum C., Nagasubramanian G., Ingersol D. Testing Ultracapacitors. //Power Source Engineering Dept. 2002. 8И

— Коротко об авторах -

Варакин И.Н. - к.х.н.,

Менухов В.В., Самитин В.В. - к.т.н.,

ЗАО «ЭЛТОН».

© В.С. Квагинидзе, В.Б. Корецкий, Н.А. Корецкая, 2008

115