Возможность применения новых типов аккумуляторных батарей на тепловозах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Дипломный проект написан на актуальную тему «Возможность применения новых типов аккумуляторных батарей на тепловозах».

В данном дипломном проекте рассмотрено введение в применение на тепловозах аккумуляторных батарей новых типов.

Произведены расчеты для определения параметров электрического оборудования необходимого для проектируемой аккумуляторной батареи.

В экономической части было произведено сравнение эксплуатационных расходов рассматриваемых батарей и рассчитана лимитная цена проектируемой батареи.

Содержание

Введение

1. Обзор представителей гибридного подвижного состава

1.1 Отечественные разработки локомотивов с накопителями энергии

1.2 Японские технологии

1.3 Немецкие и австрийские технологии

1.4 Американские разработки гибридного подвижного состава

1.5 Французские технологии

1.6 Варианты технологий с применением суперконденсаторов

2. Технические характеристики применения возможного варианта накопителя энергии - суперконденсатора

2.1 Описание технологии и классификация суперконденсаторов

2.2 Сравнение накопителей энергии

2.3 Электролиты используемые в накопителях энергии

2.4 Проектирование системы и возникающие проблемы

2.5 Необходимость балансировки напряжений при заряде ионисторов

3. Электрооборудование для работы проектируемого локомотива и определение его параметров

3.1 Выбор аккумуляторной батареи

3.2 Импульсный преобразователь напряжения

3.2.1 Параметры входного фильтра

3.2.2 Параметры выходного фильтра

3.2.3 Выбор IGBT модуля и моделирование его работы

3.3 Беспроводная система зарядки аккумуляторной батареи

4. Компьютерное моделирование для исследования возможности работы электропривода от накопителя

4.1 Компьютерная модель тяговой аккумуляторной батареи

4.2 Компьютерная модель тягового электропривода

4.3 Компьютерная модель импульсного преобразователя

4.4 Результаты моделирования

5. Технико-экономический расчет

5.1 Расходы на энергоресурсы

5.2 Расходы на экипировку локомотивов

5.3 Расходы на проведение технических обслуживаний и ремонтов

5.4 Расчет годовых текущих затрат на оплату труда локомотивных бригад

5.5 Расчет лимитной цены

5.6 Сравнение затрат между базовым и проектируемым локомотивами

6. Охрана труда

6.1 Введение

6.2 Электробезопасность

6.3 Химический фактор

6.4 Микроклимат

6.5 Шум и вибрация

6.6 Мероприятия по снижению вредных воздействий

6.7 Расчет вентиляции

6.8 Выводы по разделу

Заключение

Библиографический список

Введение

Экологическая ситуация в мире с каждым годом становится все хуже, и это ставит сложную задачу перед инженерами и конструкторами подвижного состава. На железных дорогах тепловозы выбрасывают в атмосферу большое количество углекислого газа при сжигании топлива. Зарубежные производители железнодорожной техники борются над решением этой задачи, путем применения альтернативных источников энергии для создания силы тяги. Компании стараются заменить полностью дизельные единицы на гибридные, представляющие собой сочетание ДВС, который приводит в действие генератор электрического тока, и накопителей электрической энергии, которые в свою очередь заряжаются от генератора. В качестве перезаряжаемых систем хранения электрической энергии используются аккумуляторные батареи и суперконденсаторы.

Кроме экологической составляющей, применение гибридных машин снижает затраты на энергоресурсы, так как электроэнергия сравнительно дешевле чем дизельное топливо.

Целью данного дипломного проекта является проектирование на базе маневрового тепловоза ТЭМ18ДМ локомотива, оснащенного аккумуляторными батареями полностью компенсирующими затраты энергии на тягу, тем самым исключая использование дизельного агрегата.

На отечественных железных дорогах гибридные технологии развиты слабо. Оснащение маневровых тепловозов накопителями энергии или же полное исключение тепловозного оборудования, позволяет сделать их «дружелюбными» по отношению к пассажирам на вокзалах.

Задачи, решаемые в проекте, касаются разработки электрической схемы локомотива, применения беспроводной системы зарядки, выбора накопителя энергии и моделирования возможности разгона локомотива от примененного источника питания.

1. Герметичные свинцовые аккумуляторы (необслуживаемые аккумуляторы)

1.1 Выделение газов в конце зарядки аккумуляторов

На анодах свинцового аккумулятора перед окончанием цикла заряда начинает выделяться кислород, который рекомбинирует на катодах, отделяющихся от анодов электролитом, который не позволяет диффузии кислорода осуществляться быстро, поэтому в традиционных аккумуляторах может рекомбинировать только малая часть газа. Большая же часть испаряется наружу через вентиляцию. Во время данного процесса происходит потеря электролита, который необходимо время от времени подливать.

У батарей, применяемых в настоящее время, отсутствует этот недостаток, ведь кислород, которых в них выделяется, не успевает попасть от анода к катоду аккумулятора. Он диффунцирует через пузырьки в электролите. Диффузия в газах протекает намного быстрее, чем диффузия в жидкостях. Скорости диффузии в газах и жидкостях разнятся в тысячи раз. Поэтому, если соблюдаются все условия эксплуатации, то данная аккумуляторная батарея является практически герметичной. Следствием из вышесказанного является то, что в современных свинцовых аккумуляторах практически отсутствуют потери воды. Таким аккумуляторным батареям практически не требуется обслуживание, также значительно увеличивается их срок службы. Возникает вопрос, как проводить проверку данных аккумуляторных батарей, если там отсутствует отверстие, через которое можно измерить плотность или количество электролита. Для решения этой проблемы созданы специальные тестеры, показывающее напряжение аккумулятора и его емкость.

Пузырьки газа не могут находиться неподвижно в жидкости. Они всплывают наверх и улетучиваются. Поэтому для того, чтобы удержать пузырьки, существуют две специальные технологии: AGM и GEL.

С помощью AGM удерживают пузырьки в сепараторе, состоящем из тончайщего стекловолокна.

Технология GEL обеспечивает удержание газа с помощью специального гелеобразного электролита.

Обе используемые технологии подразумевают использование в качестве электролита серной кислоты. Оба типа являются одинаковыми, если обращать внимание на эксплуатацию и срока их хранения. Они герметичны, практически не выделяют газов, исключена утечка электролита.

На данный момент широкое распространение имеют батареи технологии AGM. Именно они используются в наибольшем количестве тепловозов. Применение гелевых аккумуляторов имеют большее применение среди систем связи. Из них наибольшее применение имеют те, которые имеют среднюю или большую емкость.

Электролиты, используемые в накопителях энергии Ацетонитрил широко используется в аккумуляторных батареях. Данный реактив, предположительно, вызывает врожденные дефекты и рак, а также является горючим, выделяя токсичные (например, HCN) газы при сжигании. Многие производители предлагают, как правило, водные электролиты, такие как серная кислота. Они имеют очень мало ограничений в отношении утилизации после использования. Быстро растет процент компаний, которые предлагают водные электролиты или относительно новые ионные жидкости, которые по своей природе ионной проводимости не нуждается в растворителе. Процентное распределение видов электролитов, используемых в инисторах, показано на следующей диаграмме (рисунок 2.4). Как видно из диаграммы, ацетонитрил составляет 51% от общего объема электролитов, применяемых для создания ионисторов, но с каждым годом этот процент уменьшается.



аккумулятор электропривод суперконденсатор тепловоз

Низкая температура работы является преимуществом, иногда это означает -40C. Тем не менее, это меняется с улучшенными альтернативными электролитами, имеющими хорошую эффективность при низкой температуре и плотности энергии, большинство из которых не горючие (водные) или самозатухающие (органические), а также «зеленые» с точки зрения утилизации.

Выбор между водным и органическим электролитом зависит от 4 параметров, которые противоречивы: сопротивление, емкость, технологичность и потенциальный размер окна, в котором система электрохимически стабилизирована. Разработка электролитов является важным направлением повышения производительности, экологичности и уменьшения или устранения горючести.

Многие из водных электролитов используют серную кислоту или гидроксид калия, который является неопасным и неядовитым. Гелевые полимерные электролиты также представляет интерес для увеличения срока службы, они могут быть любого формата и с меньшими возможностями утечки, но, как правило, имеют не самые лучшие характеристики при низких температурах. Полимерная матрица может быть на основе поли (пропилена), поли (винилиденхлорид дифторида), поли (тетрафторэтилена), поли (этиленоксид) (ПЭО), полианилин (ПАНИ) или поли (метилметакрилата) (ПММА).

В наши дни становятся все более распространенными батареи в корпусе из фольги. Электролит в данном случае имеет густую гелевую структуру (гельполимерный). Применение электрола позволяет разместить всё, что находится в аккумуляторе, в герметичном пакете. Небольшой вес оболочки такого аккумулятора обеспечивает наибольшую удельную энергию. Габариты из различны, потому что в корпусе данному аккумулятору надобности нет.

Токовыводы у данных аккумуляторов тонкие, металлические. Для того, чтобы изготовить батарею из простого аккумулятора, в токовыводах необходимо сделать отверстия для соединения болтами. Выводы аккумуляторов, имеющих сравнительно небольшую емкость, необходимо соединить с помощью сварочных работ или припаять друг к другу. Если же имеется только один аккумулятор, который находится в устройстве, то провода достаточно просто припаять.

По конструкции данные аккумуляторы делятся на:

1) Токовыводы расположены с одной и той же стороны

2) Токовыводы расположены с разных сторон

Второй тип является более рациональным при высоких токах происходящего разряда, потому что в данном случае осуществляется меньший нагрев и увеличивается срок службы аккумулятора.

На данный момент ламинированные аккумуляторы достаточно распространены в применении. Их способность изменять типоразмер делает их наиболее востребованными.

НПК «Уралвагонзавод», ОАО «Таганрогский металлургический завод» и других предприятиях и холдингах.

Еще одним, достойным внимания, отечественным опытом может служить тепловоз Брянского машиностроительного завода, входящего в состав ЗАО «Трансмашхолдинг». Завод в 2013 г. выпустил первый к тому времени российский гибридный маневровый тепловоз ТЭМ35, представленный на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Тепловоз ТЭМ35

В ходе проведенных испытаний тепловоз ТЭМ35 с комбинированной силовой установкой (дизель и конденсаторные накопители энергии) показал рекордный для его характеристик результат - ведение состава весом 7000 т. на сортировочной горке в локомотивном депо Брянск-2. Предшественники этого тепловоза могли работать с поездами весом не более 6000 тонн.

Машина, предназначена для среднетяжелых маневровых работ. Номинальная энергоемкость накопителей энергии (суперконденсаторы) - 22,7МДж. Тепловоз оборудован асинхронными тяговыми двигателями, которые позволяют снизить затраты на обслуживание тепловоза, поскольку такие двигатели практически не требуют осмотра, электропередача не содержит регулировочных элементов, а для тяговых преобразователей, которые управляют электродвигателями, требуется только осмотр и очистка. На тепловозе, на каждой колесной паре установлены датчики частоты вращения, на основании показаний которых микропроцессорной системой управления тепловоза выполняется регистрация боксования. При этом система снижает мощность, предотвращая боксование колес. Номинальная мощность тягового электродвигателя может быть использована во всем диапазоне скоростей тепловоза (расход 196,5г/кВт-ч).

При одинаковой с серийными тепловозами мощности, расходует топлива на 20-30% меньше и требует на техническое обслуживание меньших затрат. Кроме того, ТЭМ35 экологичен - использование в конструкции менее мощного дизеля позволяет существенно сократить выброс вредных веществ в атмосферу. Работа гибридного локомотива наиболее эффективна в режиме, который предполагает частые торможения, остановки, запуск и разгон тепловоза. За счет электрических накопителей увеличивается мощность дизеля и, соответственно, его КПД, этот тепловоз дает преимущество предыдущим сериям.

1.2 Японские технологии

Япония - это высокотехнологически развитая страна, для которой выпуск технологических новинок в порядке вещей. Примером могут служить поезда, являющиеся модификациями транспортного средства под названием «NE Train».

KiHa E200 является гибридным дизельным типом электропоезда, под управлением железнодорожной компании Восточной Японии (JR East) на линии Коуми в Японии. Три поезда были доставлены в апреле 2007 года, поступив с 31 июля 2007 года.

Электропоезда оснащены гибридной дизельной и аккумуляторной технологией, разработанной на экспериментальном гибридном поезде «NE Train». При трогании с места энергия, хранящаяся в литиево-ионных батареях, используется для приведения в действие двигателей при выключенном генераторе. Затем двигатель сокращается для дальнейшего ускорения и работает на градиентах. При работе с градиентами двигатель играет роль генератора, подзаряжая батареи. Двигатель также используется для торможения.

В свою очередь сам «NE Train» (NewEnergyTrain) - это экспериментальный вагон, который использовался для испытания ряда альтернативных источников энергии в Железодорожном техническом научно- исследовательском институте (RTRI) и JR East в Японии с 2003 года.

«NE Train» был сначала доставлен из Tokyu Car Corporation в апреле 2003 года, сконфигурирован как первый гибридный дизельный/аккумуляторный вагон и классифицирован как KiYa E991-1. С 6 мая 2003 года он был протестирован на линиях Никки и Карасуяма. Данные, полученные в результате этих испытаний, были использованы для разработки DMU KiHa E200 , который вступил в эксплуатацию на линии Koumi с июля 2007 года. В поезде использовались небольшие литий-ионные батареи и высокомощные элементы, которые будут потом использоваться в гибридном автомобиле.

В 2006 году «NE Train» подвергся модификации в замене дизель- генератора на водородный топливный элемент, став первым в мире гибридным железнодорожным транспортным средством с топливной и аккумуляторной батареей, классифицированным какKuMoYa E995-1. Подвижной состав был оснащен шестью водохранилищами общей мощностью 270 л и литий-ионными батареями с увеличенной емкостью хранения (19 кВтч) по сравнению с более ранней гибридной версией KiYa E991. Они приводили в действие два тяговых двигателя мощностью 95 кВт. Вагон базировался в депо в Нагано и проверен на основных линиях JR East со скоростью до 100 км/ч.

«NE Train» снова подвергся модификации на фабрике Tokyu Car Corporation в Йокогаме в 2009 году, чтобы стать аккумуляторным электрическим многоцелевым устройством с добавлением пантографа и аккумуляторных батарей, заменяющих ранее топливный элемент, и ребрендинга «NE Train Smart Denchi-kun». Этот вагон имеет максимальную скорость движения 100 км/ч и может работать только от батареи, на расстоянии до 50 км от источника питания.

Устройство было изменено в августе 2011 года, когда один из четырех литиевых батарейных блоков был перемещен под пассажирские сиденья, увеличив доступное пространство. В феврале и марте 2012 года программа вошла в свою заключительную фазу, с ночным испытанием на неэлектрифицированной линии Карасуяма вне рабочего времени. В конце линии была построена установка подзарядки на станции Карасуяма, состоящая из жесткого верхнего проводника, позволяющего подзаряжать поезд через его пантограф. Верхняя проводная шина электрифицирована на 1500В постоянного тока, питается от местной электросети питания переменного тока 6,6кВ, а 10- минутная зарядка позволяет поезду перемещаться приблизительно на 20 км.

Технология, разработанная в программе «Smart Denchi-kun», в дальнейшем была включена в серию EV-E301, который вошел в систему обслуживания на линии Карасуяма и главной линии Тохоку с марта 2014 года.

Для маневрового движения компания Toshiba разработала локомотив HD300, представленный на рисунке 1.2, который является гибридным маневровым тепловозом с использованием дизельного двигателя и батареи, эксплуатируемым японской грузовой железнодорожной компанией (JR Freight). После поставки и оценки прототипа локомотива в марте 2010 года первый полномасштабный локомотив вступил в эксплуатацию в феврале 2012 года. Локомотивы используют литиево-ионные батареи и предназначены для снижения выбросов выхлопных газов, по меньшей мере, на 30-40% и уровня шума минимум на 10 дБ, по сравнению с существующими дизельными локомотивами класса DE10. Испытания, проведенные на Токийском грузовом терминале в июне 2010 года, продемонстрировали экономию топлива на 36%, сокращение выбросов NOx на 62% и снижение уровня шума на 22 дБ по сравнению с локомотивом класса DE10.

Рисунок 1.2 Маневровый локомотив HD300

Используя высокопроизводительные литиево-ионные батареи, поставляемые GS Yuasa Corp. в качестве основного источника движущей силы, Toshiba поставила локомотивы с маятниковым приводом, способные к гибридной работе с небольшим двигателем для Японской грузовой железнодорожной компании. Этот гибридный локомотив реализует максимальное тяговое усилие 20000кг, максимальную выходную мощность 500кВт и максимальную скорость работы 45 км/ч. Локомотив содержит высокопроизводительные батареи большой емкости, выход которых один может обеспечить тяговую нагрузку 1300т, позволяя уменьшить размер двигателя. В качестве двигателя используется вентильная машина, направленная на повышение эффективности. Со структурным аспектом модульная концепция была применена для улучшения удобства обслуживания и работоспособности, а также для обеспечения возможности быстрой установки высокопроизводительных аккумуляторных батарей в будущем.

1.3 Немецкие и австрийские технологии

Немецкая компания WINDHOFF Bahn-und Anlagentechnik в начале 2017 года доставила маневровый локомотив TeleTrac RW60AEM с батарейным питанием на пивоварню Warsteiner в Варштайне, Зауэрланд. Новое транспортное средство будет использоваться на подъездных путяхкомпании и на контейнерном терминале. До сих пор для различных маневровых задач использовался большой дизельный локомотив. Отныне железнодорожный транспорт в Варштайне будет, прежде всего, более тихим и без выбросов. Таким образом, пивоварня следует общей тенденции к устойчивости в энергетическом секторе за счет использования электроэнергии также для тяжелых транспортных средств.

Новый тягач WINDHOFF RW60AEM со своим весом в 34 тонны создает силу буксировки около 1000 тонн, достаточных для обработки поездов с 12 контейнерными вагонами. Встроенная батарея весит 2,5 тонны и обеспечивает достаточную энергию в течение нескольких рабочих дней. Зарядка аккумулятора осуществляется через кабель от любой сетевой розетки 400В, и больше нет необходимости в дизельной топливной станции с множеством жестких требований к защите окружающей среды. Высокоэффективный RW60AEM будет использоваться в трехсменном режиме, организуя контейнеры Warsteiner для доставки по всему миру.

WINDHOFF хорошо зарекомендовал себя в области маневровых транспортных средств. Диапазон подвижного состава включает в себя рельсовые устройства, питаемые от батареи или через линию перетаскивания, дизельные агрегаты, а также двухсторонние, а именно железнодорожные транспортные средства для складов или погрузочных средств. В Австрии гибридная автовышка HTW 100 Eі, разработанная Plasser & Theurer для проверки и технического обслуживания воздушных линий, была успешно протестирована в палате климатического ветра в Rail Tec Arsenal в Вине.

В июне 2016 года на выставке IAF в Мюнстере, HTW 100 Eі, была оборудована аккумуляторной системой для поддержки безотказной работы на рабочих местах в городских условиях и туннелях. Емкость аккумулятора рассчитана на две шестичасовые смены, и может быть увеличена с помощью модулей, но его срок службы зависит от поддержания стабильной рабочей температуры. Новый HTW 100 Eі предлагает инновационную общую концепцию: с использованием классического дизельного привода машина максимально быстро передвигается с рабочим местом с выходной мощностью 480 кВт. Во время поездки генератор заряжает аккумуляторную батарею. Кроме того, электрическое торможение генерирует энергию во время рабочего движения. На рабочем месте HTW 100 Eі питается электрически, используя самую современную технологию батареи. Технология батареи соответствует требованиям, установленным в железнодорожном стандарте для бортовых литиево-ионных тяговых батарей EN 62928: 2016-01.

В течение недели была проведена пробная программа для изучения технологии батарей и подтверждения теоретических значений, на которых основывалась система. Девять батарей могут подавать питание при температуре энергетической ячейки от -20°C до +40°C, но оптимальный диапазон температур составляет от +25°C до +35°C. Батареи оснащены более чем 200 датчиками, которые постоянно измеряют температуру, что позволяет их нагревать или охлаждать с помощью теплового насоса, чтобы держать их в допустимом рабочем диапазоне.

Благодаря роликовому динамометру в климатической камере удалось смоделировать полную работу HTW 100 Eі при различных температурах, с различными типами осадков и разными скоростями ветра. Около 20 измерительных датчиков отслеживали каждое изменение температуры, влажности и давления воздуха в реальном времени.

Ключевые испытания были разработаны, чтобы установить, сколько времени потребуется для предварительного нагрева автомобиля с температурой -30 ° C, и какой выходной мощности потребуется для полной работы всех отдельных систем машины. В тестовой программе также были рассмотрены другие функции поезда: от работы обогревателей ветрового стекла до обледенения двери кабины. Достигнутые сбережения значительны: более 100 евро за час работы. HTW 100 Eі выполняет свою работу без выбросов и тихо, будь то в туннелях или в переполненных городских условиях. Шума в среднем уменьшился на 10 дБ, а электрическая эффективность увеличилась до 94%.

1.4 Американские разработки гибридного подвижного состава

Забота об окружающей среде не обошла стороной и США, в которых большинство подвижного состава работает на дизельном топливе. Так Railpower Technologies Corp. являющаяся дочерней компанией RJ Corman Railroad Group, строит экологически чистые гибридные локомотивы. Их локомотивные модели включают серию Green Goat (GG) и Green Kid (GK). Созданные из более старых локомотивов, они развернуты в службах, где есть много свободного времени, например, при маневровых работах на станциях. По конструкции рамы тележки они такие же, как и их переработанный локомотив, но над рамой они полностью переработанные, со всеми новыми узлами капота и кабины.

Railpower GG20B (Зеленый Коз?л), представленный на рисунке 1.3, является низкоэмисионным дизельным гибридным маневровым локомотивом, построенным Railpower Technologies Corp в 2004г. В качестве основы инженеры взяли старый локомотив и заменили его многотонный тепловозный двигатель мощностью в пару тысяч лошадиных сил на маленький автомобильный шестицилиндровый дизель мощностью всего 290 лошадиных сил. Его дополнили огромным блоком свинцово-кислотных аккумуляторов, в итоге оба источника были объединены в общую систему для полной выходной мощности в 2000 лошадиных сил (1490 кВт).



Рисунок 1.3 Маневровый локомотив Railpower GB20B

На сегодняшний день было произведено более 50 локомотивов GG20B с электрическим дизелем. Маленький генератор и большой банк батарей питают локомотив. Генератор используется для подзарядки батарей и для поддержания оптимального уровня этого заряда. Локомотивы соответствуют новым нормам выбросов выхлопных газов EPA. В настоящее время в производство входят локомотивы GG10B, GG20B и GK10B. «B» указывает на расположение колес BB «10» или «20» означает 1000 или 2000 лошадиных сил, 746 или 1490 кВт соответственно.

Результат - сокращение расхода топлива на 40-60% по сравнению с аналогичным маневровым локомотивом традиционной схемы, а также на 80- 90% меньший выброс вредных веществ. При этом по своим тяговым возможностям переделанный локомотив не уступает обычному. Типичная работа такого локомотива - короткие пробеги с длинными простоями между ними, обычно с работающим дизелем, частые разгоны и торможения на низкой скорости.

В настоящее время в США работает примерно 15 тысяч маневровых локомотивов, которые впустую тратят тысячи тонн топлива. RailPower Technologies надеется изменить это печальное положение дел.

Стоит Green Goat $750 тысяч, что меньше, чем стоимость нового локомотива обычной схемы. После длительных испытаний машины в «боевых условиях» американские и канадские железнодорожники заказали несколько экземпляров «Зел?ных козлов», анонсировав заказ ещ? нескольких десятков, что обещает экономию топлива на миллионы долларов в год.

Еще одним примером американских разработок является четыр?хосный батарейно-электрический локомотив Altoona Works BP4 с выходной мощностью1500л.с. (1120кВт). Это результат преобразования существующего четырехосного электропоезда EMD с электроприводом мощностью 1350 л.с. EMD GP38, в котором дизельный двигатель был заменен набором из 1080 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей и связанного с ним контрольного оборудования.

Был построен только один BP4: Norfolk Southern#999, в 2007 году. Несмотря на то, что он несколько похож на обычный для американского представления дизельный электровоз, у BP4 нет дизельного двигателя, зарядка аккумулятора обеспечивается подключением внешнего источника питания. Срок службы батареи увеличивается за счет использования рекуперативного торможения, которое возвращает около 35% мощности торможения батареям. Восстановленная динамическая энергия торможения постоянно пополняет систему хранения энергии и использует эту восстановленную энергию для тягового усилия в железнодорожных операциях. Батареи тщательно контролируются с помощью продуманной системы управления для обеспечения безопасности и максимального срока службы батареи. BP4 предназначен для работы в 3 смены при одном заряде батареи.

Это техническое преобразование значительно изменило внешний облик локомотива, когда фактически абсолютно кабина смещена вперед по раме, чтобы освободить место для большой решетчатой батареи, которая заменяет длинный капот локомотива. Топливный бак аналогичным образом заменен другим батарейным блоком.

Разработка BP4 осуществлялась Norfolk Southern. Локомотив был первоначально преобразован в 2007 году, после проблем с батареями в 2009 году была установлена улучшенная система управления батареями. Первоначально локомотив был спроектирован и построен для демонстрации возможностей локомотива с электрическим приводом, причем он был гибридным прототипом. Тем не менее, сам тип был предназначен для экспериментального способа сохранения энергии или для демонстрации возможностей электрического или дизельного локомотива с батарейным питанием для перевозки грузов на таких железных дорогах, как Южный Норфолк. Несмотря на это, сам тип на самом деле является одним из видов электрических локомотивов с батарейным питанием, которые когда-либо принадлежали или строились на любой североамериканской железной дороге первого класса, что делает BP4 необычным чудом для североамериканских железных дорог.

В дальнейшем локомотив был переоборудован 864 свинцово- углеродными батареями от Axion Power International и в настоящее время эксплуатируется в Rose Yard Altoona. Это единственный локомотив на реестре Южный Норфолк, работающий исключительно на электричестве с нулевыми выбросами выхлопных газов.

1.5 Французские технологии

Локомотивы французской компании Alstom Prima H3 и Prima H4 отвечают новейшим требованиям операторов и предлагают самые современные технологии для снижения потребления энергии. Локомотивы Prima для маневрового транспорта доступны в нескольких версиях: гибрид (Prima H3 и Prima H4), аккумуляторный тип (Prima H3), локомотив с одним двигателем (Prima H3), с двумя двигателями (Prima H3 и Prima H4), двухрежимный (Prima H4) или двухрежимный аккумуляторный тип (Prima H4) для удовлетворения эксплуатационных потребностей каждого клиента.Prima H3, представленный на рисунке 1.4, может использоваться для широкого спектра маневровых операций, а также для обслуживания магистральных железных дорог благодаря чрезвычайно высоким тяговым усилиям (до 240 кН, ведущим к 3-осевому локомотиву) и минимальному радиусу кривизны 60 метров. Prima H4 адаптирован для обслуживания маневровых работ, а также для ограниченных услуг грузовых перевозок. Он сочетает в себе высокую тяговую нагрузку (до 300 кН) и оптимизированную стоимость жизненного цикла.

Рисунок 1.4 Маневровый локомотива Prima H3

Проект H3 Hybrid Shunting Locomotive предусматривает разработку и испытание пяти локомотивов нового поколения на основе гибридных технологий с использованием электрических батарей и/или генераторов. Проект разрабатывается Deutsche Bahn (DB), Alstom Deutschland, Баварии и DAL Deutsche Anlagen-Leasing. Проект H3 Hybrid locomotive был начат в августе 2013 года, и первый локомотив был представлена выставке в InnoTrans 2014 в Берлине.

Трехосный локомотив выпускается в четырех вариантах: электровоза H3 Battery 600 кВт, гибридный локомотив H3 Hybrid 700 кВт, двухмоторный двигатель H3 с двумя двигателями мощностью 700 кВт и одномоторный локомотив H3 Single Engine мощностью 1000 кВт.

Первый вариант работает на восьми батареях, обеспечивающих выходную мощность в 600кВт, используемые батареи - никель-кадмиевые, которые уже доказали свою ценность на экспериментальных машинах.

Гибридная версия оснащена дизельным генератором мощностью 350кВт и батареей. В этой версии локомотив особенно подходит для тяжелых маневровых работ. Очень экономичный и экологически чистый дизельный генератор заряжает аккумулятор и может также напрямую приводить в действие электродвигатель для пиковых нагрузок. При частичной нагрузке локомотив работает от батареи и, таким образом, экономит в этом варианте от 30 до 50 процентов дизельного топлива по сравнению с обычными маневровыми локомотивами мощностью 700кВт.

Третий тип имеет два дизельных генератора мощностью 350кВт, а четвертый вариант - дизельный генератор мощностью 1000 кВт. Каждый из трех вариантов имеет топливный бак объемом 2000 литров.

Первые два варианта предназначены для проведения маневровых операций в чувствительных промышленных зонах и туннелях. Третий вариант предназначен для промышленных объектов и магистральных служб, а четвертый вариант предназначен для обслуживания магистральных и тяжелых маневровых работ.

Гибридный локомотив H3 потребляет до 50% меньше топлива, компенсирует загрязнение на 70% и позволяет снизить шум более чем на 80% по сравнению с традиционными локомотивами. Второй вариант может работать от 50% до 75% исключительно от аккумулятора, уменьшая загрязняющие выбросы, такие как частицы, СО и NOx на 70%.

Дизель-генераторы второго и третьего варианта мощностью 350кВт объединяют фильтры для частиц и соответствуют последним европейским стандартным этапам выхлопных газов. В то время как обычные генераторы тяговых локомотивов потребляют приблизительно 20 л топлива в час, дизель- генераторы могут работать примерно на 9 л топлива в час.

Prima H4 Double Engine может снизить потребление дизельного топлива на 15% по сравнению с дизельными локомотивами с одним двигателем. Модифицированные версии Prima H4 могут работать без выбросов. Проект по-прежнему привлекает промышленных клиентов, в 2015 году Alstom поставляет один локомотив для Volkswagen и Audi. Еще один локомотив Audi был доставлен в конце 2016 года. Audi и Volkswagen развернули поставляемые локомотивы на своих автомобильных заводах в Ингольштадте и Вольфсбурге соответственно.

1.6 Варианты технологий с применением суперконденсаторов

Суперконденсаторы позволяют не только сокращать энергию, но и заменять линии контактной сети в исторических городских районах, сохраняя при этом архитектурное наследие города. Такой подход может позволить многим новым городским трамвайным линиям заменить воздушные провода, которые слишком дороги для полного маршрута.

В 2003 году Мангейм принял прототип легкорельсового транспорта (LRV) с использованием системы MITRAC Energy Saver от Bombardier Transportation для хранения энергии механического торможения с помощью блока суперконденсатора на крыше. Он содержит несколько блоков, каждый из которых состоит из 192 конденсаторов с ?мкостью 2700Ф напряжением 2,7В, соединенных в три параллельные линии. Эта схема приводит к системе 518В с энергетическим содержанием 1,5 кВтч. Для ускорения при запуске эта «бортовая система» может обеспечить LRV мощностью 600кВт и приводить в движение трамвай до 1км без прицепного питания, интегрируя LRV в городскую среду, управляя без контактных линий. По сравнению с обычными автомобилями LRV или Metro, которые возвращают энергию в сеть, встроенное энергосбережение экономит до 30% и снижает пиковый спрос на сеть до 50%.

В 2009 году суперконденсаторы позволили LRV работать в исторической городской зоне Гейдельберга без линий контактной сети, сохраняя архитектурное наслдие города. Оборудование ионисторами стоило дополнительно 270 000 евро за транспортное средство, которое, как ожидается, будет окуплено в течение первых 15 лет эксплуатации. Суперконденсаторы заряжаются на остановках, когда транспортное средство находится на запланированной остановке. Такой подход может позволить многим городским линиям LRV обслуживать трамваи без проводов контактной сети, которые слишком дороги для полной обеспеченности ими маршрута. В апреле 2011 года немецкий региональный транспортный оператор Рейн-Неккар, ответственный за Гейдельберг, заказал еще 11 единиц.

В 2009 году компании Alstom и RATP оборудовали трамвай Citadis, представленный на рисунке 1.5, с экспериментальной системой рекуперации энергии под названием «STEEM». Система оснащена 48 суперконденсаторами на крыше, чтобы хранить энергию торможения, обеспечивая подвижной состав высокой степенью автономности энергии, позволяя ему работать без питания от контактной сети на участках своего маршрута, подзаряжая ионисторы во время движения на остановочных станциях. В ходе испытаний, которые были проведены между Porte d'Italie и Porte de Choisy установлено, что трамвай, останавливаясь на линии T3, в сети трамвайного движения в Париже потреблял в среднем на 16% меньше энергии.

В 2012 году трамвайный оператор Женевского общественного транспорта начал испытания LRV, оснащенного прототипом блока суперконденсаторов на крыше для восстановления энергии торможения.

Компания Siemens предоставляет улучшенные с помощью суперконденсатора системы транспортировки легкорельсового транспорта, которые включают мобильное хранилище.



Рисунок 1.5 Трамвай Citadis 402 на участке без контактной сети

Станция метро South Island в Гонконге должна быть оснащена двумя блоками хранения энергии 2 МВт, которые, как ожидается, сократят потребление энергии на 10%.

В августе 2012 года CSR Zhuzhou Electric Locomotive Corporation Китая представила прототип двухкамерного легкого поезда метрополитена, оборудованного блоком суперконденсаторов на крыше. Поезд может перемещаться на 2 км без контактных проводов, заряжаясь в течение 30 секунд на станциях через наземный датчик. Поставщик утверждал, что поезда могут использоваться в 100 малых и средних городах Китая.

Семь трамваев, работающих на суперконденсаторах, должны были вступить в строй в 2014 году в Гуанчжоу, Китай. Суперконденсаторы перезаряжаются за 30 секунд устройством, расположенным между рельсами. Это обеспечивает непрерывное движение трамвая до 4 километров. По состоянию на 2017 год подвижной состав с использованием ионисторов Чжучжоу также используются на новой трамвайной системе Нанкин и проходят испытания в Ухане.

В 2012 году во французском городе Лионе, SYTRAL (администрация общественного транспорта Лиона) начала эксперименты с системой «регенерации пути», созданной Adetel Group, которая разработала собственную энергосберегающую систему под названием NeoGreen для LRV, LRT и метро.

В 2015 году Alstom анонсировала SRS, систему хранения энергии, которая заряжает суперконденсаторы на трамвае с помощью наземных проводников, расположенных на трамвайных остановках. Это позволяет трамваям работать без воздушных линий на короткие расстояния. Система была предложена в качестве альтернативы системе питания на уровне земли (APS) компании или может использоваться совместно с ней, как в случае сети VLT в Рио-де-Жанейро, которая была открыта в 2016 году.

2. Технические характеристики применения возможного варианта накопителя энергии - суперконденсатора

2.1 Описание технологии и классификация суперконденсаторов

Суперконденсатор или электрический двухслойный конденсатор (EDLC), является конденсатором с емкостными значениями намного выше, чем у других конденсаторов, но с более низкими пределами напряжения. Они занимают промежуточную позицию между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями. На рисунке 2.1 показана диаграмма Рагоне, которая позволяет провести сравнение характеристик различных электрохимических источников тока и оценить характерные времена зарядки и разрядки. Как правило, ионисторы хранят в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут принимать и поставлять заряд намного быстрее, чем батареи, и выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем перезаряжаемые батареи.

В отличие от обычных конденсаторов, в структуре ионисторов не применяется твердый диэлектрик, а используется электростатическая двухслойная и электрохимическая емкости или же электрохимическая псевдоемкость, которые вносят вклад в общую емкость конденсатора с несколькими отличиями.

Двухслойный суперконденсатор предполагает наличие двух пористых электродов, выполненных из электропроводящих материалов, а также разделенных заполненным электролитом сепаратором. Здесь процесс запасания энергии идет за счет разделения заряда на электродах с весьма большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд двухслойных конденсаторов определяется непосредственно емкостью двойного электрического слоя, то есть отдельного конденсатора на поверхности каждого электрода. Между собой они соединяются последовательно посредством электролита, который является проводником с ионной проводимостью.

Рисунок 2.1 Диаграмма Рагоне

В электростатических двухслойных конденсаторах используются углеродные электроды или их производные с гораздо более высокой электростатической емкостью с двумя слоями, чем электрохимическая псевдоемкость, достигая разделения заряда в двойном слое Гельмгольца на границе раздела поверхности электрода с электролитом. Разделение заряда составляет порядка 0,3-0,8 нм, что намного меньше, чем в обычном конденсаторе.

Псевдоконденсаторы уже ближе к перезаряжаемым аккумуляторам. В них имеются два твердых электрода. Принцип действия сочетает два механизма сохранения энергии: фарадеевские процессы, которые схожи с процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах, а также электростатическое взаимодействие, свойственное конденсаторам с двойным электрическим слоем. Приставка «псевдо» появилась вследствие того, что емкость ДЭС зависит не только от электростатических процессов, но и быстрых фарадеевских реакций с переносом заряда.

Электрохимические псевдоконденсаторы используют оксид металла или проводящие полимерные электроды с большим количеством электрохимической псевдоемкости, дополняющей двухслойную емкость.

Гибридные конденсаторы - это переходный вариант между конденсатором и аккумулятором. Слово «гибридные» обусловлено тем, что электроды в гибридных конденсаторах производятся из различных материалов, а накопление заряда осуществляется по разным механизмам. В большинстве случаев в гибридных конденсаторах катодом является материал с псевдоемкостью. В результате аккумулирование заряда на катоде осуществляется вследствие окислительно-восстановительных реакций, что увеличивает удельную емкость конденсатора, а также расширяет область рабочих напряжений.

В гибридных конденсаторах часто применяют комбинацию электродов из допированных проводящих полимеров и смешанных оксидов. Весьма перспективными могут стать композиционные материалы, которые состоят из оксидов металлов, осажденных на проводящие полимеры или углеродные носители.

В гибридных конденсаторах, таких как литий-ионных, используются электроды с различными характеристиками: один из которых имеет в основном электростатическую емкость, а другой - электрохимическую [16].

По состоянию на 2013 год в мире насчитывалось около 80 основных кампаний-производителей суперконденсаторов. На диаграмме ниже (рисунок 2.2) представлены процентные доли шести видов технологий, выпускаемых этими компаниями.



Рисунок 2.2 Диаграмма процентных долей 6 семейств технологий суперконденсаторов

В Supercabattary (несимметричных двухслойных электрических конденсаторах) при несимметричном расположении электрод батареи имеет большую емкость, чем электрод углерода, что позволяет в два раза превысить возможности накопления энергии соответствующего симметричного суперконденсатора. По мере, того как увеличение напряжения во время процессов заряда и разряда происходит главным образом через углеродный электрод, электрод батареи испытывает относительно низкую глубину разряда и обеспечивает условия необходимые для высокого жизненного цикла по сравнению с батареей. Однако, самые лучшие симметричные EDLC в лабораториях хороши, а в некоторых случаях даже лучше чем AEDLC в таких параметрах как объемная плотность энергии Втч/кг и жизненный цикл.

Коммерческий успех AEDLC пока ограничен и обычно представлен как батареей с лучшими свойствами, отличными от плотности энергии, и по более высокой цене. Они редко бывают построены как конденсатор с большей плотностью энергии. Поэтому в основном они конкурируют со свинцово- кислотными и литий-ионными батареями.

2.2 Сравнение накопителей энергии

Ионисторы конкурируют с электролитическими конденсаторами и перезаряжаемыми батареями, особенно литий-ионными. В следующей таблице 2.1 приведены основные параметры семейств суперконденсаторов с электролитическими конденсаторами и аккумуляторами.

Таблица 2.1 - Сравнение параметров накопителей энергии

Суперконденсаторы уже популярны в холодных странах, потому что они теряют лишь несколько процентов от наличия заряда в диапазоне температур от минус двадцати до минус сорока градусов по Цельсию. На рисунке 2.3 представлена зависимость изменения емкости АКБ и суперконденсатора от температуры. Как видно из этой зависимости при температуре -10?С емкость аккумулятора начинает резко снижаться, что может привести к трудностям при запуске ДВС, в то время как незначительное изменение емкости конденсатора при изменении температуры позволяет ему всегда отдавать максимальную энергию нагрузке.

Рисунок 2.3 Температурная зависимость емкости АКБ и суперконденсатора

Во время сильного мороза можно столкнуться с трудностями. Двигатель внутреннего сгорания потребляет огромное количество энергии, при высоких отрицательных температурах по двум причинам: механические части двигателя требуют большей мощности, чтобы начать движение в холодном состоянии из- за повышенной вязкости моторного масла; батарея работает при очень низкой эффективности, порядка 50%, потому что ионы в растворе электролита движутся гораздо медленнее при минусовой температуре.

2.3 Электролиты используемые в накопителях энергии

Ацетонитрил широко используется в аккумуляторных батареях. Данный реактив предположительно вызывает врожденные дефекты и рак, а также является горючим, выделяя токсичные (например, HCN) газы при сжигании. С суперконденсаторами вещи пошли дальше, чем с батареями, и многие производители предлагают, как правило, водные электролиты, такие как серная кислота. Они имеют очень мало ограничений в отношении утилизации после использования. Быстро растет процент компаний, которые предлагают водные электролиты или относительно новые ионные жидкости, которые по своей природе ионной проводимости, не нуждается в растворителе. Процентное распределение видов электролитов, используемых в инисторах, показано на следующей диаграмме (рисунок 2.4). Как видно из диаграммы ацетонитрил составляет 51% от общего объема электролитов, применяемых для создания ионисторов, но с каждым годом этот процент уменьшается [12].

Рисунок 2.4 Диаграмма процентных долей используемых электролитов

Электролиты, используемые в суперконденсаторах, широко разделены на ацетонитрила и другие растворители, а также более новый вариант замены растворителя с растворенным веществом с ионной жидкостью. Небольшое количество ацетонитрила в суперконденсаторах вызывают мало беспокойства, но более крупные устройства могут содержать уже значительное количества этого реагента, что иногда приводит к ограничениям при утилизации. Поскольку ацетонитрил дает более высокое напряжение энергетических ячеек по сравнению с другими элетролитами, это привело к относительно высокой плотности энергии и, в частности, ацетонитрилу присвоили высокую плотность мощности и конкурентоспособные цены по сравнению с водными альтернативами в прошлом.

Низкая температура работы также является преимуществом, иногда это означает -40C. Тем не менее, это меняется с улучшенными альтернативными электролитами, имеющими хорошую эффективность при низкой температуре и плотности энергии, большинство из которых не горючие (водные) или самозатухающие (органические), а также «зеленые» с точки зрения утилизации. Тенденция для компаний, начинающих производство суперконденсаторов впервые, заключается в отказе от ацетонитрила и вполне возможно, что его использование будет запрещено, по крайней мере, в больших количествах, так как адекватные альтернативы становятся все более распространенными.

Выбор между водным и органическим электролитом зависит от 4 параметров которые противоречивы: сопротивления, емкости, технологичности и потенциального размера окна в котором система электрохимически стабилизирована. Установленно, что при температуре выше 25?С емкость суперконденсатора с ацетонитрилом на 5-10% больше по сравнению с пропиленкарбонатом, который является органическим электролитом. В тех же температурных условиях сопротивление серии с ПК на 50% больше. При более низкой температуре ситуация еще хуже, например, при -30?C емкость ионистора с ацетонитрилом может быть на 50% больше, а сопротивление серии может быть в 5 раз выше по сравнению с ПК. Тем не менее, развитие технологии производства суперконденсаторов меняют все эти отношения. Разработка электролитов является важным направлением повышения производительности, экологичности и уменьшения или устранения горючесть.

Многие из водных электролитов используют серную кислоту или гидроксид калия, который является неопасным и неядовитым. Гелевые полимерные электролиты также представляет интерес для увеличения срока службы, они могут быть любого формата и с меньшими возможностями утечки, но, как правило, имеют не самые лучшие характеристики при низких температурах. Полимерная матрица может быть на основе поли (пропилена), поли (винилиденхлорид дифторида), поли (тетрафторэтилена), поли (этиленоксид) (ПЭО), полианилин (ПАНИ) или поли (метилметакрилата) (ПММА). Технология суперконденсатор с ковалентными электролитами основана на семействе солей, известных как гидрофобные ионные жидкости IL. Эти материалы обладают уникальным набором физических, химические и электрохимические свойств, которые сильно благоприятствуют их использованию в качестве электролитов в суперконденсаторах. Технология IL основана на продуманном образовании пар нелокализованных гетероциклических органических катионов и стабилизированных зарядом органических и неорганических анионов.

2.4 Проектирование системы и возникающие проблемы

Во многих системах используется банк SC как резервное накопление энергии. Для начала, конструктор должен выбрать цель, для которой будут использованы суперконденсаторы, их конфигурацию накопления энергии и после этого решить, на какое напряжение должна быть выбрана энергетическая ячейка. Выбор решения зависит от требований к мощности и напряжения нагрузки, а также от возможности ионисторов. Как только лучшее решение определено, нужно найти компромиссы между общей эффективностью и итоговой ценой.

На рисунке 2.5 показана структурная схема решения для высокой эффективности, где нагрузки приборы требуют регулируемых входов напряжения (3.3В, 5В, 12В, и тд.). Основной источник питания 48В - это импульсный регулятор (SW2) работающий в обычном режиме, одновременно заряжая блок банк суперконденсаторов от 25В через импульсный регулятор (SW1). Когда основной источник питания отключен, банк SC питает SW2 для поддержания функционирования нагрузки без перерыва.

Рисунок 2.5. Блок-схема системы резервного питания на основе блока суперконденсаторов

Как только ионистор был выбран, разработчик системы должен выбрать целевое значение напряжения, на которое будет заряжаться каждая энергетическая ячейка. Это делается на основе кривых тока и напряжения суперконденсаторов. Большинство ионисторв находятся в пределах напряжений от 2,5 В до 3,3 В. Как правило, целевое напряжение должно быть ниже максимального номинального напряжения для того, чтобы продлить срок службы ионисторов.

Затем, для требуемого напряжения блока энергетических ячеек и SW2 требуется выбрать схему подключения. Конфигурации блока SC может быть параллельной, последовательной или комбинированной. Поскольку номинальное напряжение ячейки обычно составляет около 3.3 В, а нагрузки часто нуждаются в равном или более высоком запасе энергии, варианты для конфигурации ячейки и SW2 следующие: можно использовать одну ячейку с повышающим преобразователем или несколько ячеек соединенных последовательно с понижающим или понижающе-повышающим регулятором. При питании нагрузки от системы накопителей энергии, нужно обеспечить чтобы по мере того как блок суперконденсаторов будет разряжаться, напряжение не упало ниже минимального рабочего входного напряжение для SW2. Это значение может доходить до половины полученного напряжения SC.

Если выбрано комбинированное соединение SCs, то количество используемых ячеек должно быть подобрано на основе максимально требуемого напряжения в верхней части системы. Больше конденсаторов в последовательности означает более высокое напряжение цепи SC с меньшей емкостью. Например, рассмотрим выбор использования двух параллельных цепей из четырех последовательно соединенных конденсаторов 2,7 В 10 Ф по сравнению с одной цепью из восьми тех же конденсаторов, при этом нагрузка требует напряжения в 5 В, а минимальное рабочее напряжение для SW2 составляет 6 В.

...