Рекуперативная энергосберегающая система для метрополитена
Структурно рекуперативная совокупность торможения (РСТ) складывается из двух накопителя: энергии и частей преобразователя. Преобразователь – это устройство, котороепреобразует энергию торможения транспортного средства в таковой вид, что возможно нака-пливать в накопителе. В большинстве случаев, это же устройство осуществляет обратное преобразо-вание.
Применяет энергию накопителя для разгона транспортного средства. Накопитель – это устройство, разрешающее накапливать и хранить энергию торможения транспортного средства.
Не обращая внимания на то, что эта мысль РТС не нова,а ее привлекательность очевидна, до сих пор рекуперативные тормозные системыиспользуются на транспорте редко. Считается, что главная область применения РТС – это автотранспорт, при чем в основном личный. Подавляющая часть проектов РТС разрабатывалась как раз для этого. Но,дабы автомобильная РТСоказалась экономически действенной нужно решить последовательность неприятностей. Основная– это накопитель энергии.
Главные требования, которым обязан отвечать накопитель автомобильной РТС таковы.
Накопитель должен иметь большую энергоемкость. Другими словами он должен иметь вес и минимальные габариты при большой запасаемой энергии, потому, что его нужно возить в автомобиле.
Накопитель обязан принимать (при торможении) и отдавать (при разго-не) потоки энергии громадной мощности. Другими словами обменная мощность накопи-теля должна быть сопоставима с мощностью штатного двигателя автомоби-ля.
Накопитель должен иметь большой обменный КПД. Другими словами количество воз-вращенной (для разгона) энергии должно приближаться к количеству энер-гии принятой при торможении.
Накопитель должен иметь большой (по отношению к собственной стоимости) срок работы.
В проектах РСТ предлагается применять два типа накопителей. Электрохимиче-ские аккумуляторная батареи (ЭХА) и инерционные накопители энергии (ИНЭ). ЭХА накапливают энергию за счет электрохимических реакций, проходящий на их электродах.
Инерционные накопители накапливают энергию в виде кинетической энергии скоро вращающегося массивного тела – маховика.
ЭХА владеют энергоемкостью, которая многократно больше энергоемкости инер-ционных накопителей.Однакодругие показатели ЭХА выглядят не столь привлекатель-но.
ЭХА хорошо отдают энергию – при разряде аккумуляторная батареи смогут развивать доста-точно громадные токи. Но не хорошо ее принимают. Зарядные токи ЭХА значительно ниже разрядных.
КПД современных ЭХА равен порядка 75…80%%. Другими словами от 20 до 25 процентов энергии рекуперативного цикла теряется конкретно в накопителе.
Срок работы ЭХА (в зависимо от типа: свинцово-кислотные, серебряно-цинковые, литий-ионные,никель металлогидридные) находится на уровне 300..500условно полных разряд – зарядных циклов. С учетомстоимости ЭХА, это совсем не большое количество.
Дабы применять РСТ на автомобиле его нужно дополнительно снабдить преобразователем.Фактически, актуальное на данный момент направление машины с гибридной сило-вой установкой – это машины,снабженные такимпреобразователем.Классика этого направления Toyota Plus, снабжена электрическиммотор — генератором, «сцепленным» с бензиновым ДВС. В качестве накопителя энергии употребляется батарея никель металло-гидридных аккумуляторная батарей.
Помимо этого, на эффективность применения РСТ значительное влияние оказывают следующие факторы.
1. Условия перемещения транспортного средства.Чем больше путевые утраты энер-гии при перемещении транспортного средства, тем менее действенно применение в нем РСТ. Другими словами, чем хуже дорога, по которой движется автомобиль, тем бесполезнейиспользовать на нем РСТ.
2. Режим перемещения транспортного средства. Потому, что емкость накопителя не может быть нескончаемой, постоянно возникнет обстановка, в то время, когда энергию торможения девать не куда, потому, что накопитель полон. И напротив,нужно разгоняться, анакопитель безлюден.
Совокупность этих факторов ведет к тому, что фактическая эффективность ав-томобильных РСТсущественно ниже расчетной.Исходя из этого на данный момент сформировалось устой-чивое вывод, что РСТ – это малоэффективные устройства. Это вправду так, но только применительно к машинам. Совсем в противном случае это выглядит применительно к метро-политену.
1. Поезд метро движется по ровным металлическим рельсам, а потомупотери энергии в колесных парах минимальны. Помимо этого, поезд движется в туннеле. А это значит, что минимальными являются и аэродинамические утраты.
То естьпутевые утраты при перемещении поезда метро близки к нулю.
2. Потому, что поезд метро движется по одному и тому же маршруту, режим его перемещения (разгон, торможение, спуск, подъем) заведомо известны и со временем не изменяются. Это разрешает предельно совершенно верно подобрать харак-теристики РСТ.
3. Поезд метро уже содержит в собственной конструкции преобразователь энергии. Его ходовые двигатели устроены так, что при разгоне поезда они работа-ют в режиме мотора, потребляя электрическую энергию изсиловой сети. А при торможении они производят электрическую энергию, которая рассеивается в виде тепла на особых реостатах.
4. И, наконец, самое серьёзное. В метро накопители энергии совокупности РСТ смогут располагатьсявне поезда. К примеру, на станциях метро либо на по-верхности и обмениваться энергией с проходящими поездами по электри-ческим кабелям.
Последнее событие есть только серьёзным. В случае если накопитель энергии не в собственности транспортному средству, то сразу же снимаются ограничения на его габариты и вес. А вследствие этого возможно применять в качестве накопителя простые, качественные и долговечные инерционные накопители.
Конструктивно инерционный накопитель представляет собой массивный маховик вал, которого соединен с электрическим мотор – генератором. Для уменьшения собствен-ных утрат маховик возможно поместить в корпус, из которого выкачан воздушное пространство.
При торможении поезд метро производит электрическую энергию, которая по-ступает не в балластные реостаты (как на данный момент), а по кабелю к мотору накопителя. В ре-зультате мотор раскручивает маховик. При разгоне поезда мотор накопителя переключа-ется в режим генерации и за счет энергии вращения маховика производит электрическую энергию, которая активизирует поезд.
Если сравнивать с ЭХА инерционный накопитель владеет следующими достоинст-вами:
1. У инерционного накопителя отсутствует ограничение на величину обменной мощности. Другими словами он одинаково прекрасно может принимать и отдавать большие по-токи энергии, каковые ограничены лишь только мощностью его мотор — генератора.
2. Благодаря малым внутренним утратам (маховик вращается в вакууме), инерци-онный накопитель имеет довольно высокий обменный КПД. Другими словами количество возвращен-ной энергии слабо отличается от количества принятой.
3. Срок работы инерционного накопителя фактически неограничен. Изнашивают-ся лишь подшипниковые опоры маховика, каковые легко заменяются.
ЭКОНОМИЧЕСККАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЕКТА.
Расчет проводится применительнок поезду метро, складывающемуся из 5 вагонов марки 81-717/714 производства Мытищинского вагоностроительного завода. Масса метропоезда 223750 кг – масса вагонов плюс масса пассажиров 0,5 от полной загрузки. Торможение от скорости 16,7 м/с (40 км/час), энергия торможения 31,2 миллиона джоулей.
Для одной станции метро: 2 платформы, средняя интенсивность перемещения 3 мину-ты поезд, 18 часов в день,экономия на стоимости электричества более 100 тыс. долла-ров в год. В случае если между станциями имеется перепад высот порядка 50 метров, то РСТ сэконо-мит уже более 250 тыс. долларов в год.Другими словами одна РСТ разрешит не сжигать на городских (либо пригородных) ТЭЦ от 0,5 до 1,0 миллиона кубов газа либо от 500 до 1000 тысячь киллограм мазута.
К сожалению, цена РСТ также не маленькая. По неотёсанным прикидка одна стан-ция РСТ (строительные работы, мотор – генератор, инерционный накопитель, совокупность управления, коммутация с сетью др и метро.) будут стоить более 1 млн. долларов. Другими словами срок окупаемости РСТ от 5 до 10 лет.
РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
на данный момент считается, что применение в электротранспорте двигателей постоянного тока – это полный отстой и прошлый век. Прогресс – это применение (асинхронных) двигателей переменного тока с инверторными приводами. Эти двигатели дешевле двигателей постоянного тока и разрешают применять рекуперацию энергии без накопителей. С первым утверждением спорить не будем.
А вот то, что такие двигатели разрешают реализовывать рекуперацию энергии без накопителей,это спорное утверждение.
О чем идет обращение. При рекуперативном торможении двигатели транспортного средства переключаются в режим генерации электроэнергии, которая возвращается в сеть. Но, потому, что энергетическая емкость сети ничтожна,в этом момент в ней в обязательном порядке должны быть потребители энергии.В случае если их нет, товся возвращаемая энергия будет затрачена на увеличение напряжения в сети, что может привести к ее разрушению.
Другими словами при применении рекуперативного торможения обязан соблюдаться баланс:энергия, которуюзакачивает в сеть тормозящий поезд, должна быть изъята из сети поездом, что разгоняется.Разумеется, что в действительности добиться таковой синхронности перемещения поездов нереально.По данной причине энергию торможения нужно где-то накапливать и какое-то время, до появления в сети ее потребителя, хранить.
Появляется вопрос: из-за чего энергию торможения поезда метро запрещено без всяких накопителей вернуть в сеть города, где неизменно имеется потребители. Для метро на постоянном токе это сделать сложно. Сеть города – это сеть переменного тока, а потому сеть метро отделена от сети города выпрямляющими станциями, каковые смогут пропускать энергию лишь в одном направлении.
Совсем иное дело, в случае если двигатели вагонов метро трудятся на переменном токе. В этом случае между сетью метро и муниципальный сетью находятся лишь трансформаторные станции. А трансформатор может пропускать энергию в обе стороны.
Потому при рекупе-ративном торможении имеется возможность энергию торможения конкретно вернуть в городскую сеть, не опасаясь ее перегруза по напряжению.Фактически, на основании это-го события и утверждается, чтоэлектротранспорт (поезда метро), применяющий двигатели переменного тока, может применять режим рекуперативного торможения без применения накопителей энергии.
Но это неверный тезис – без накопителей реально сэкономить энергию не удастся. Не удастся по следующей обстоятельству. Применительно к количеству энергии, которую потребляет город, количество энергии, которую возвращает в сеть при рекуперативном торможении поезд метро,довольно мало. Потому генерирующая станция, которая снаб-жает город электрической энергией, эту добавочную энергию просто не почувствует, а потому и не уменьшит количество подаваемой в сеть энергии.
А именно на генерирующей станции происходит настоящая экономия энергии, т.е. экономия ее первичных носителей– газа, угля, мазута, урана и т.д.
Спрашивается, а куда денется энергия, которую поезд метро закачивает при реку-перативном торможении в сеть городе. Разумеется, что ее «съедят» потребители, каковые находятся в данной сети. Приверженцы таковой рекуперации ответят – вот и прекрасно, это то к чему стремились, энергия торможения не пропала бесплатно.
Вправду, бесплатно она не пропала: за возврат энергии в городскую сеть администрация метро возьмёт деньги.Вопрос, чьи деньги она возьмёт.
Отвечаю, это деньги тех самых потребителей, каковые «скушали» эту энергию. Помой-му все справедливо – потребил энергию, заплати за нее. Но это потребление будет той самой услугой, которую не заказывали.
Как указывалось, генерирующая стан-ция количество энергии подаваемой в городскую сеть не уменьшит. Потому дополнитель-ная энергия, которая будет возвращаться в городскую сеть при рекуперативном торможе-нии, приведет к росту напряжения в ней. Но, потому, что в сети много тысяч потребителей, данный рост будет маленьким – в пределах допуска от колебания номинального напряжения сети.
Но любой, кроме того малый рост напряжения сети приведет к увеличенному потреблению энергии включенных в нее электроприборов: лампочка начнёт гореть чуть бросче, кондиционер начнёт вырабатывать холода (тепла) чуть больше и т.д. Для обладателей электроприборов это повышение мощности будет незаметно. А вот их счетчики это до-полнительное потребления энергии исправно сосчитают. Соответственно, счет за электро-энергию будет чуть больше.
В сумме (по сотням тысяч потребителей) это «чуть больше» именно и будет равняется сумме денег, каковые администрация метро возьмёт за возврат энергии в сеть города.
Так, такая рекуперация ни какого именно отношения к повторному применению энергии торможения не имеет. Она разрешает только рассеять эту энергию, переложив затраты за нее на посторонних потребителей.
Возможно возразить, что в том океане энергии, которую потребляет город, генерирующая станция кроме этого не увидит и настоящее уменьшение потребления энергии метро за счет применения накопителей. Другими словами появляется симметричная обстановка: для генерирующей станции не сущность принципиально важно будет ли энергия рекуперативного торможения рассеяна среди сотен тысяч потребителей, либо же на эту величину метрополитен сократит потребление энергии. Обстановка симметричная, но не совсем.
В первом случая генерирующая компания «чесаться» не будет. Все неприятности будут решаться между ее потребителями– у одних деньги отберут, вторым дадут. Во вто-ром случае (с настоящей экономией энергии) генерирующей компании нужно будет подумать, как сократить производство электричества, не ущемляя заинтересованностей собственных потребителей, потому, что счета за электричество от метро уменьшатся.
Другими словами для генерирующей компании настоящая экономия электричества это лишняя морока.
Для метро также: асинхронные двигатели более недороги и разрешают с ми-имальными затратами реализовывать режим рекуперативного торможения. В следствии метрополитен экономит на стоимости вагонов и приобретает дополнительную прибыль за счет возврата энергии сеть. Увидим, прибыль, а не экономию.
И чем больше будут затраты энергии подвижным составом тем больше будет эта прибыль. Соответственно, больше будет прибыль генерирующей компании. Вот такая ре-куперация денег получается.В проигрыше останется лишь общество в целом, потому, что мазута, газа, урана и угля будетсжигаться больше и больше.
Напоследок возможно добавить, что не сущность принципиально важно какие конкретно двигатели (переменного либо постоянного тока) будут употребляться в метро. Настоящую экономию энергии возможно взять только при применении накопителей. Двигатели постоянного тока дороже, ноуправление совокупностью силовая сеть – РСТ – поезд метро окажется несложнее данной же совокупности при применении переменного тока.
Ю.Волков.
