Расчет эффективности применения накопителей электрической энергии на тепловозах, их параметров и условий размещения



Применение в перспективе накопителей электрической энергии на железнодорожном транспорте ориентировано на повышение энергетической эффективности и соответствует основным целям Энергетической стратегии ОАО «РЖД».

В настоящее время накопители электрической энергии (НЭЭ) нашли свое применение в различных сферах человеческой деятельности: автомобильный и электрический транспорт городов; системы резервирования в электроэнергетических системах; системы электроснабжения нетрадиционной энергетики; пригородный транспорт и др. НЭЭ применяются и на железнодорожном транспорте в качестве традиционных аккумуляторных батарей для резервирования маломощных потребителей особой группы первой категории.

Самые массовые накопители электрической энергии — это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии — как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины. Применительно к данной работе используются суперконденсаторы.

Создание энергоэффективного подвижного состава требует тщательного анализа и расчета параметров НЭЭ. Кроме того необходимо учитывать массогабаритные показатели накопителей, так как это влияет на развеску тепловоза и на компоновку оборудования на тепловозах [2]. При компоновке оборудования на локомотиве необходимо обеспечить следующее:

– равномерность распределения нагрузки на рельсы от движущих колесных пар;

– минимальную длину экипажной части, малогабаритность и компактность сборочных единиц;

– удобство монтажа и доступность обслуживания оборудования;

– простоту конструкций элементов рабочих связей силового и вспомогательного оборудования;

– высокую технологичность конструкции;

– оптимальные условия работы локомотивной бригады и ремонтного персонала и т. п. [1].

Кроме того, на компоновку локомотива влияют его назначение, условия эксплуатации, габаритные ограничения, уровень технического и технологического совершенства производства, современные тенденции развития отечественного и зарубежного локомотивостроения [1, с. 332].

Основное назначение развески тепловоза заключается в размещении выбранного оборудования локомотива таким образом, чтобы обеспечить заданные нагрузки колес на рельсы. Если у тепловоза все оси ведущие, то нагрузка на каждую ось должна быть одинаковой, что обеспечивает наилучшее использование сцепного веса тепловоза [1, с. 332].

Внедрение НЭЭ на тепловозах происходит совместно с применением рекуперативного торможения, собственно для этой цели и необходимы накопители. Хранение и распределение вырабатываемой энергии от рекуперативного торможения является главной функцией НЭЭ. Данное внедрение возможно при применении так называемого «гибридного привода» на тепловозах. Под понятием «гибридный привод» подразумевается использование двух и более различных силовых установок, под рекуперативным торможением понимают вид электрического торможения, при котором не задействована пневматическая система локомотива, при этом тяговые двигатели переходят в генераторный режим, а вырабатываемая ими электрическая энергия может быть полезно использована. С целью определения правильности выполнения развески тепловоза, соблюдения габаритных размеров, с учетом размещения дополнительного оборудования на тепловозе (НЭЭ) производится расчет параметров накопителей энергии.

С учётом предварительно рассчитанного количества сэкономленной энергии [3], можно рассчитать количество ячеек накопителя энергии:

(1)

где сэкономленная энергия рекуперации, МДж;

дополнительная ячейка, для недопущения полного разряда.

объём энергии, который вмещает одна ячейка накопителя, МДж.

Принимаем количество ячеек накопителя равным

Зная количество ячеек накопителя, необходимое для установки, рассчитываются габаритные характеристики накопителя энергии в целом, м³:

(2)

где габаритный объём одной ячейки накопителя, ;

количество ячеек накопителя энергии.

На наш взгляд целесообразным является установка ячеек накопителя равномерно по всей площади на крыше локомотива, как показано на рисунке 1. Выбранное расположение накопителей не нарушает развеску и упрощает их монтаж, при этом не нарушаются габаритные размеры для подвижного состава, установленные в ОАО «РЖД».

Масса накопителя энергии составит, т:

(3)

где масса одной ячейки накопителя, т

количество ячеек накопителя энергии.

Это увеличит массу тепловоза, которая в случае установки накопителей энергии составит, т:

(4)

где масса тепловоза, т;

масса накопителя энергии, т.

С учётом установки дополнительного оборудования, обеспечивающего работу накопителя энергии, примем вес тепловоза равным 137 т.

Рис. 1. Расположение и габаритные размеры накопителя энергии на тепловозе ТЭП70БС

Рассчитаем нагрузку на ось, при установке оборудования:

(5)

где количество осей тепловоза;

масса тепловоза после установки накопителя энергии, т.

В соответствии с формулой (5) нагрузка на ось, после установки дополнительного оборудования стала равна 23 т, что не превышает установленные ОАО «РЖД» нормы по нагрузке на ось подвижного состава.

Для наглядной демонстрации эффективности применения «гибридного привода» с использованием НЭЭ (суперконденсаторов) необходимо рассчитать общий КПД тепловоза и количество сэкономленного топлива с учетом применения данного привода и оборудования.

Таким образом, КПД при работе от накопителей энергии составит:

(6)

где КПД электрохимического накопителя энергии;

КПД электрической передачи тепловоза;

КПД тяговых электродвигателей.

По нормам расхода топлива в пути следования тепловоз затрачивает 756,5 кг дизельного топлива, что эквивалентно энергии равной, МДж:

(7)

где сумма затраченного в пути следования топлива, кг;

удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг;

КПД тепловоза.

Расход топлива на тонну веса состава в пути следования в обоих направлениях составит кг/т:

(8)

где сумма затраченного в пути следования топлива, кг;

масса тепловоза, до установки дополнительного оборудования, т;

масса вагонов, т.

С учётом увеличенной массы тепловоза, после установки дополнительного оборудования расход топлива за одну поездку в обоих направлениях составит, кг:

(9)

где расход топлива на тонну веса состава в пути следования в обоих направлениях, кг/т;

масса тепловоза, после установки дополнительного оборудования, т;

масса вагонов, т.

С учётом полного использования сэкономленной энергии, количество полученной накопителями энергии составит, МДж:

(10)

где общее количество сэкономленной энергии, МДж;

КПД при работе от накопителей энергии.

Данную величину можно выразить в количестве сэкономленного топлива, кг:

(11)

где количество выходной энергии при работе от накопителей, МДж;

удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг;

КПД тепловоза.

При условии увеличения расхода топлива по причине установки дополнительного оборудования, норма расхода топлива для тепловоза с накопителями энергии составит, кг:

(12)

где расход топлива за одну поездку, с учётом веса дополнительного оборудования, кг;

количество сэкономленное за одну поездку в обоих направлениях топлива, кг.

Часовой расход топлива для тепловоза-образца и тепловоза с установленными накопителями составит, кг/ч:

(13)

(14)

где расход топлива тепловоза-образца на одну поездку в оба направления, кг;

расход топлива тепловоза с установленным накопителем энергии, кг;

время в пути следования в оба направления, ч.

Процент экономии при использовании гибридной установки, относительно тепловоза образца, %:

(15)

.

Соответственно КПД тепловоза с накопителем энергии будет увеличено по отношению к КПД тепловоза-образца и составит:

(16)

где КПД тепловоза-образца;

процент экономии при использовании гибридной установки, относительно тепловоза-образца.

Ресурс дизеля так же будет увеличен эквивалентно энергии взятой от накопителя, то есть пропорционально проценту экономии, км:

(17)

где ресурс дизеля до первой серьёзной поломки до установки накопителя энергии, км.

Тепловоз с внедрённой гибридной установкой имеет гораздо более высокие показатели по сравнению с показателями тепловоза-образца, что наглядно показано на рисунке 2.

Рис. 2. График сравнения характеристик тепловоза — образца и рассчитываемого тепловоза с гибридной установкой

Технические показатели тепловоза-образца и тепловоза на котором применяется гибридная установка при следовании по маршруту Алтайская — Бийск и обратно сведены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные параметры тепловоза-образца итепловоза сиспользованием гибридной установки

Наименование показателя	Значение показателя для тепловоза-образца	Значение показателя при внедрении установки
Масса тепловоза, т	135	137
Масса состава, т	735	737
Расход топлива, кг/поездка	756,5	623,76
Часовой расход, кг/ч	72,74	59,98
КПД	0,36	0,42
Ресурс дизельного двигателя, км	270000	317375

Таким образом, важным преимуществом тепловоза с накопителем энергии является его высокая экономичность, за счёт снижения расхода топлива. Следует отметить повышение автономности, по сравнению с обычными тепловозами, которая достигается за счет реализации питания тяговых двигателей от накопителей энергии, разгрузки дизель-генераторной установки, путем подачи питания от накопителей энергии на привод вспомогательного оборудования.

Литература:

1. Камаев А. А. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов: Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Локомотивостроение»/А. А. Камаев, Н. Г. Апанович, В. А. Камаев и др.; Под ред. А. А. Камаева. М.: Машиностроение, 1981, 351 с.
2. Михальченко Г. С. Теория и конструкция локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Г. С. Михальченко, В. Н. Кашников, В. С. Коссов, В. А. Симонов; Под ред. Г. С. Михальченко. М.: Маршрут, 2006. 584 с.
3. Тихонов К. К. Технико-экономические расчеты в эксплуатации железных дорог / К. К Тихонов. М.: Трансделдориздат 1962, 248 с.