CC BY
28
УДК 62-83:621.333.3.001.5
Д.М.БЕЗНОСЕНКО
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ
Ухудшение экологической обстановки в местах эксплуатации автосамосвалов заставляет искать альтернативу традиционным тепловым двигателям. Широкое применение гибридных систем электродвижения с использованием накопителей электрической энергии позволяет частично решить экологические проблемы без потери автономности автотранспорта.
Deterioration of ecological conditions in places of truck operation forces to search for alternative to traditional thermal engines. Wide application of hybrid systems of movement with use of stores of electric energy in part allows to solve environmental problems without loss of indepen-dens of motor transport.
Как известно, в рабочих зонах карьеров наряду с высоким уровнем запыленности имеет место загрязнение атмосферы отработанными газами силовых установок карьерного автотранспорта. При общих тенденциях углубления карьеров и увеличения производительности автосамосвалов увеличиваются требования к чистоте воздушного бассейна карьера. Выбросы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержат около 280 компонентов. Период их существования длится от нескольких минут до 4-5 лет [4]. Из значительной группы токсичных веществ отработанных газов ДВС в настоящее время нормируются только окись углерода (СО), углеводороды (CnHm), оксиды азота (NOx) и сажа, большая же часть ядовитых веществ остаются ненормированными, например, полициклические ароматические углеводороды, вызывающие онкологические заболевания [1]. Кроме того, транспортные средства являются источником повышенного шума, а по медицинским данным, шум свыше 80 дБ вреден для человеческого организма [2].
Очевидно, что полностью отказаться от применения тепловых двигателей на автономных транспортных объектах невозможно, поэтому необходим комплексный подход в решении вопросов экологичности карьерного автотранспорта. Для уменьшения уровня токсичности отработанных газов
рекомендуются к применению нейтрализаторы, альтернативные малотоксичные тепловые двигатели, например, газотурбинные [3], а также специальные ДВС [2]. Но эти меры полностью не исключают загазованности рабочего пространства карьеров и тем более не решают проблемы шумового воздействия. Одним из возможных путей снижения вредности работы автотранспорта является уменьшение времени работы силовой установки автосамосвала в карьере. Частичный отказ от работы теплового двигателя требует установки дополнительного экологичного нетеплового источника энергии для функционирования транспортных средств. Поскольку наиболее приемлемыми сегодня для автономных объектов являются источники электрической энергии (накопители электроэнергии, электрохимические генераторы), то применение электрической тяги в системе движения автосамосвалов представляется весьма перспективным.
В качестве альтернативного источника питания для карьерного автотранспорта могут служить воздушная сеть электроснабжения карьера (троллейвозы), а также автономный источник питания, при необходимости устанавливаемый на самосвале (аккумуляторная батарея, накопитель энергии).
Идеи использования двойной тяговой установки на самосвале имеют давнюю ис-
Электропередача автосамосвала с комбинированным электропитанием СГ - синхронный генератор; ПД - первичный двигатель; В - выпрямитель; И1, И2 - инверторы; ТД1, ТД2 - тяговые двигатели; Rторм - тормозное сопротивление; К - коммутатор; АБ - аккумуляторная батарея; ЛП - линия электропередачи; САУ - система автоматического управления
торию. Впервые дизель-троллейвозы были предложены в СССР в 1949 г. А.С.Фи-деевым. Первый отечественный опытный дизель-троллейвоз был изготовлен на ПО «БелАЗ» в 1967 г.
В настоящее время усилия основных автомобильных корпораций направлены на создание гибридных и комбинированных источников энергии. Компании «Liebherr» и «Euclid-Hitachi» производят дизель-троллейвозы T282 (грузоподъемностью 360 т) и EH4500 (грузоподъемностью 255 т) с электротрансмиссиями «Siemens AC300.G» и «Siemens AC200.G» соответственно.
Для электротрансмиссии с гибридной энергоустановкой существует две схемы компоновки элементов: последовательная и параллельная. При последовательном соединении мощность от ДВС используется только для вращения генератора. При параллельной схеме кинематическая связь с ведущими колесами имеет и ДВС, и электродвигатель. Основной недостаток второго гибрида - неизбежные механические потери трансмиссии и работа ДВС в неэкономичных режимах. Поэтому последовательная схема гибридной силовой установки считается более перспективной.
В связи с вышеизложенным целесообразно построение системы электродвижения карьерного автосамосвала по схеме, приведенной на рисунке. Первичный тепловой двигатель в гибридной силовой установке может работать в оптимальном для него режиме, обеспечивая экономию расхода топлива и снижение вредных выбросов, а также полностью останавливаться (питание колесных двигателей при этом будет обеспечиваться накопителем или воздушной линией электропередачи). Автономный источник питания и токосъемник могут устанавливаться на самосвале по специальным требованиям заказчика. Так как мощность электродвигателей автосамосвалов большой грузоподъемности составляет 500-1000 кВт, то электроемкость автономных источников должна иметь требуемую мощность, что приведет к высоким массогабаритным показателям. Подведение воздушной сети непосредственно к карьерному забою связано с определенными сложностями, особенно при буровзрывном способе разрушения горных пород, поэтому применение автономных источников питания на карьерном автотранспорте следует считать обоснованным, несмотря на увеличение массы самосвала.
- 99
Санкт-Петербург. 2004
Кроме того, следует отметить возможность построения комбинированной схемы со способностью накапливать кинетическую энергию автосамосвала в процессе торможения и при необходимости выдавать ее в виде электрической.
В качестве автономного источника питания можно рассматривать ряд устройств: аккумуляторные батареи (АБ), электрохимические генераторы (топливные элементы), импульсные энергоемкие конденсаторы. При выборе того или иного устройства следует руководствоваться технико-экономическими показателями.
Несмотря на существование энергоемких АБ (никель-металлогидридные, натрий / (никель)-хлоридные), некоторые автомобилестроители полагают, что разработка проектов транспорта с АБ и его создание пока экономически не оправдано [5].
Практическим решением в разработке перспективного карьерного автосамосвала могло быть использование топливных элементов. Наиболее реальными для применения в автотранспорте оказались так называемые протонообменные мембраны (РЕМ). Они отличаются высокой энергоемкостью (до 100 Вт/л) и невысокой рабочей температурой (20-120 °С, рабочие температуры некоторых топливных элементов достигают 1000 °С).
Серьезным препятствием на пути внедрения электрохимических генераторов является их высокая стоимость - 200 дол. за киловатт полученной из РЕМ-элементов энергии, против 30 дол./кВт для поршневых двигателей. Поэтому для создания дешевого автономного источника питания на сегодняшний день лучше всего подходят импульсные конденсаторы большой энергоемкости (ИКЭ). Они инвариантны к месту установки, обладают высоким быстродействием, бесшумны в работе, экологически чисты в производстве и утилизации. Модульная конструкция и отсутствие движущихся частей позволяют говорить о высокой надежности. Время хранения энергии более сотен часов. При постоянном времени саморазряда порядка 100 ч суммарный КПД зарядно-разрядного цикла должен составлять 90 %.
Примером ИКЭ могут служить импульсные конденсаторы производства МНПО «Эконд», принцип действия которых основан на прямом накоплении заряда в
двойном электрическом слое на поверхности контакта высокопористого электрода со связанным электролитом. Накопители фирмы «Эконд» имеют емкость, равную десяткам и сотням фарад при напряжении примерно 350 В в одном модуле, и удельную энергоемкость до 50 Дж/см3, способны заряжаться током любого рода.
На базе ИКЭ фирмы «Эконд» был построен емкостный накопитель, использованный в гибридном электробусе, спроектированном исследовательским центром NASA и продемонстрированном в 1998 г. Автобус массой 15 т имел ДВС мощностью 90 л.с. Система накопления электроэнергии включала в себя батарею из 30 суперконденсаторов, способных накопить 1,6 МДж энергии (примерно 20 фарад при 400 В). Масса блока составила 950 кг. По заключению специалистов NASA в ходе полигонных испытаний расход топлива был снижен в два раза, а вредные выбросы в окружающую среду уменьшились в 10 раз по сравнению с базовым вариантом автобуса [4].
Испытания автобуса NASA показали, что импульсные конденсаторы большой мощности для использования в накопительной части гибридного транспортного средства более приемлемы, чем любой из других доступных накопителей энергии.
В настоящее время ИКЭ уже нашли широкое применение в промышленности, в том числе и в комбинированных энергоустановках, используемых на железнодорожном транспорте для гарантированного запуска дизелей маневровых и магистральных тепловозов (мощностью до 3000 л.с.).
ЛИТЕРАТУРА
1. Егоров А.Е. Снижение токсичности отработанных газов / А.Е.Егоров, Н.Д.Волоцкий // Горная промышленность. 2002. № 6.
2. Иванов А.М. Транспортные средства и проблемы экологии (аналитический обзор) / А.М.Иванов, С.А.Иванов // Приводная техника. 2000. № 2.
3. Кулешов А.А. Перспективная газотурбинная силовая установка с механической трансмиссией для карьерных автосамосвалов БелАЗ / А.А.Кулешов, Н.С.Попов, В.А.Парамонов, В.ВШашкин // Горный журнал. 2000. № 2.
4. Павлов Е.И. Экология транспорта: Учебник для вузов / Е.И.Павлов, Ю.В.Бурелев. М.: Транспорт, 1998.
5. From diesel drive to fuel all: developing buses into «zero emission vehicles» / Public Transport International. 3/99. Germany.
