CC BY
22ПЕРСПЕКТИВЫ ГРАЖДАНСКОГО КОЛЁСНОГО ТРАНСПОРТА И ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
АСПЕКТ
Кириллов И.В.
АО «УАПО», инженер-конструктор Апальков Р.Г. АО «УАПО», инженер-схемотехник Рахманов И.
НИУМЭИ, студент
PROSPECTS OF CIVIL WHEELED TRANSPORT AND ITS ENERGY ASPECT
Kirillov I.,
JSC "UAPO", design engineer Apalkov R., JSC "UAPO", circuit engineer Rakhmanov I.
NRUMPEI, student
Аннотация
На сегодняшний момент времени существует тенденция к повсеместному распространению электроавтомобилей в целях нормализации климатической обстановки на планете. Проблема глобального потепления сегодня вызывает не только таяние льдов и вечной мерзлоты, но также и более резкие изменения климата по всему миру, что уже вызывает серьёзные катаклизмы. Целью настоящей работы является донесение до научного сообщества ошибочности мнения о том, что концепция классического электроавтомобиля является абсолютно безвредной, а также обзор источников энергии для работы электроавтомобилей по всему миру. Кроме того, целью настоящей работы является подчёркивание необходимости в использовании энергии водорода в условиях нынешней мировой энергетики.
Abstract
At the present time, there is a trend towards the widespread use of electric cars in order to normalize the climatic situation on the planet. The problem of global warming today causes not only the melting of ice and permafrost, but also more dramatic climate changes around the world, which is already causing serious disasters. The purpose of this work is to convey to the scientific community the erroneous opinion that the concept of a classic electric car is absolutely harmless, as well as an overview of energy sources for the operation of electric cars around the world. In addition, the purpose of this work is to emphasize the need to use hydrogen energy in the conditions of the current world energy.
Ключевые слова: Электроавтомобили и их перспективы, энергетика в аспекте нужд электроавтомобилей, водородные электроавтомобили.
Keywords: Electric cars and their prospects, energy in the aspect of the needs of electric cars, hydrogen electric cars.
На сегодняшний момент времени существуют различные концепции экологичного гражданского колёсного транспорта, которые должны осуществить переход от ДВС к ЭД. Задача перехода от классической компоновки гражданского транспорта с ДВС к экологичным аналогам сейчас решается с рьяным рвением. Потому как согласно последним исследованиям ООН, при превышении среднегодовой температуры в мире 1.5 градуса по шкале Цельсия, - человечество рискует оказаться на грани вымирания [1]. Причём, такой прогноз вполне может сбытая к 2050 году, согласно упомянутому исследованию [1].
В этой связи задача сокращения автомобилей с ДВС стоит как нельзя остро. Уже сейчас известно о том, что электроавтомобили, как косвенные потребители углеводородного топлива, потребляют это топливо вдвое меньше, чем автомобили с ДВС. Однако же, цикл производства электроавтомобилей
досаточно грязный, преиущественно ввиду производства аккумуляторных батарей. Цикл производса электроавомобилей настолько грязен, что средне-размерный кроссовер на электрической тяге становится экологичным лишь примерно через 50000 километров пробега [2]. Более того, электроавтомобиль является косвенным потребителем углеводородного топлива. Причём, этого топлива требуется в количестве примерно двух третей от сжигаемого топлива в ДВС современных автомобилей [2]. В этой связи вопрос об улучшении эколо-гичности производства электроавтомобилей остаётся открытым. Существуют два основных фактора вреда от электроавтомобилей. Таковыми являются чрезмерное потребление предприятием-изготовителем электроэнергии и цикл жизни аккумуляторной батареи (производство и утилизация) аккумуляторных батарей. Однако, в начале 2020 года компания duesenfeld [3] разработала экологичный и
безопасный метод утилизации аккумуляторных батарей электроавтомобилей. Ввиду этого, вред от электромобилей главным образом сегодня состоит в культуре их производства или же в культуре производства электроэнергии. Оба аспекта необходимо учитывать. Предприятия, которые изготовляют электроавтомобили, должны нормировать коэффициент мощности нагрузки cosф. Это позволит сделать предприятие более экономичным в отношении затрат электроэнергии, а значит и более экологичным. Такая практика уже была в СССР и показала себя с лучшей стороны. Также, для экологичности предприятия в энергетическом аспекте следует использовать более энергоэффективное оборудование. Меньшее потребление энергии - меньшая эмиссия углекислого газа от станций важно отметить такой параметр производства, как его технологичность в классическом понимании этого слова. То есть, определённая работа должна выполняться при минимуме рабочих операций за минимальное время при минимальном количестве проходов обрабатывающего некую заготовку инструмента.
Говоря же про второй аспект улучшения качества экологической обстановки на предприятиях электроавтомобилей, а именно про культуру производства электроэнергии, стоит ещё раз упомянуть тепловые электростанции, которые почти во всём мире используют в качестве топлива коксовый уголь. Также ТЭС работают на мазуте и газе. Наиболее экологичным вариантом ТЭС являются те ТЭС, которые используют в качестве топлива природный газ. Именно на этом виде топлива работают все 15 ТЭС города Москва [4]. В этой связи город Москва может считаться подготовленным для эксплуатации электроавтомобилей в большом количестве. Чего нельзя сказать про города Европы и Китая, к примеру [5].
Наиболее экологичным источником электроэнергии на сегодняшний момент времени являются атомные электростанции. Даже несмотря на зада1
утилизации ядерных отходов, энергия атома является самой экологически чистой, потому как атомные электростанции не имеют выхлопов и не способствуют выделению шлака, который в большом объёме выделяют теплоэлектростанции. Особенно привлекательной энергия атома стала при появлении нового экспериментального энерговырабаты-вающего комплекса на основе реактора БРЕСТ-ОД-300 предприятия РОСАТОМ [6]. Данный комплекс примечателен тем, что он имеет модуль рефабрика-ции отработанного топлива. Иными словами, топливо в данном энергокомплексе имеет почти неисчерпаемый потенциал, а проблема ядерных отходов становится менее существенной. Эта концепция делает и без того самую экологически чистую добычу электроэнергии ещё более экологичной. Стоит заметить, что такая схема выработки электроэнергии исключает участие ВПК в ней, потому как в ходе использования урана 235, именно такое топливо использует копмлекс о котором идёт речь, не вырабатывается оружейный плутоний. Это обстоятельство может существенно ограничить распространение новой концепции выработки электроэнергии, которую предлагает РОСАТОМ [6].
Однако, при достаточно широком распространении атомных станций с реакторными установками на быстрых нейтронах по территории Российской Федерации, можно совершенно точно заключить, что электроавтомобли имеют перспективы распространения в её пределах в энергетическом аспекте их экологичности.
Ещё одним вариантом экологически чистой электроэнергии является энергия термоядерного синтеза [7]. Наиболее известная термоядерная установка изображена на рисунке 1. Однако же, на сегодняшний момент времени совершенно невозможно спрогнозировать ни регулярное обеспечение топливом термоядерных установок, ни устойчивую их работу.
Рисунок 6 Международная термоядерная экспериментальная установка ITER
Помимо энергоэффективности производства и экологически чистой добычи электроэнергии для нужд этого производства, и эксплуатации электроавтомобилей, необходимо также учесть и энергоэффективность самих электроавтомобилей. Самой очевидной мерой является увеличение аэродинамики кузова электроавтомобилей, этим занимается сегодня не только при проектировании электроавтомобилей, но и при проектировании автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
Однако же, аэродинамика является далеко не решающим фактором энергоэффективности современного электроавтомобиля. Также стоит обратить внимание на массу проектируемых электроавтомобилей, а значит на материалы, из которых они изготавливаются. Всё больше и больше внимания сегодня обращается на композитные материалы. Так, например, в авиации авиалайнер Boeing 777 dream liner имеет цельнокомпозитный фюзеляж. А в автомобильной промышленности широко используется карбон, к примеру, на таких спортивных автомобилях, как Rimac, Audi, Lamborghini. Применение композитных материалов действительно способствует снижению массы автомобилей, но при этом повышает их стоимость. В случае электроавтомобилей эта стоимость и без применения композитных материалов весьма велика [8].
С точки зрения электротехники и электроники электроавтомобиль должен также быть энергоэффективным. Он должен быть снабжён интеллектуальной системой электропитания узлов и агрегатов, которая призвана экономить заряд элекроавтомо-биля. Также, все контактные и коммутационные узлы и переходы должны выделять минимум потерь. А это значит, что клеммы всех потребителей и источников питания, как первичных, так и вторичных, должны быть покрыты серебром и выполнены из качественной электротехнической меди. То же касается любых контактных соединенийна борту электроавтомобиля. Сам электродвигатель электроавтомобиля должен иметь минимальный нагрев. Это значит, что помимо интеллектуальной системы управления двигателем, должна быть и интеллектуальная система его охлаждения, которая также должна следить и за тепловым состоянием аккумуляторной батареи и остальных бортовых электронных блоков. Потому как увеличение температуры любого электротехнического изделия ведёт к увеличению его омического сопротивления [9]. Это, в свою очередь, ведёт к ещё большему
нагреву, что увеличивает скорость разрядки аккумуляторной батареи.
Не стоит также забывать и про грамотное проектирование электронных блоков, среди которых те самые интеллектуальные системы управления и охлаждения. Все компоненты блоков должны иметь грамотное охлаждение. Сами же блоки должны иметь минимальную массу. Все узлы и агрегаты на борту электроавтомобиля должны иметь минимальную массу. В этом смысле слова полезен опыт проектирования воздушных судов. Стоит отметить, что масса электронных блоков может быть существенна сокращена при переходе мировой промышленности в область нанотехнологического процесса [10], который позволит существенно оптимизировать параметры и массогабаритные показатели SMD-компонентов для печатных плат электронных блоков.
Однако, среди узлов и агрегатов электроавтомобиля наибольшей массой обладают трансмиссия и электродвигатель. Асинхронные двигатели, которые используются сейчас в электроавтомобилях дёшевы, просты в обслуживании, а главное надёжны в эксплуатации. При проектировании таких двигателей для решения задачи энергоэффективности также необходимо применять материалы с минимальной массой. Так, например, корпус двигателя должен изготавливаться из алюминия или же из алюминиевой рамы, которая обшита композитными панелями при соблюдении требуемой степени №. И всё же, снижение массы электроавомо-биля за счёт снижения массы узлов, агрегатов и кузова существенно мало в сравнении с массой аккумуляторной батареи, которая имеет массу примерно пол тонны [11].
Помимо электроавтомобилей классической компоновки существуют также и электроавтомобили с водородной электроустановкой, которые ничем не уступают классичиеским электроавтомобилям и даже во многом превосходят их. В этой связи существует неопределённость выбора между водородной электроустановкой [12] и классической электроустановкой электроавтомобилей. Автомобиль на энергии водорода впервые был выкачен на дорогу сравнительно недавно, в 1976 году в СССР. В то время как классический электроавтомобиль появился ещё в 1837 году и был даже описан в одном из романов Артура Конан Дойла [13]. Фотография такого автомобиля продемонстрирована на рисунке 3. Российский же аналог представлен на рисунке 3.
Рисунок 7 Первый в истории электроавтомобиль
Рисунок 8 Первый российский электроавтомобиль Водородная же концепция электроавтомобиля представлена на рисунке 4.
Рисунок 9 Первый водородный электроавтомобиль
Современное представление водородного электроавтомобиля продемонстрировано на рисунке 5 и на рисунке 6.
Рисунок 11 Современный импортный водородный электроавтомобиль
Водородный электроавтомобиль, как это было замечено ранее, превосходит классический электроавтомобиль во многом. У него большая дальность хода, около 1000 [12] километров на одном баке против около 600 километров электроавтомобиля (в лучшем случае) [8]. Он не зависит от энергосети, а значит не способствует более интенсивному сжиганию углеводородного топлива. Он не требует большого тяжеловесного аккумулятора, который необходимо утилизировать. По этой же причине отсутствует проблема деградации аккумуляторной батареи. В среднем, через 3 года после начала эксплуатации, аккумулятор электроавтомобиля деградирует на 20 процентов. Об этом свидетельствует опыт эксплуатации электроавтомобиля Nissan Leaf. Этот факт является как следствием физико-химической природы литий ионных аккумуляторных батарей, так и следствием качества электроэнергии питающей сети и особенностей эксплуатации, которые индивидуальны для каждого автовладельца. Наиболее важным из этих трёх аспектов является качество электроэнергии. При плохом качестве электроэнергии аккумуляторная батарея и вовсе может не прослужить обещанный производителем гарантийный срок. И в этом обстоятельстве водородный автомобиль также выгодно отличается от классического электрического, ему не нужна электроэнергия энергосети. Более
того, водородный электроавтомобиль нуждается в большой аккумуляторной батарее.
Из упомянутых тезисов можно заключить, что электроавтомобили в сложившихся обстоятельствах не являются адекватным решением проблемы глобального потепления. Их производство приводит к большой эмиссии вредных веществ в атмосферу от тепловых электростанций. А сама концепция классического электроавтомобиля требует огромного количества материала для производства аккумуляторных батарей, которые достаточно быстро деградируют, в то время как уже сейчас наблюдается их дефицит. При этом, электроавтомобили ещё не получили широкого распространения по миру. Мировая энергетика не готова к повсеместной эксплуатации электроавтомобилей при абсолютном экологичном их содержании. Всех этих недостатков лишена концепция водородного электроавтомобиля. В этой связи было бы логично видеть на дорогах всех стран мира водородные электроавтомобили к 2050 году.
К сожалению, авторы настоящей работы вынуждены признать, что мировые автопроизводители идут не совсем верным курсом. Электроавтомобили действительно позволят человечеству сократить эмиссию вредных газов и сократить количество теплоты на единицу автомобильной техники по всему миру. Однако же, до конца задача
предиктивных экологических мер в области автомобильной промышленности по всей планете посредством электроавтомобилей не может быть решена. И, совершенно не ясно, позволят ли электроавтомобили спасти человечество от природных катаклизмов и голода к 2050 году.
Авторы настоящей работы выражают благодарность автомобильной компании AURUS и автомобильной компании TOYOTA, которые занимаются разработками водородных электроавтомобилей.
Список литературы
1. IPCC: сайт межправительственной группы экспертов по изменению климата на английском языке: ipcc.ch
2. Polestar: сайт производителя электроавтомобилей на английском языке: polestar.com
3. Duesenfeld: сайт предприятия по утилизации аккумуляторных батарей на английском языке:duesenfeld. com
4. Enerdata: информационно-аналитический ресурс на английском языке: enerdata.net
7. Проектный центр ИТЭР: сайт российского участника программы ITER на русском языке: iterrf.ru
8. Tesla: сайт производителя электроавтомобилей на английском языке: tesla.com
9. Г.Н. Александров Проектирование электрических аппаратов, Энергоатомиздат 1985,448 с.
10. ACS Publications: научный журнал о нано-технологических исследованиях на английском языке: pubs.acs.org
11. Триумф инжиниринг: сайт производителя электротехнического оборудования на русском языке: triumph.engineering.ru
12. Toyota: сайт автопроизводителя на русском языке: toyota.ru
13. Артур Конан Дойл, Затерянный мир
ОПТИМИЗАЦИЯ ЛИНЕЙНОГО ПРИВОДА ТРУБОПРОКАТНОГО СТАНА
Кириллов И.В.
АО «УАПО», инженер-конструктор Апальков Р.Г. АО «УАПО», инженер-схемотехник Рахманов И. НИУМЭИ, студент Попиль С.В. НИУ МЭИ, студент
OPTIMIZATION OF THE LINEAR DRIVE OF THE PIPE ROLLING MILL
Kirillov I.,
JSC "UAPO", design engineer Apalkov R., JSC "UAPO", circuit engineer Rakhmanov I., NRUMPEI, student Popil S.V. NRU MPEI, student
Аннотация
Целью настоящей работы является оптимизация разработанной конструкции линейного привода трубопрокатного стана большой мощности. Получение рабочих характеристик привода, моделирование его на предмет электромагнитных явлений, которые позволяют судить о его оптимизации. Гипотеза настоящего исследования заключается в повышении эффективности трубопрокатного стана за счёт определения оптимизированы геометрический параметров привода стана, а также за счёт применения линейного типа привода в конструкции трубопрокатного стана. Метод настоящего исследования сводится к экспериментальному компьютерному моделированию, которое заключается в проведении множества итераций серий моделирования магнитного поля линейной электрической машины (ЛЭМ) при изменении геометрии маг-нитопроводящей её части.
Abstract
The purpose of this work is to optimize the developed design of the linear drive of a high-power pipe rolling mill. Obtaining the operating characteristics of the drive, modeling it for electromagnetic phenomena that allow us to judge its optimization. The hypothesis of this study is to increase the efficiency of a pipe rolling mill by determining the optimized geometric parameters of the mill drive, as well as by using a linear type of drive in the design of a pipe rolling mill. The method of this study is reduced to experimental computer modeling, which consists in carrying out many iterations of a series of modeling the magnetic field of a linear electric machine
