CC BY
43
УДК 621.311.212
ПРИМЕНЕНИЕ НАКОПИТЕЛЕЙ В АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ С РЕЗКОПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКОЙ Руди Дмитрий Юрьевич, магистрант (Е-mail: dima_rudi@mail.ru) Омский государственный технический университет, г.Омск, Россия Попова Мария Викторовна, студент (Е-mail: 4erti_4e@mail.ru) Омский институт водного транспорта, г.Омск, Россия Ткачук Николай Александрович (Е-mail: koljn1996@mail.ru) Омский институт водного транспорта, г.Омск, Россия
В статье описывается применение накопителей в автономных энергосистемах с резкопеременной нагрузкой.
Ключевые слова: накопители энергии, автономные энергосистемы, резкопеременная нагрузка
Во всем мире уже достаточно давно обратили внимание на проблему повышения технико-экономических показателей автономных энергосистем путем использования в их составе накопителей энергии.
Так, например, для автономной тяговой электрической передачи со сверхпроводниковыми электрическими машинами, одним из путей повышения энергетической эффективности является применение сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН), обеспечивающих накопление электроэнергии (заряд), генерируемой тяговыми сверхпроводниковыми униполярными двигателями (СПУД) при торможении транспортных объектов, и ее отдачу (разряд) совместно со сверхпроводниковым униполярным генератором (СПУГ) электродвигателям в режиме тяги.
Достоинства СПИН: простота и статичность конструкции, хорошие энергетические показатели, возможность хранения запасенной энергии в течение требуемого времени, практически неограниченное число зарядно-разрядных циклов.
В общем случае в составе передачи может быть несколько параллельно работающих СПУГ, СПУД и СПИН. После приведения их к соответствующим эквивалентным машинам и накопителю принципиальная схема силовой цепи передачи может быть представлена в виде, изображенном на рисунке 1. При заряде СПИН и совместной работе СПУГ и СПИН на СПУД управляемый сверхпроводящий ключ выводится из сверхпроводящего состояния. В режиме хранения энергии СПК находится в сверхпроводящем состоянии, обеспечивая протекание незатухающего тока по обмотке СПИН. При торможении объекта и совместной работе СПУГ и СПИН на СПУД сверхпроводящие обмотки работают при изменяющихся во времени токах в переменных магнитных полях. В связи с этим
уместно отметить, что современный уровень технологии изготовления обмоток из сверхпроводников второго рода обеспечивает их работоспособность при высоких значениях изменений во времени тока и магнитного потока. Рабочий диапазон частот для современных СПК составляет 0,5-15 Гц.
Рисунок 1 - Принципиальная схема силовой цепи тяговой электрической передачи
Анализ таких систем показывает, что, например применительно к перспективному тепловозу мощностью 6000 кВт со сверхпроводниковым оборудованием, обеспечивающему движение поезда массой 3 106 кг по участку протяженностью 100 км применение СПИН приводит к экономии топлива до 12%. Необходимо отметить, что использование в перспективе тягового электрооборудования с высокотемпературными сверхпроводниками, охлаждаемыми жидким азотом, обеспечивает вполне приемлемые мас-согабаритные характеристики криогенных установок [1].
Применение емкостного накопителя для железнодорожного транспорта предложила использовать компания Siemens Transportation Systems. Она представила на выставке накопитель энергии Sitras SES (рисунок 2). Он позволяет аккумулировать излишки энергии, генерируемой при рекуперации, а затем использовать их при разгоне поездов.
Рисунок 2 - Накопитель энергии Sitras SES
Эксплуатационные испытания показали, что применение таких накопителей позволяет снизить потребляемую единичную мощность на 50 кВт. При этом расход энергии на шинах подстанции уменьшается почти на 30 %. Это ведет к снижению общих расходов на тягу и уменьшению загрязнения окружающей среды выбросами CO2.
На электрифицированных линиях накопитель не только экономит энергию, но и способствует поддержанию необходимого уровня напряжения в контактной сети.
Основу Sitras SES составляет двухслойный конденсатор DLC. При очень большой рабочей поверхности обкладок он занимает объем, не превышающий 0,5 дм . Накопитель содержит 1300 таких конденсаторов, имеющих чрезвычайно большую суммарную емкость [2].
Маховичный накопитель энергии используется в схемах электромобилей новой концепции. На рисунке 3 представлена схема городского электробуса новой концепции.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Здесь блок супермаховичного накопителя 10, снабженный своим редуктором 9, расположен независимо от остальных агрегатов и мягко подвешен на раме для уменьшения и без того небольших гироскопических усилий при горизонтальном расположении супермаховика. С помощью коробки отбора мощности 4 и карданных передач 7 этот блок может связываться с вариатором 5 как независимо, так и совместно с электродвигателем 2. Этот электродвигатель может быть соединен с вариатором 5 и независимо от супермаховика, и играть роль полноценного тягового двигателя, в основном, на стационарных режимах движения. Несмотря на то, что электродвигатель 2 в этом случае несколько увеличивается по мощности и массе, энергоемкость супермаховичного накопителя может быть существенно снижена, реально до 0,5 кВтч. Это позволяет изготовлять супермаховик из такого стабильного и сравнительно дешевого материала, как стальная углеродистая проволока. Вариатор позволяет тяговому электродвигателю работать в эффективном диапазоне крутящих моментов и частот вращения, передавая только часть мощности, необходимой для движения электробуса, что благоприятно для его работы [3].
Применение электромеханического накопителя энергии в автономной энергосистеме было предложено изобретателем Ломановым А.А. [4]. В предложенной системе накопитель энергии предназначен для использования в космосе и позволяет выдавать механическую или электрическую энергию. Накопитель содержит два независимых маховика, электроагрегат, способный работать в режиме двигателя и в режиме генератора, и ось
с жестко прикрепленным в ее середине двухконусным элементом муфты сцепления, соосно которому с зазором на маховике жестко прикреплены одноконусные детали сцепления. Ось установлена в подшипниках с возможностью вращения и продольного перемещения, обеспечивающих поочередное сцепление элементов муфты и передачу усилий от электроагрегата к маховикам или от оси к агрегату отбора мощности. На рисунке 4 представлен общий вид устройства в продольном разрезе.
Космический накопитель энергии содержит: корпус, состоящий из трубчатых элементов, в торце кругового очертания 1 с заключенными внутри их грузов магнитного перемещения 2; прямолинейных элементов 3, присоединенных на фланцах 4, развязанных связями 5, с цапфами 6 и с подшипниками 7; маховики, состоящие из массивного обода 8, дисковых частей 9, цапф 10, снабженных подшипниками 11 и 12, элементами сцепления 13, упорными подшипниками 14; детали вращательной системы в составе продольной оси 15, пропущенной через подшипники корпуса 7, подшипники маховиков 11, снабженной в середине элементов муфты сцепления 16, пропущенной по концам через электроагрегат 17 и агрегат управления и отбора мощности 18.
Накопитель энергии может эксплуатироваться с закреплением на космических объектах или в виде отдельно парящей в космосе установки - электростанции или механического двигателя.
Устройство работает следующим образом: Ось 15 сдвигается вдоль до сцепления муфты сцепления 16 с деталью сцепления 13 одного из маховиков (8, 9, 10), подключается электроагрегат 17 и, работая как мотор, осью 15 вращает маховик (8-10), в котором запасается энергия, передвигая ось 15 в другую сторону, производится накопление энергии во втором маховике, после чего сцепление отключается от обоих маховиков, питание электроагрегата 17 прекращается, в обоих вращающихся свободно маховиках сохраняется накопленная энергия.
Для выдачи электроэнергии, используя накопленную, один из вращающихся маховиков через муфту сцепления приводит во вращение ось 15 и электроагрегат 17, работающий в режиме генератора.
Для выдачи механической энергии используется непосредственно вращение оси 15, воздействующее на агрегат 18.
Накопитель энергии может быть полезно использован для подачи электроэнергии, когда плоские солнечные батареи, попавшие в тень, не работают и вообще для создания стабильных источников электротока в космосе в условиях невесомости и солнечной радиации [4]. Список литературы
1. Хожаинов, А.И., Никитин, В.В. Автономная тяговая электрическая передача со сверхпроводниковыми электрическими машинами и индуктивным накопителем энергии // Электричество. - 1996. - №10. - С.10-15.
2. Международная выставка железнодорожной техники InnoTrans (октябрь 2002г.) // http://www.css-rzd.ru
3. Инерционный накопитель энергии для тяговой сети (2004г.) // http://www.css-rzd.ru
4. Новая концепция электромобиля // http://n-t.ru
Rudy Dmitry, undergraduate
(E-mail: dima_rudi@mail.ru)
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Maria V. Popova, a student
(E-mail: 4erti_4e@mail.ru)
Omsk Institute of Water Transport, Omsk, Russia
Nikolai Tkachuk
(E-mail: koljn1996@mail.ru)
Omsk Institute of Water Transport, Omsk, Russia
APPLICATION OF DRIVE INTO AUTONOMOUS ENERGY SYSTEM
Abstract. The article describes the use of drives in autonomous power systems with rezkoperemennoy load.
Keywords: energy storage, autonomous power system load ezkoperemennaya
