Пользователь
0,0
рейтинг
21 января 2013 в 02:11

Использование ионистров для рекуперативного торможения в метрополитене

Многие из вас замечали, что в метро очень жарко летом и стоит неприятный запах. Вот и я однажды, задумался, а откуда же эта жара и этот запах. На самом деле метро пахнет 4-и запахами: запах состава для защиты дерева шпал от гниения, запах нагретых проводов, запах от мелкодисперсной пыли тормозных колодок и запах жженого мелкодисперсного железа. Я подумал, это же вредно для здоровья.

В другой раз, выходя из вагона, я заметил, что из под вагона поднимается теплый поток воздуха. И я подумал, откуда же он. И тут я вспомнил, что вагоны электрические и что при торможении торможение происходит за счет двигателей (электродинамическое торможение). Но, почему бы не использовать эту энергию? Ведь тогда не будет нагрева проводов, не будет пыль от тормозных колодок. Для этого нужна система рекуперации.

Рекуперация позволяет вернуть энергию обратно. Подобная система реализована на Toyota Prius Hybrid.

Но вот в чем проблема, куда же ее вернуть? Тут 2 варианта: или обратно в электросеть или где-нибудь ее запасти. Вернуть обратно в электросеть — нужные другие тяговые подстанции и сами вагоны другие нужны. Плюс нельзя производить рекуперацию между поездами, которые питаются от разных тяговых подстанций. В итоге эффект рекуперации достигает 15%, что достаточно мало. И тяговые подстанции переоборудовать дорого и долго. А сами вагоны обновляются раз в 30 лет. Так что этот вариант достаточно долгий.

Второй вариант — возвращать энергию обратно в поезд. Тогда достаточно переоборудовать поезд и КПД может достигать 80%.

Для хранения энергии лучше использовать не аккумуляторы, а ионистры.

Преимущества:


1. Не требуются тяговые подстанции для переоборудования поездов.
2. Поезд может самостоятельно передвигаться до ближайшей станции для высадки пассажиров в случае нарушения электроснабжения.
3. Можно переоборудовать существующие поезда.
4. Нет проблемы передачи энергии от одного поезда к другому. Т. е. не нужна дополнительная электросеть в случае сильно неравномерной нагрузки поездов по станциям метрополитена.


Недостатки:

1. Стоимость ионистра.
2. Увеличение массы поезда за счет ионистров (не так много по отношению к массе поезда и пассажиров).

Преимущества ионистров по сравнению с аккумуляторами:

1. Высокая скорость заряда/разряда – большой разрядный ток.
2. Простота зарядного устройства.
3. Малая деградация после сотен или даже тысяч циклов заряд/разряд.
4. Возможность заряда/разряда при низких температурах.

Недостатки:

1. Меньшая удельная энергия.
2. Зависимость напряжения от степени заряженности.

Таким образом ионистры больше подходят для рекуперации, чем аккумуляторы в качестве мобильного источника энергии.

А что такое ионистр? Ионистр — он же суперконденсатор, это по сути электрический конденсатор, но с двойным электрическим слоем. По сути это гибрид аккумулятора и конденсатора. В электролите (как в аккумуляторе) плавают заряды (как в конденсаторе), которые притягиваются к друг другу. Для того, чтобы эти плавающие заряды друг с другом не столкнулись и не нейтрализовали друг друга, между ними находится дилектрик. Таким образом двойной электрический слой образуют

Ионистры используются в Ё-мобиле.

Но есть еще проблема регуляции подачи энергии из ионистров на двигатели и обратно.

Для этого хорошо подходит широтно-импульсная модуляция в паре с инверторной схемой. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) применяется сейчас абсолютно во всех схемах питания, будь то блоки питания компьютеров, стабилизаторы напряжения процессора на материнской плате или еще какие устройства питания. Суть ШИМа в том, что меняется длительность (ширина) импульса с частотой в несколько десятков — сотен кГц и за счет этого меняется величина энергии, передаваемой потребителю. Переменный сигнал сглаживается конденсатором и может стать постоянным, если это необходимо. Обычно в ШИМ есть высокочастотный трансформатор, на который и подаются управляющие импульсы.
А инвертор — это схема где постоянное напряжение становится переменным (инвертируется) и может быть потом обратно преобразовано в постоянное — это делает уже выпрямитель при необходимости. Преобразование в переменное необходимо для получения нужного напряжения и его регулировки. Постоянный ток можно преобразовать в переменный и дальше получить нужное напряжение с помощью трансформатора. Но используя не просто переменный ток, а переменный ток более высокой частоты (десятки сотни кГц), можно получить трансформатор с более хорошими масса-габаратными показателями, КПД и низкой стоимостью. Что успешно и делается, например в сварочном аппарате или блоке питания компьютера.
Но проблемы на этом не закончиваются. Нужно еще найти подходящий коммутирующий элемент. Идеальный вариант — технология IGBT (Insulated Gateway Bipolar Transistor). Суть этой технологии в том, что объединили 2 технологии транзисторов, долгое время конкурирующих между собой, в один элемент. На входе стоит полевой транзистор, который управляет биполярным транзистором. Таким образом достигается преимущества обоих транзисторов и убираются их недостатки:

1. Маленькое падение напряжение в режиме насыщения.
2. Быстрое переключение.

Маленькое падение напряжение дает возможность увеличить КПД и уменьшить нагрев, а также пропустить больший ток.
А быстрое переключение дает возможность использовать этот транзистор для схем, работающих на относительно больших частотах (десятки-сотни кГц).

В реальных устройствах используются целые блоки таких транзисторов, обычно их помещают на радиаторы для лучше охлаждения. Один такой блок способен коммутировать огромные мощности. Ток в сотни Ампер и напряжение в сотни Вольт. Т. е. общая коммутирующая мощность десятки — сотни кВт. Как раз такая мощность у двигателей вагонов метро. Там стоят обычно 4 двигателя по 110 кВт.

Теперь посчитаем, сколько можно сэкономить электричества.

Исходные данные:

Вес тары вагона: 34 тонны.
Максимальная вместимость вагона: 330 пассажира.
Метровагонмаш
Вес пассажира в среднем: 70 кг.
Скорость движения состава, допустим: 60 км/ч.
Стоимость электроэнергии: 4 руб./кВт*ч.
Количество вагонов: 10
Интервал хождения вагонов: 30 секунд.
Время посадки: 30 секунд.
Количество веток метро: 12
Длинна поездки в среднем на каждой ветке от конца до противоположного конца: один час
График работы метро: с 5 до 01 часа.
Стоимость билета в среднем: 20 рублей.
Количество всех человеко-поездок в день: 8 млн.

Посчитаем кинетическую энергию, которую приобретает поезд при разгоне и потеряет при торможении

E=m*v^2/2= (34000 кг+330*70 кг)*(60/3,6)^2/2=8*10^6 Дж=8 МДж(1)

Много это или мало, считайте сами. Но такой же энергией обладает автомобиль, массой 1500 кг и двигающийся со скоростью 614 км/ч. Понятно, что он с такой скоростью не двигается. Но сравнение дает представление о том, сколько это энергии.

Потенциальную энергию не рассматриваем, т. к. при движении поезда вниз, она возвращается. А диссипативные силы — потери энергии на трение в подвижных механизмах и сопротивление воздуха нельзя вернуть, можно только уменьшить.

При торможении, вся эта энергия превращается в тепло и расходуется в пустую. Плюс при этом стираются тормозные колодки и там возможно, реостатное торможение — набор мощных резисторов, которые подключаются на тяговые электродвигатели и двигатели таким образом тормозят. Торможение ступенчатое. Нет плавного торможения — повышенный износ колесных пар и рельсов и резкое отрицательное ускорение (дергание поезда), что неудобно для пассажиров. А работа пневматического тормоза создает в воздухе дисперсионную пыль тормозных колодок. Рекуперация же устраняет все эти проблемы.

8 МДж /3.6 МДж = 2.22 кВт*ч*4 руб./кВт*ч = 8,88 рублей.

Для одного состава: 8,88*10=88 рублей.

В час поезд делает как минимум 60 минут/(30+30 секунд)/60=60 стартов/стопов.

Может быть и больше, если потребуется подождать другой поезд. Также бывают частичные снижения скорости.

В час 60*88=5280 рублей в час.
На одной линии 60 поездов.
Всего потребляется электричества: 60*12*5280рублей=3 801 600 рублей в час.

Но час пик — это утренние 2 часа и вечерние 2 часа.

Итого на час-пик 4*3,8 млн. руб=14,2 млн. руб.

В остальное время интервал хождения 3 минуты, это в 9 раз меньше старт/стопов и поездов на линии, т. е. 3,8 млн. руб./9=420 тыс. руб. в час.

Итак, затраты на электричество не в час пик 16*420=6,7 млн. руб.

Итого: 20,9 млн. руб. в день.

Затраты на одну человека-поездку 2,61 руб. И если билет стоит 20 рублей в среднем, то это 13% стоимости билета, не так уж и много.

В месяц 627 млн. руб.
@whiteblond
карма
4,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (59)

  • +3
    Разговоры такие давно идут. Но сокрее про гибридные автомобили. Там даже используют пружину как в игрушечных машинках, для аккумуляции энергии на сохранение.

    Дело то в другом мне кажется. Оно нафиг не кому не надо ТАК запарится при таком тех процессе. Этож целое производство нужно налаживать, а как мы знаем в нашей стране это не просто даже если сам тот самый прикажет это сделать, а тот, второй, повторит это на камеру.

    Я только за всеми руками.

    Хорошая статья.
  • +3
    Whiteblond? Задумался?
    • +1
      Тоже взорвало мозг, учитывая личное знакомство.
  • +9
    Я уж хотел обрадоваться рассчётам. Собственно, главное не указано: сколько их надо, чтобы энергию запасти, какой у этой конструкции КПД (фактический, то есть возврат в механическую энергию при начале движения) и какая стоимость годовой аммортизации (потому что это будет дорого сделать и дорого обслуживать).

    Посчитаете — пишите. А пока это фантазии «мы там маленький ионистр поставим, он запасёт 8 мегаджоулей энергии».
    • +4
      Важно также и сколько циклов держат Ионисторы, дополнительный вес, дополнительные расходы по обслуживанию.

      В режиме заряд/разряд раз в минуту — миллион циклов = замена ионисторов раз в 3 года.
      В общем, все уже посчитано и учтено до нас. Была бы «халява» — давно бы уже она была-бы реализована.
  • 0
    Почему используются деревянные шпалы вместо, например, жб?
    • +3
      Вибрации лучше поглощают?
    • +15
      Традиция. Теплее они…
    • 0
      железобетонную шпалу нужно дополнительно обкладывать чемнить демпфирующим, например, резиной, иначе бетон быстро трескается. А стоимость ж/б шпалы от наличие дополнительной «резинки» еще больше возрастает. Вобщем, по затратам шило на мыло.
      • +1
        Там всё гораздо проще: деревянные, установленные когда-то, имеют определённый ресурс (сколько-то десятков лет). Пока он не вышел, никто в здравом уме не станет вкладывать бабло в модернизацию, да и просто не сможет дать этому экономическое обоснование.

        По затратам ЖБ дешевле. Для деревянных шпал используется специальная древесина (нижняя часть ствола, самая плотная) + специальная обработка (их варят в котлах в специальном растворе).
        • 0
          У нас на транссибе, в связи с поголовным переходом РЖД на бетонные шпалы, вымирают целые города, где занимались шпалоизготовлением и шпалопропиткой.
  • +3
    Интересно, а откуда пошло написание «ионистр»? Получается гибрид аккумулятра и конденсатра.
    • +9
      В посте вообще чувствуется дефицит гласных. Ионистр вместо ионистор, habrcut вместо habracut, дилектрик вместо диэлектрик…
      • +12
        Экономить надо. В идеале хорошо бы гласные запасать, когда молчишь, а потом при наборе текста — брать из запасов.
        • +6
          Рекуперация гласных.
    • +9
      Аккумунсатор!
      Конделятор!
      • –1
        Мы борг.
    • 0
      Возможно, от слово ion, что переводится как ион. Ион — это заряженный атом или молекула. Двойной электрический слой ионистра образован как раз таки ионами.
      • 0
        Речь о том, что вы упорно экономите последнюю гласную в слове «ионистор».
  • +4
    Разметку в посте поправьте, куча тегов , которые после первого не используются и просто остаются как текст, а не как часть разметки.
    • +7
      Автор явно спутал теги spoiler и habrcut. Отписался уже в личку.
  • +8
    Когда был в «Метровагонмаш» смотрели как собирают поезда новой 760 серии которые ввели в прошлом году. Вот ссылка кому интересно экскурсия по заводу, там есть 21 фотка на которой видно асинхронные двигатели, при торможении они отдают ток в контактный рельс.
    • +5
      Вообще прогресс не стоит на месте и их давно используют:
      Практически все вагоны метро, выпускаемые на Метровагонмаше, комплектуются асинхронными приводами собственной разработки, доказавшими свою надежность и эффективность в эксплуатации. По оценке специалистов и отзывам машинистов поездов, асинхронные приводы обеспечивают плавный ход, быстрый разгон и торможение, экономию электроэнергии на 13,5%, а при применении рекуперативного торможения – до 40%. Кроме того, асинхронные тяговые приводы позволяют существенно сократить расходы на обслуживание тягового оборудования поездов метро.
      Вагоны метро с асинхронным тяговым приводом производятся на Метровагонмаше с 2003 года. В настоящее время асинхронными тяговыми приводами оборудуются вагоны метро модели 81-740/741 «Русич» и новейшие вагоны модели 81-760/761 «Ока».
    • 0
      Крутой отчёт. Рама из нержи это сильно, даже удивлен что в нашей стране это возможно, часто ведь делают так, чтоб потом нужно было чинить узел через определенное время.
      • +1
        Если рама действительно из нержи, зачем тогда её красили/грунтовали?
  • +9
    Еще в конце 80х в московском метро летом не было жарко. Скорее наоборот, под землей было прохладно по сравнению с уличной жарой. Я думаю, что дело не в реостатном торможении, а в кондиционерах. Если новые вагоны метро оборудованы кондиционерами — то они сбрасывают тепло в огромных количествах в тоннели и на станции, и тут никакое рекуперативное торможение и ТИСУ не помогут. А в те годы не было кондиционеров, и в метро было прохладно (в том числе в вагонах).

    Автор не упомянул о еще одном источнике тепла в старых вагонах. Это реостатно-контакторная система управления двигателями, когда для понижения напряжения на тяговых двигателях при трогании и на малых скоростях используются резисторы. Потери энергии в этих резисторах достигают существенных величин в общем энергобалансе поездов. Но даже это тепло не нагревало воздух на станциях так сильно, как нынешние кондиционеры.
    • +5
      Также рискну предположить, что оборудовать тяговые подстанции, в случае необходимости, устройствами для накопления энергии, проще и выгоднее, чем подвижной состав. Зачем возить с собой все эти ионисторы или другие устройства для накопления энергии, если их можно разместить стационарно? Кроме того, отдача энергии обратно в сеть позволяет обойтись вообще без ее накопления, так как если один поезд разгоняется во время торможения другого — то энергия может просто передаваться по сети непосредственно между ними, без необходимости ее накопления где-либо.
      • 0
        Тогда трудно будет реализовать управление этими разнесенными процессами.
    • 0
      Я читал, что в старых вагонах тяга регулировалась исключительно изменением схемы включения двигателей: все последовательно для низкой скорости, все параллельно — для высокой, и пара промежуточных вариантов.
      • 0
        Такой способ включения двигателей не позволяет полностью отказаться от реостатов. На малых скоростях все равно работают резисторы.
    • 0
      В метро Петербурга жарко на большинстве линий, но составов с кондиционерами, увы, нет. Думается, проблема в том что системы вентиляции тоннелей и станций не справляются с нагрузкой, будучи рассчитаными на гораздо более малый пассажиропоток.
    • 0
      Не забывайте, что пассажиры выделяют огромное количество тепла, ну и для перевозки нынешних потоков нужно в несколько раз больше поездов/плотнее интервалы и т.д. Да и зимой станции вполне себе подогреваются, чтобы поддерживать температуру порядка 16-18градусов.
  • +6
    2-3 квт*ч на тонну веса двухслойного конденсатора, не смешите мои домашние тапки.
    Про циклируемость на сверхтоках я ваще молчу, деградация заметна уже после нескольких десятков циклов сверхтоков.

    Чтобы отводить мощность от двигателя-генератора и сохранить пассажиров в салоне (а не заполнить всё ионисторами) придётся раз в 10 поднять удельную энергоёмкость.
    И самое главное, при наличие контактной сети — зачем что-то возить с собой? Размещаем конденсаторы в узлах на станциях и копим туда излишки. А распределённость системы позволит нивелировать активное сопротивление питающей сети.
  • +10
    На железной дороге рекуперативное торможение давно используется. Составы умеют тормозить двигателем и при благоприятных условиях отдают энергию обратно в контактную электросеть. Использовать ионисторы или иные приспособления для локального накопления энергии в данном случае нецелесообразно и дорого. Электромобиль от поезда или трамвая существенно отличается в одном — отсутствует постоянное подключение к сети.

    В метро данная технология тоже получает распространение, например в составах модели 81-740/741 «Русич»: ru.wikipedia.org/wiki/81-740/741
  • 0
    Самого интересного тут нету — расчёта стоимости и веса ионисторов с обвесом.
    Ибо максимальное напряжение ионистора на пробой 2.5в, а для балансировки батареи ионисторов требуется весьма сложная схема. Если добавить к этому совершенно конские токи от метрошных двигателей — получается совсем весело.
  • +1
    Фиг знает с какого времени эти разговоры идут. И в конденсаторах предлагали хранить, и а аккумуляторах, и в маховиках, теперь и в ионисторах.
    • 0
      Маховики тема очень интересная — нет двойного преобразования энергии. И поезд, и рельсы — хотя для энергоёмкости маховика важна не его масса, а прочность — всё равно хорошо, когда есть возможность установить, например, более надёжную для него защиту.
      • 0
        И точность его изготовления. А то небольшой дизбаланс и… ух, как он поскачет, когда болванка с 50-70k RPM сорвётся с осей/креплений.
  • 0
    Не учитываете, что у ионисторов очень ограничен зарядный ток. А рекуперация предполагает большой зарядный ток.
  • +1
    Все метро в сутки потребляет 5,2 млн квт/ч электроэнергии (http://shutline.com/moscow-metro-museum)
    Стоимость квт/ч 3,79 руб (http://www.bolshoyvopros.ru/questions/49277-skolko-stoit-kilovatt-elektroenergii-v-2012-godu.html)
    итого стоимость потребляемой электроэнергии — ~19млн. руб.
    Ты же собрался 20 млн экономить на рекуперации.

    И еще вопрос: «метро пахнет 4-и запахами» — это сколькими? «Четырьи»? «Четырями»?
    • 0
      Метро закупает электроэнергию по особым тарифам, так как во-первых, оно оптовый покупатель, а во-вторых, его нагрузка предсказуема, что бесконечно радует генерирующие мощности. Думаю, что для метро стоимость раза в два ниже.
      • 0
        Не путайте тарифы для физлиц и для юрлиц. У последних они намного выше. С крупными промышленными потребителями отдельные условия, индивидуальные, но всё равно цена выше выходит.
        • 0
          А можно пруф? А то тарифы для юрлиц очень похожи на таковые для физиков в Москве, и падают по мере увеличения потреблени я.
          • 0
            Про московские тарифы утверждать не буду, но в нашей области выходит выше. При том чем крупнее потребитель, тем ниже цена. Расчёт стоимости по юрлицам довольно сложен, по памяти не помню, завтра могу уточнить и дать для примера цены какого-нибудь ИП и физиков (последние, кстати, прописаны жёстко, вот)
    • +1
      Ты же собрался 20 млн экономить на рекуперации.

      Собралась :)
      • +3
        >Вот и я однажды, задумался, а откуда же эта жара и этот запах.
        Значит в этом предложении на одну ошибку больше, чем кажется на первый взгляд
      • 0
        Спалили ;)
  • 0
    А где же картинки и видео?
  • 0
    Экономический расчет напомнил написание диплома :) Блин, я же диплом по метро делал.
  • 0
    Супермаховик
    лучше, КПД до 98%.
    • 0
      А я думал, как еще никто про Нурбея не вспомнил.
  • 0
    Это всё хорошо но есть одно но.
    Рекуперативное торможение не такое быстрое и управляемое как трение.
    На практике без дополнительной коробки передач динамически изменяющей передаточное число между колёсами и мотором в зависимости от желания машиниста быстро или медленно затормозить, оно даст вам те-же 15% или же вагоны очень долго будут рекуперативно тормозить перед каждой станцией
    • 0
      Про новые вагоны «Русич» как раз и написано, что рекуперативное торможение возможно при скорости не более 8 км/ч.
      • 0
        В принципе я считаю, что можно реализовать электродинамическое (в том числе рекуперативное) торможение двигателями до любой скорости. Но если при больших скоростях для этого достаточно подключить к двигателю, работающему в генераторном режиме, нагрузку — то при малых скоростях даже такая величина нагрузки, которая будет максимизировать вырабатываемую двигателем электроэнергию (а значит — и развивать максимальную тормозную силу) может оказаться недостаточной. На малых скоростях, для торможения, на двигатели постоянного тока необходимо подать напряжение противоположной полярности, а в случае асинхронных двигателей — подать на обмотки статора такой ток, который вызвал бы вращающий момент в сторону, противоположную вращению колес. При таком торможении, несмотря на наличие в системе источника энергии, двигатель все равно будет совершать отрицательную работу, т.е. отдавать энергию источнику. Правда, тут требуется хорошая система автоматического регулирования, которая будет измерять скорость каждого колеса и регулировать на нем тормозную силу. Заодно, кстати, получится ABS.
  • 0
    А вы уверены, что эта энергия сейчас не рекуперируется и не отправляется просто обратно в контактную сеть?
    • 0
      Емнип, от этого сразу отказались — мешает электронике и другим поездам. Только если чуть чуть, но в этом смысла мало.
      • 0
        Оно не мешает, там разброс напряжения питания позволяет примерно от 500 до 100 Вольт. Но, там есть другие вопросы, например, передача энергии от поезда к поезду в разные места или согласование тормозящих поездов с разгоняющихся. Потому что, энергия может быть отдана прямо сейчас и использована тоже.
  • 0
    Насчёт четырех запахов в метро — это надо сильно теоретизировать, чтобы так говорить или курить много. Все ветки пахнут по-разному, где-то чем-то гниющим, где-то душно от того, что вентиляция просто не справляется с тем, что дышат и потеют тысячи человек, где-то окупировано бомжами… В общем, жжёное железо теряется среди этих «ароматов».

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.