Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Асадов Джабир Гусейн
оглы ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С АВТОНОМНЫМ ХОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
МОСКВА - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина (ФГБОУ ВПО МГАУ).
Научный консультант доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАСХН, Дидманидзе Отари Назирович
Официальные оппоненты: Ильюхин Михаил Степанович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО МГАУ, кафедра Теплотехника и энергообеспечение предприятий, профессор Евтюшенков Николай Ефимович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ГНУ ВИМ Россельхозакадемии, заведующий отделом Копылов Сергей Игоревич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО РГАЗУ, кафедра Электрооборудование и автоматика, профессор
Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Россельхозакадемии (ГНУ ГОСНИТИ)
Защита состоится 28 мая 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д. 220.044.01 ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина
Автореферат разослан л____ _________2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Левшин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Решение экологической и топливноэнергетической безопасности региона и страны в целом сегодня в большей степени связано с транспортом, чем с какой-либо другой отраслью народного хозяйства.
Усилия автопроизводителей, направленные на усовершенствование экологических показателей современных автомобилей, все более затратные и менее эффективные, чем, например, 20Е30 лет назад. В то же время количество транспортных средств стремительно увеличивается. Таким образом, получается, что, несмотря на улучшаемые показатели автомобилей, с каждым годом автотранспорт все больше оказывает свое влияние на здоровье населения и экономику страны.
Существуют так называемые альтернативные пути экологизации транспорта. Эти пути широко известны, начиная от использования электромобилей и заканчивая электрохимическим генератором.
В России вопросы, связанные с экологическими аспектами развития экономики, приобретают особую актуальность. Так, по итогам Заседания комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России, состоявшегося 27 июня 2011 года, определены мероприятия по разработке комплекса мер, направленных на стимулирование внедрения экологически эффективных товаров и технологий, в том числе и на транспорте.
Данная работа дает предложение о варианте реализации экологической безопасности городов и сельских поселений путем использования электротранспорта.
Цель работы - оптимизация процесса заряда электротранспортных средств с автономным ходом от возобновляемых источников энергии.
Объекты исследования: аккумуляторные батареи (АБ), электромобили, система массового обслуживания, возобновляемые источники энергии.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались с использованием теории массового обслуживания, методов теории электродинамического моделирования. Основные теоретические результаты сопоставлялись с данными экспериментального исследования на реальном тягово-транспортном средстве с электроприводом и лабораторной зарядной установкой.
Научная новизна. Оптимизация процесса заряда электротранспортных средств с учетом вероятностного характера нестационарной нагрузки и использованием возобновляемых источников энергии.
Снижение времени простоя электромобиля и зарядной станции при взаимном ожидании за счет оптимизации количества зарядных станций и способа организации зарядного процесса.
Увеличение точности определения состояния заряда аккумуляторных батарей путем использования методов многопараметрового диагностирования.
Повышение эффективности использования энергии солнечного коллектора путем дополнительной генерации электрической энергии термоэлектрическими модулями.
Практическая полезность. По результатам теоретических исследований разработана методика определения оптимального количества зарядных станций.
Полученные в результате исследований зависимости емкости АБ от мощности и степени заряда/разряда позволяют определить оптимальную производительность зарядной станции.
Полученные в результате экспериментального исследования параметры электрогенераторной установки позволяют установить степень ее использования и обосновать выбор мощности и энергоемкости накопителя.
Полученные результаты позволяют спроектировать и изготовить сеть зарядных станций.
Реализован макетный образец зарядной станции.
Реализация результатов работы. Предложенные автором методики определения оптимального количества зарядных станций для электротранспортных средств используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет имени В. П.
Горячкина и приняты к реализации в МНПО Эконд и ГУП Мосавтохолод.
Конкретные положения диссертационной работы нашли применение в опытноконструкторских разработках.
Апробация работы. Основные результаты исследований озвучены на Международной научно-практической конференции Инновационные технологии в сельском хозяйстве (ФГОУ ВПО МГАУ, 20Ц22 ноября 2007 г.), Международной научно-практической конференции Научные проблемы развития автомобильного транспорта (ФГОУ ВПО МГАУ, 2Ц4 апреля 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции Перспективы развития агропромышленного комплекса России (ФГОУ ВПО МГАУ, 20Ц22 ноября 2008 г.), Международной научно-практической конференции Инновационные технологии в образовании и науке (ФГОУ ВПО МГАУ, 29Ц30 января 2009 г.), а также на заседаниях кафедры Автомобильный транспорт в 2008Ц2011 гг.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано работ, из них в научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций, Ч 17. Получен один патент изобретение № 2008137177/20(047715).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы, изложена на __ страницах машинописного текста, включая рисунки, таблицы и библиографический список из 88 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена актуальность темы, излагаются положения, выносимые на защиту.
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования Ужесточение экологических требований способствует экологизации транспорта и переходу на другие, альтернативные виды топлива, такие как газ, биомасса и электричество.
В ХХ веке выбор стратегии создания электромобилей (ЭМ) на основе обычных свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (АБ) был недостаточно продуман. Всему виной массовое увлечение демонстрационными проектами. Высокие массогабаритные показатели, малая удельная емкость АБ не позволили ЭМ того времени завоевать должного внимания и оставили дискредитирующую оценку в общественном сознании.
За последние 5Е7 лет многое изменилось.
Современный электромобиль это: аккумуляторная батарея массой от 1кг при пробеге от 80 км, сроком службы более 7 лет, емкостью до 10 000 Ач, а также тяговые электродвигатели, кпд которых составляет 90Е95 %.
В отличие от других альтернативных транспортных средств, электромобили отличаются самой низкой стоимостью эксплуатации (ценой владения). В городском цикле небольшой электромобиль без ущерба мобильности задействует в среднем всего 10 кВт мощности двигателя, что не идет ни в какое сравнение с затратами при подобной эксплуатации автомобиля с ДВС.
Рост популярности электромобилей в настоящее время связан с использованием гибридов. Массовые продажи гибридных автомобилей Toyota Prius, начатые в 1996 в США, и их эксплуатация привели к тому, что небольшие компании стали их модернизировать путем замены аккумуляторной батареи на более емкую. Такие гибриды стали называть Plug In (подключаемые).
Причины этого лежат в среднем пробеге за день и большой разнице стоимостей энергий электрической и бензинового эквивалента (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема сравнения эффективности использования энергии в классическом автомобиле и в электромобиле По графику среднего пробега частного автомобиля (рисунок 2) видно, что достаточно обеспечить 80 км пробега электромобиля без подзаряда аккумулятора, чтобы большинство владельцев гибридов перешли на использование только электрической энергии. В таком случае использование ДВС станет целесообразным только в оставшихся 20 %, которые связаны с дальними, длительными поездками по автостраде. И эта технология экономически выгодна.
Рисунок 2 - График среднего пробега частного автомобиля В народном хозяйстве зарядные/накопительные станции могут применяться в качестве источников электроэнергии как базисных электростанций, так и для гашения пиковых нагрузок, в сельском хозяйстве - на животноводческих фермах в качестве резервного источника электропитания и заменить дизель-генератор или передвижную электростанцию (передвижную энергетическую установку), на основе двигателя внутреннего сгорания.
Известно, что по ряду причин энергетики не додают сельскому хозяйству свыше 100 млн кВ ч электроэнергии ежегодно. Особенно большие потери при этом несут животноводческие фермы, имеющие агрегаты автоматизированной дойки, раздачи и приготовления кормов и т. д.
Для аварийных случаев сельскохозяйственные фермы используют генераторы с приводом от двигателя внутреннего сгорания, поэтому первую область применения зарядных/накопительных станций определим как замену ими двигателя внутреннего сгорания на сельскохозяйственных животноводческих фермах в случае аварийного отключения электроэнергии, т. е. резервного источника электроэнергией.
Использование автономных накопителей электрической энергии в сельскохозяйственном производстве можно применить:
в тягово-транспортных средствах Ч для обеспечения движения;
в электроэнергетике Ч для обеспечения гарантированного питания ответственных потребителей.
В первом случае наиболее актуально и перспективно использование электропривода в комбайнах. В настоящее время в зерноуборочных комбайнах преимущественно используется гидравлическая трансмиссия для передачи крутящего момента на ведущие колеса. При использовании электропривода кпд трансмиссии можно поднять с 15Е25 % до 85Е95 % и одновременно с этим становится возможным использование электропривода для вращения вспомогательных органов. Эксплуатация же комбайнов только в летнее время и в течение нескольких месяцев позволяет использовать в качестве энергоносителя аккумуляторные батареи, которые в хозяйствах можно подзаряжать в обеденное время или во время технологических перерывах на окраинах полей вдоль расположения силовых линий электропередач.
Вместе с использованием аккумуляторных батарей на комбайнах целесообразно их использовать в малой сельскохозяйственной технике, например, в электротракторах, используемых в теплицах, на фермах и других закрытых помещениях.
Накопитель, снимаемый с комбайнов в остальное время (осенью, зимой, весной), может быть использован в качестве источника бесперебойного питания, например, в коровниках, на фермах.
Вместе с тем становится экономически выгодным генерировать электрическую энергию в самих хозяйствах путем использования возобновляемых источников (солнечные батареи, ветряки и др.) для последующей зарядки электрической техники. Таким образом, на селе появляется возможность независимого, децентрализованного, от генерирующих и топливных компаний ведения хозяйства.
Таким образом, тяговый электропривод может стать полезным для использования в тягово-транспортных средствах (ТТС) и энергоустановках на основе современных литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей, особенно если они заряжаются от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Задача исследования Ч создание способа и организация процесса заряда легких транспортных средств с электротягой путем замены на заправочном пункте разряженной аккумуляторной батареи на уже заряженную, или обеспечение быстрой зарядки в течение 20Е30 мин от электроэнергии, полученной от возобновляемых источников.
Задачи исследования:
1. Разработать методику определения оптимального количества зарядных станций.
2. Определить степень влияния мощности и степени заряда/разряда аккумуляторной батареи на ее емкость.
3. Установить степень использования электрогенераторной установки зарядной станции и обосновать выбор мощности и энергоемкости накопителя.
4. Провести экспериментальные исследования электрогенераторной установки.
5. Провести технико-экономическую оценку эффективности функционирования зарядных станций и использования возобновляемых источников энергии.
Глава 2. Обоснование оптимального количества зарядных станций Основными объектами исследования являются зарядные станции и электрические ТТС в зоне обслуживания, нуждающиеся в процессе производственной деятельности в заряде АБ.
Поставленная задача решается за счет предлагаемого способа организации заряда ТТС, оснащенного АБ, а также аппаратурой диагностики за состоянием заряда АБ, состоящей из: GSM аппаратуры, модуля с АЦП-ЦАП и датчиком движения по местности, оснащенной заправочными пунктами, состоящими в свою очередь из: GSM аппаратуры, исполнительного устройства, источника электрической энергии, от которой производится заряд АБ, например, солнечными батареями и заряженным аккумулятором. При разряде аккумулятора на ТТС ниже контрольного уровня GSM аппаратура заблаговременно начинает посылать сообщения на расположенные по ходу движения заправочные станции о необходимости заряда и наличии заряженного аккумулятора. При наличии заряженного аккумулятора на одной из станций GSM аппаратура станции отвечает на запрос сообщением и ТТС направляется на замену или на быструю зарядку аккумуляторной батареи к этой станции. Таким образом, данный способ организации заряда значительно быстрее реализует поставленную задачу.
Данный способ организации заряда особенно эффективен, когда ТТС с электротягой представляет собой, например, электроскутер, у которого масса аккумуляторной батареи составляет не более 10Е15 кг, что является вполне приемлемым для замены самим водителем ТТС, а сама зарядная станция является необслуживаемой и автономной, например, солнечная батарея.
Обобщенная схема обслуживания ТТС на зарядной станции (ЗC) представлена на рисунках 3, 4.
Очередь Зарядные станции Обслуженные ТС Поток требований k n mo Рисунок 3 - Принципиальная схема работы замкнутой СМО с ожиданием Очередь Зарядная станция Обслуженные Поток требований ТС k mo Рисунок 4 - Принципиальная схема работы одноканальной замкнутой СМО с ожиданием Из рисунков 3 и 4 видно, что от обслуживаемых средств для зарядных станций в общем случае поступают заявки или требования на выполнение зарядки.
В связи с этим, в структуре предусмотрено звено технического обслуживания, которое обеспечивает своевременное и качественное выполнение таких заявок.
Указанные необходимые условия эффективной деятельности зарядных станций могут быть удовлетворены лишь на основе современных научных методов оптимального проектирования производственных процессов на принципах ресурсосбережения и высокой производительности.
Соответственно, эта работа посвящена разработке таких научных методов.
Общей характерной чертой взаимосвязанного функционирования обслуживаемых ТТС и ЗС является наличие источников заявок или требований и исполнителей этих заявок. Следовательно, имеет место типичная система обслуживания, принципы организации работы которой зависят от характера потока заявок или требований.
С учетом возможного множества работающих независимо друг от друга обслуживаемых ТТС в различных природно-производственных условиях можно предположить, что поступающий от них поток заявок на выполнение зарядных работ будет случайным в вероятностном смысле. Соответственно и методы исследования взаимосвязанного функционирования обслуживаемых средств и зарядных станций также должны быть вероятностными.
Из приведенного краткого описания следует, что в соответствии с общими принципами исследования операций зарядные процессы являются типичными системами массового обслуживания. Основная задача при этом заключается в установлении эффективных соотношений между количеством поступающих за единицу времени заявок и производительностью или пропускной способностью соответствующей зарядной станции.
Сложность при этом заключается в том, что из-за случайного характера поступления заявок по времени возможны как образование очереди этих заявок с соответствующим ожиданием, так и простои оборудования зарядной станции из-за отсутствия заявок. Разрабатываемые научные методы должны обеспечить минимальные потери от этих простоев как для обслуживаемых, так и для обслуживающих средств.
Наиболее эффективными для решения подобных задач являются общие методы теории массового обслуживания (ТМО), что подтверждается и исследованиями применительно к производственным процессам.
Особенно эффективны методы ТМО при наличии в системе обслуживания случайного процесса, когда потоки событий, переводящие систему из одного состояния в другое, являются Пуассоновскими без последействия.
Указанные примеры практического применения методов ТМО к исследованию производственных процессов свидетельствуют о принципиальной возможности применения этих методов и в данном случае.
Наиболее эффективными для решения подобных задач являются современные методы оптимизации параметров и режимов работы техники, основанные на многокритериальном системном подходе. Соответственно, указанные методы оптимизации целесообразно использовать и при решении задач применительно к процессам зарядки.
Конкретное применение намеченных общих принципов решения оптимизационных задач повышения эффективности зарядных станций в соответствии со структурной схемой на рисунке 3, показано на рисунках 5Ч7.
Рисунок 5 - Результаты оптимизации числа обслуживаемых агрегатов при = 0,07 и Цm/Цn = 1,0 40 80 120 160 Nнopt, кВт 20 16 Рн 1114 Пнopt, ткм 12 168 1Пин = 40 кВт ч V = 10 м/с 1Q, т 0,5 0,4 0,3 0,2 0,Qн, т 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 60 120 180 240 3Lг, км Рисунок 6 - Номограмма для определения оптимальных параметров и скоростного режима транспортных средств Параметром, определяющим работу тягового электропривода и, соответственно, среднюю техническую скорость ТТС, является мощность, отдаваемая аккумуляторной батареей.
Рис Рисунок 7 - Зависимости C, Р0 и Кт от количества ТТС утч В соответствии с общей структурной схемой многоуровневого системного подхода, т. е. в определении оптимального взаимосвязанного количества зарядных станций nopt и транспортных средств mopt, необходимое количество транспортных средств в расчете на одну зарядную станцию представляется в виде:
Сутч Цтч C Р0 mКч min, (1) утч Цкч Цкч где Цтч потери от простоя транспортного средства; Цкч потери от простоя зарядной станции, К - коэффициент использования.
Цтч Соотношение между потерями от простоя транспортного средства и Цкч зарядной станции определяется в виде:
Цтч Цт 0,95. (2) Цкч Цк Плотность потока требований , исходящий от ТТС, целесообразно выразить также в функции среднего расстояния Lг от одной зарядной станции до другой ближайшей . (3) L г tв Vг 1 хг V хг Соотношение хг между скоростями движения ТТС с грузом Vг и без V г груза Vхг. Значение tв включает время остановок.
Для обеспечения бесперебойной работы зарядной станции, а также для компромиссных решений, целесообразно использовать минимум вероятности простоя:
P0 min (4) с учетом значения Р0.
На базе нормативных данных для получено . (5) 1,79L г 0,Vг Аналогичным образом для получено:
, (6) 1,25 0,5Qн П UxLx ин где x 1.
Значение Пин (кВт ч) соответствует производительности зарядной станции за 1 ч основного (чистого) времени.
Если известен объем аккумуляторной батареи п (м3) и плотность энергии в аккумуляторе п (кВт ч/м3), то следует принять 0,5Qн пп при п коэффициенте заряда аккумулятора п 0,90.
Соответственно получим. (7) 1,25 пп п П UxLx ин Предварительные расчеты показали, что соотношение , входящее в принятые критерии оптимальности (1 и 4), изменяется в основном в диапазоне / = 0,1Е1. Соответственно, для указанного диапазона и проводились оптимизационные расчеты.
Предварительно в зависимости от конкретных условий движения определяются значения из (5) и из (6) или (7), а также соотношение .
Затем с учетом изложенных выше соображений выбирается необходимое количество транспортных средств m.
Глава 3. Математическая модель определения остаточной емкости аккумуляторной батареи Расчетной схемой для определения параметров АБ является схема, представленная на рисунке 8.
Рисунок 8 - Расчетная схема для определения длительности фронта нарастания тока iM(t) (a) и форма токового сигнала (б) Графическая иллюстрация зависимости при различных интервалах наблюдения для аккумуляторных батарей 6ЭМ145 представлена на рисунке 9, при различных степенях заряженности АБ. Аналогичные зависимости для батареи 6ЭМ60 изображены на рисунке 10. Из графиков видно, что для каждого времени существует оптимальный интервал наблюдения, минимизирующий обусловленности, т. е. обеспечивающий максимальную точность идентификации. С увеличением степени разряженности выдаваемая длительная мощность резко падает, что снижает погрешности определения диагностических параметров разряженных батарей.
a T3 = 0,1 c б Рисунок 9 - Зависимость числа обусловленности матрицы наблюдений condмP для аккумуляторных батарей 6ЭМ145 при = 1 (a) и = 0 (б) от интервала наблюдений Т2 и времени теста Т1 (Т3 = 0,1 с) а б Рисунок 10 - Зависимость числа обусловленности матрицы наблюдений condмP для аккумуляторных батарей 6ЭМ60 при = 1 (a) и = 0 (б) от интервала наблюдений Т2 и времени теста Т1 (Т3 = 0,1 с) Как видно из рисунков 9 и 10 увеличение интервала наблюдений свыше 3Е4 с практически не уменьшает число обусловленности, при этом, если производить разряд токами (1,5Е2) от номинальной емкости за время 3Е4 с в нагрузку будет отдана емкость не более 0,15 % номинальной. Для разряженной батареи условия квазипостоянства емкости при контрольном разряде особенно важно. В каждом случае теста время может быть сокращено без существенной потери точности до 2Е2,5 с (рисунок 11).
Рисунок 11 - Зависимость оптимального времени наблюдения Т2onт от общего времени теста Т1 для аккумуляторных батарей 6ЭМ60 и 6ЭМ1Рисунок 12 - Зависимость минимального числа обусловленности матрицы наблюдений от времени наблюдения Т1 (Р) и после (Р) нормирования (аккумуляторная батарея 6ЭМ145, = 1) Графическая иллюстрация для батарей 6ЭМ60 и 6ЭМ145 представлена на рисунке 11 для степени разряда 1 и 0 при постоянном интервале интегрирования, равным 0,1 с. Следует отметить, что графики практически совпадают для обоих типов батарей, а в рабочем интервале до 4 с почти не зависят от степени разряженности.
В качестве примера, на рис. 12, для АБ 6ЭМ145 (полностью заряженной) показана зависимость от общего времени наблюдения чисел обусловленности (в логарифмическом масштабе), вычисленных по Е-нормам для оптимального интервала при обработке экспериментальных осциллограмм разряда батарей на активную нагрузку.
Как видно из графиков, проведенное нормирование столбцов значительно повысило устойчивость системы.
На рисунке 13 приведен результат расчета точности определения диагностических параметров аккумуляторных батарей 6ЭМ60 по зарегистрированной осциллограмме переходного процесса при общем времени теста 2 с и шаге дискретизации 0,01 с. Как видно из рисунка 14, оптимальное время интервала равно 0,1 с. При дальнейшем уменьшении до 0,08 с величина погрешности М растет, даже при уменьшении отдаваемой мощности за счет увеличения методических погрешностей численного интегрирования, на интервале наблюдения и соответствующего увеличения Р и Q.
T3 = 0,08 c Рисунок 13 - Результат расчета точности определения диагностических параметров АБ 6ЭМНа рисунке 14 представлена экспериментальная кривая переходного процесса uн(t) включения аккумуляторной батареи 6ЭМ60 (степень заряда 0,75) на активную нагрузку (кривая 1) и две теоретические кривые, рассчитанные по идентифицированным параметрам эквивалентных схем замещения: 2 Ч для рабочей схемы с двумя rc-контурами (rфcqc - rncn), 3 Ч для схемы с одним rc Ч контуром (rncn). Таким образом, выбранная рабочая схема замещения практически точно соответствует реальным процессам, происходящим в электротехнической системе АБ при малых изменениях разрядного тока за время теста (разряд на постоянную активную нагрузку).
Рисунок 14 - Экспериментальная кривая переходного процесса uн(t) включения АБ 6ЭМ60 ( = 0,75) Был также проведен анализ устойчивости модели к округлению входных данных (имитация использования датчиков напряжения и интерфейса различной точности), которые вводились с четырьмя, тремя, двумя и одной значащей цифрой после запятой. При стационарном значении uн() ~ 1 В. Это примерно соответствует точности исходных данных соответственно 0,01 %, 0,%, 1 %, 10 %. Диагностические параметры М1, М2, М3 имеют разные чувствительности Мi к изменению точности u входного массива U(N) (рисунок 15). Наименее чувствителен параметр М2, наиболее - М1.
На рисунке 16 представлены графики зависимостей чувствительности структурных параметров от u.
Известно, что для получения адекватных оценок определения косвенных параметров при проведении обучающих экспериментов и на стадии диагностирования, измерения должны производиться одними и теми же методами, поэтому обработка экспериментальных осциллограмм производилась по рабочим программам идентификации.
Испытаниям подверглись аккумуляторные батареи 6ЭМ145, имеющие различные сроки службы и значения максимальных разрядных емкостей Qmax.
В процессе испытаний снимались значения Qmax и производился тест при пяти значениях : 1,0; 0,75; 0,5; 0,25 и 0. Активная нагрузка, нагрев которой контролировался, соответствовала установившемуся значению iн 1,5Qном (около 220 А). Это условие, а также длительная выдержка (несколько часов) исследуемых батарей после окончания заряда и разряда на контрольном стенде (для снятия остаточной поляризации) позволили применить для идентификации математическую модель.
Рисунок 15 - Чувствительность диагностических параметров к изменению точности входного массива напряжения u (АБ 6ЭМ145, = 0) Рисунок 16 - Чувствительность структурных параметров j (параметров схемы замещения) к изменению точности входного массива напряжения u (АБ 6ЭМ145, = 0) Поскольку в настоящем эксперименте обработка массивов производилась на ПК, то был разработан простой программный способ компенсации индуктивного выброса. Рассматриваемая диагностическая задача может быть решена с помощью ПК. Для согласования с ней непрерывных сигналов iu(t) и u(t) могут быть использованы аналого-цифровые преобразователи.
На рисунках 18 и 19 представлены варианты создания соответствующих систем контроля и управления процессом заряда/разряда АБ.
Рисунок 18 - Схема метода переноса заряда c индивидуальным летящим конденсатором на каждую пару ячеек Рисунок 19 - Схема метода коммутируемого трансформатора Глава 4. Генерация тепловой и электрической энергии за счет возобновляемых источников Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах. Они позволяют получить тепловую энергию, которая в первую очередь используется для приготовления горячей воды, что особенно актуально в летний период года, когда наблюдается максимальная солнечная активность и максимальное потребление горячей воды.
Более сложными являются устройства с вакуумными солнечными коллекторами. В солнечные летние дни разница в работе хороших плоских и вакуумных солнечных коллекторов практически незаметна. Однако при низкой температуре окружающей среды преимущества вакуумных коллекторов становятся очевидны. Так, даже в летнее время есть разница между максимальными температурами нагрева воды в коллекторах. Если для плоских коллекторов максимальная температура не превышает 80Е90 С, то в вакуумных коллекторах температура теплоносителя может превышать 100 С.
Обычно системы с плоскими коллекторами используют сезонно: с весны по осень. В зимнее время производительность систем с плоскими солнечными коллекторами падает за счет теплопотерь в окружающую среду. В круглогодичных солнечных водонагревательных установках обычно используются вакуумные солнечные коллекторы, хотя возможно использование и плоских коллекторов с хорошей теплоизоляцией. В любом случае необходимо уделять пристальное внимание теплоизоляции труб, идущих к коллектору и от него. Принцип работы генератора электрической (рисунок 20) и тепловой энергии следующий.
Передача электроэнергии в централизованную сеть 5 Обеспечение электроэнергией 6 Постоянный ток (DC) Переменный ток (АC) Рисунок 20 - Типовая энергетическая система с ВИЭ: 1 Ч фотоэлектрический модуль; 2 Ч контроллер заряда; 3 Ч система аккумуляторов;
4 Ч блок бесперебойного питания; 5 Ч счетчик электроэнергии;
6 Ч электрический щиток; 7 Ч резервный электрический щиток Солнечная водонагревательная установка состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией солнца и отдает тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя через модули Пельтье или термоэлектрический генератор. Он представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двумя плоскими керамическими пластинами на основе оксида или нитрида алюминия.
Количество термопар может изменяться в широких пределах Ч от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности Ч от десятых долей до сотен ватт.
При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур: одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональна величине тока. Полученная электрическая энергия накапливается в батарее суперконденсаторов.
Глава 5. Экспериментальные исследования Экспериментальные исследования по определению эффективности данной установки проводились на кафедре Автомобильный транспорт ФГБОУ ВПО МГАУ. Экспериментальная установка представлена на рисунке 21.
Рисунок 21 - Экспериментальная установка по генерации электрической и тепловой энергией Экспериментальные исследования проводились с использованием аккумуляторных батарей, типа 6ЭМ60 и 6ЭМ145. Схема подключения устройств представлена на рисунке 22.
Рисунок 22 - Схема подключения АБ и других устройств Регистрация переходных процессов тока и напряжения производилась с помощью осциллографов. Пример осциллограммы разряда батареи 6ЭМ 1при включении на активную нагрузку, показан на рисунке 23.
В качестве нагрузки использовались низкоомные проволочные фехралевые резисторы, обладающие большой мощностью теплового рассеивания и малым температурным коэффициентом сопротивления. Увеличение сопротивления при токе 250 А за время 2 с составило не более 0,7 % (рисунок 24).
Сумма квадратов отклонений всех точек исходного массива от теоретического переходного процесса зависит от выбора интервалов наблюдения объекта и для исследуемых батарей имеет минимум при Т1 = 0,2с и Т2 = 2с (рисунок 25).
Рисунок 23 - Осциллограмма включения аккумуляторной батареи 6ЭМ 1на активную нагрузку Рисунок 24 - Увеличение сопротивления нагрузки в процессе тестового разряда аккумулятора Рисунок 25 - Зависимость точности идентификации параметров j от выбора интервалов наблюдения в эксперименте В результате анализа экспериментального материала сделаны следующие выводы:
1. Диагностический параметр М монотонно уменьшается в процессе разряда батареи (рисунок 26).
2. Активное сопротивление тяговых аккумуляторных батарей неоднозначно зависит от степени разряженности, что подтверждает теоретические и экспериментальные исследования аккумуляторов (рисунок 27).
Рисунок 26 - Изменение параметров М2 в процессе разряда аккумуляторных батарей ? ?? ?????? ?? ??? ???? ??? ?????? ??? ? ?? ??? ????????? Рисунок 27 - Изменение активного сопротивления аккумуляторной батареи в процессе разряда 3. Наиболее чувствительным параметром, изменяющимся при изменении емкости как в процессе разряда (рисунок 28), так и при уменьшении ее максимального значения в течение срока службы (рисунок 29), является емкость концентрированной поляризации Сn.
Рисунок 28 - Изменение структурного параметра Сn в процессе разряда аккумуляторной батареи Рисунок 29 - Влияние уменьшения емкости аккумуляторной батареи Qmax на параметр Сn Глава 6. Экономическая эффективность В качестве основного показателя экономической эффективности рекомендуется определить экономию приведенных затрат по формуле , (8) где ЭП - годовой экономический эффект, р.; Сб, Сн - себестоимость единицы работы по базовому и новому вариантам, р./км; Кб, Кн - удельные капитальные вложения в базовом и новом вариантах, р./км; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Ан - объем применения результатов научно-исследовательской работы, км.
Как известно, себестоимость работ или прямые эксплуатационные затраты Сб, Сн определяются в данном случае по обобщенной зависимости C , (9) где З - затраты на оплату труда водителя и другого обслуживающего персонала, р./км; Г - затраты на электроэнергию, руб./км; А - затраты на реновацию, р./км; Р - затраты на техническое обслуживание, капитальный и текущий ремонт, р./км.
Капитальные вложения Кб и Кн рассчитываются по известной обобщенной формуле , (10) W где Б - балансовая цена машины, р.; W - часовая производительность зарядной станции, кВт ч; ТГ - годовая загрузка зарядной станции, ч.
При необходимости по формулам (8, 9, 10) можно рассчитать экономию приведенных затрат от практического применения полученных выше результатов оптимизации заряда ТТС.
Указанные результаты сводятся к выбору количественных соотношений между ТТС и зарядными станциями в зависимости от условий работы. Эти результаты оптимизации в общем случае отражаются на численных значениях всех слагаемых приведенных затрат, входящих в (8) и (9).
Однако определение указанного влияния на слагаемые затрат практически невозможно, поэтому последующий расчет экономической эффективности производится приближенным способом с использованием имеющихся опытных и производственных данных.
Экономический эффект от оптимизации состава ТТС и зарядных станций сводится в соответствии с критерием минимизации суммы затрат от простоев во взаимном ожидании как ТТС, так и зарядных станций. Как видно из приведенных выше данных, коэффициенты простоя ТТС Кm и зарядных станций Кn и соответствующие потери времени смены во взаимном ожидании зависят от множества параметров и условий их использования: типа и емкости аккумуляторной батареи, мощности зарядного устройства; скорости движения и массы ТТС, расстояния между зарядными станциями и т. д.
В связи с этим упрощенный расчет экономической эффективности возможен лишь по усредненным показателям.
Будем исходить из предположения, что оптимизация количественных соотношений между ТТС и зарядными станциями позволяет реализовать потенциально возможное уменьшение потерь времени смены во взаимном ожидании ТТС и зарядных станций. Из-за несвоевременной зарядки производительность ТТС снижается на 20Е25 %. Примерно на такую же величину увеличиваются и потери времени смены Тсм, что составляет для 7 ч 1, 4...1,75 ч.
Для последующих расчетов возьмем в среднем 1,5 ч.
Практическое применение результатов оптимизации позволяет исключить эти простои, и соответствующая экономия в рублях ЭТ за смену определяется из равенства , (11) где Цкт - стоимость одного часа простоя ТТС, р./км.
Величина Тсм 1,5 ч соответствует повышению производительности примерно на 21 %. С учетом инфляции численное значение составляет для электробуса НЕФАЗ примерно 4000 р./ч (для 2010 года). Тогда для электробуса НЕФАЗ по (11) получим за смену Эт = 1,5400 = 600 р.
При протяженности маршрута 6Е10 км и пассажировместимости 150Е180 человек сменная производительность электробуса НЕФАЗ Wсм составляет 706 р./км. Соответствующая экономия затрат ЭTW с учетом ЭТ составит 6W1 8,5 р./км (электробус НЕФАЗ). (12) W 70,Если приближенно величину ЭТW принять пропорциональной пропускной способности электробуса qн, то для других исследуемых электробусов соответственно получим Лиаз W2 16,5 р./км Волжанин W3 18,9 р./км ПАЗ W4 10,6 р./км В среднем для всех четырех марок электробусов экономия затрат от оптимизации составит W W1+TW2+TW3+TW4 (13) 8,5 16,5 18,9 10,6 13,6 ./ Дополнительная экономия приведенных затрат имеет место также от уменьшения простоя зарядных станций.
Для приближенного расчета указанной экономии возьмем усредненный электробус НЕФАЗ и усредненную зарядную станцию. Такой подход оправдан результатами предыдущего расчета, где средняя экономия затрат для всех четырех марок электробусов незначительно отличается от затрат для электробуса НЕФАЗ.
По полученным данным, возможное уменьшение времени простоя одной зарядной станции в ожидании за смену составляет примерно 1,4 ч. Средняя стоимость одного часа простоя зарядной станции с учетом инфляции составляет 64 р./ч (для 2010 года). Соответственно, экономия от уменьшения потерь времени для одной зарядной станции за смену составит 1,4 64 89,6 р.
При средних значениях расхода энергии электробусом Q 50 кВт ч/км энергоемкости аккумуляторной батареи электробуса к 300 кВт ч и времени зарядки электробуса tз 0,25 ч, по данным главы 2, на один электробус в УТК приходится в среднем 0,2 зарядной станции. Соответственно, экономия затрат от уменьшения простоя зарядной станции в расчете на 100 км пробега определится 89,60, 2 17, 0, 25 р./км (14) W W 70,При уменьшении потерь времени смены на 1,4 ч повышение производительности зарядных станций составит примерно 20 %.
На основании (13), (14) суммарная экономия приведенных затрат за счет оптимизации технического обслуживания электробусов в расчете на 100 км составит 1=W +TW 13,6 0, 25 13,85 р./100 км. (15) С учетом протяженности всех дорог Российской Федерации, по данным 2010 года, F 43745 тыс. км экономия приведенных затрат в соответствии с (8) составит 13,85 43,7 106 605, 2106 р.
Повышение производительности ТТС и зарядных станций при этом составит в среднем 20 %.
Полученные данные свидетельствуют о высокой экономической эффективности практического применения результатов выполненных исследований.
Результаты данного исследования, а также результаты ряда других исследований имеют и важное методическое значение в плане последующего широкого применения групповых и других передовых методов использования техники на маршрутах.
Общие выводы 1. Разработанная методика определения оптимального количества зарядных станций доказала, что число транспортных средств при коэффициенте использования времени смены, равным 0,07, обеспечивает оптимальный режим работы при минимуме суммы потерь от взаимного ожидания средств Cmn min 0,80068. Оптимальное число зарядных станций будет равно mopt = 5;
mOopt = 0,101; вероятность простоя зарядной станции POopt = 0,6795.
2. Установлено, что поиск неисправностей в аккумуляторах необходимо производить при их максимальной разряженности, что обеспечивает максимум параметров rо, rn, rф.
3. Получено, что для оценки степени разряженности аккумуляторной батареи средний ток разряда iср должен быть по возможности минимальным, а сопротивление rн, соответственно максимальным.
4. Установлено, что величина тока предварительного разряда iо должна быть минимальной. Идеальным является режим диагностирования без проведения такого разряда, т. е. после длительной выдержки аккумуляторных батарей.
5. Определено, что для обеспечения полного заряда аккумуляторной батареи требуется установка системы выравнивания напряжения. Наиболее эффективной системой выравнивания является активная система с индуктивным накопителем.
6. Получено, что наиболее эффективным вариантом повышения надежности автобусов является наличие трех условных резервных узлов nэ при двух ремонтных работах cэ 2 в расчете на один автобус.
Вероятность безотказной работы при этом составляет: Рботк 0,992 при дефиците запасных узлов, возможен также вариант решения при n 2 и c 2, когда Рботк 0,973.
7. Оптимальному режиму работы ТТС соответствуют минимальные приведенные затраты Cn min 0,844 р./ткм и производительность Wc 35,ткм/ч.
Компромиссное значение производительности составит Wк 39,50 ткм/ч.
Прирост производительности при этом составит 11,7 %.
8. Получено, что при уменьшении потерь времени смены на 1,4 ч повышение производительности зарядных станций составит примерно 20 %.
9. Установлено, что повышение производительности ТТС и зарядных станций при использовании методов оптимизации составит в среднем 20 %.
10. Получено, что экономическая эффективность использования электробусов по сравнению с автобусами на дизельном топливе составляет 10 %.
Список опубликованных работ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Асадов, Д. Г. Области применения UltraCaps EPCOS Текст / Д. Г. Асадов, В. С. Иволгин, Р. В. Паскаленко // Международный техникоэкономический журнал. - 2007. - № 4. - С. 68Ц72.
2. Асадов, Д. Г. Назначение и анализ работы буферного накопителя электрической энергии в комбинированных энергетических установках гибридных транспортных средств Текст / Д. Г. Асадов, В. С. Иволгин, С. Н. Шаповал, А. О. Шаповал // Международный научный журнал. - 2008. - № 1. - С. 11Ц13.
3. Асадов, Д. Г. Комбинированные энергоустановки с импульсным конденсатором энергоемкости основа эффективного использования топливноэнергетических ресурсов XXI века Текст / Д. Г. Асадов, О. Н. Дидманидзе, С. А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. - 2008. - № 1.
- С. 63Ц70.
4. Асадов, Д. Г. Использование UltraCap для повышения надежности и эффективности электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания Текст / Д. Г. Асадов, Р. В. Паскаленко // Международный техникоэкономический журнал. - 2008. - № 1. - С. 76Ц86.
5. Асадов, Д. Г. Перспективные источники энергии для зарядки аккумуляторных батарей электромобилей (инфраструктура) Текст / Д. Г. Асадов // Международный технико-экономический журнал. - 2009. - № 5.
- С. 34Ц40.
6. Асадов, Д. Г. Использование термоэлектрогенераторов в системе зарядки аккумуляторных батарей Текст / Д. Г. Асадов // Международный научный журнал. - 2011. - № 1. - С. 110Ц113.
7. Асадов, Д. Г. Диагностирование и определение остаточной емкости аккумуляторной батареи электромобиля Текст / Д. Г. Асадов, А. В. Строганов, А. В. Фетисов // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 1. - С. 122Ц127.
8. Асадов, Д. Г. Анализ рынка и тенденции развития литий-ионных аккумуляторов и электромобилей Текст / Д. Г. Асадов, С. А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 1. - С. 119Ц122.
9. Асадов, Д. Г. Исследование рынка аккумуляторных батарей для гибридных автомобилей Текст / Д. Г. Асадов // Международный техникоэкономический журнал. - 2011. - № 2. - С. 124Ц127.
10. Асадов, Д. Г. Исследование типов аккумуляторов, используемых в электромобилях Текст / Д. Г. Асадов // Международный техникоэкономический журнал. - 2011. - № 2. - С. 121Ц124.
11. Асадов, Д. Г. Типы используемых аккумуляторов для современных электромобилей Текст / Д. Г. Асадов // Международный научный журнал. - 2011. - № 2. - С. 115Ц118.
12. Асадов, Д. Г. Анализ современных типов гибридных энергоустановок Текст / Д. Г. Асадов, О. Н. Дидманидзе // Международный научный журнал. - 2011. - № 2. - С. 113Ц115.
13. Асадов, Д. Г. ВИЭ генерируют электричество и тепло Текст / Д. Г. Асадов // Сельский механизатор. - 2011. - № 1. - С. 32Ц33.
14. Асадов, Д. Г. Обоснование оптимального количества зарядных станций электромобилей Текст / Д. Г. Асадов // Международный техникоэкономический журнал. - 2011. - № 5. С. 131Ц135.
15. Асадов, Д. Г. Аккумуляторные батареи для электромобилей и гибридных автомобилей Текст / Д. Г. Асадов // Международный техникоэкономический журнал. - 2011. - № 5. С. 128Ц130.
16. Асадов, Д. Г. Исследование состояния и перспективы развития инфраструктуры электромобилей Текст / Д. Г. Асадов // Международный технико-экономический журнал. - 2011. - № 5. - С. 132Ц135.
17. Асадов, Д. Г. Характеристика составляющих инфраструктуры электротранспорта Текст / Д. Г. Асадов // Международный техникоэкономический журнал. - 2011. - № 5. - С. 136Ц138.
Патенты на изобретения 18. Пат. 047715 Российская Федерация, МПК B 60 L11/00. Способ организации заряда легких транспортных средств с электротягой [Текст] / Григорьев И. Г., Легеза Г. В., Асадов Д. Г. № 2008137177/20; заявл.
17.09.2008 ; опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9. - 1 с.
Методические рекомендации 19. Асадов, Д. Г. Техническая эксплуатация автомобиля [Текст] / Дидманидзе О. Н., Асадов Д. Г., Егоров Р. Н., Пуляев Н. Н., Иволгин В. С. Методические рекомендации по выполнению курсового проекта. 2-е изд. - М. : ФГОУ ВПО МГАУ, 2003. - 46 с.
20. Асадов, Д. Г. Диагностика и техническое обслуживание систем автомобилей [Текст] / Дидманидзе О. Н., Асадов Д. Г., Андреев О. П., Виноградов О. В., Егоров Р. Н.. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ. Часть 3. - М. : Издательство УМ - ТРИАДА, 2004. - с.
21. Асадов, Д. Г. Диагностика и техническое обслуживание систем автомобилей [Текст] / Дидманидзе О. Н., Асадов Д. Г., Андреев О. П., Митягин Г. Е., Егоров Р. Н., Иволгин В. С.. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ. Часть 4. - М. : Издательство УМ - ТРИАДА, 2006. - 66 с.
Публикации в других изданиях 22. Асадов, Д. Г. Использование суперконденсаторов в системах электрооборудования тягово-транспортных средств [Текст] / Асадов Д. Г., Дидманидзе О. Н., Иванов С. А., Смирнов Г. Н. - М. : Издательство УМ - ТРИАДА, 2005. - 160 с.
23. Асадов, Д. Г. Повышение надежности и эффективности электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании ULTRACAP [Текст] / Асадов Д. Г., Дидманидзе О. Н., Иванов С. А., Смирнов Г. Н. // Объединенный научный журнал. - 2005. - № 1. - С. 42Ц48.
24. Асадов, Д. Г. Системы диагностирования автомобилей [Текст] / Асадов Д. Г., Дидманидзе О. Н., Иванов С. А., Мельник В. Г. // Объединенный научный журнал. - 2005. - № 1. - С. 58Ц66.
25. Асадов, Д. Г. Программа преддипломной практики для студентов специальности 150200 Автомобили и автомобильное хозяйство [Текст] / Дидманидзе О. Н., Асадов Д. Г., Рыбаков К. В., Андреев О. П., Иволгин В. С. - М. : ФГОУ ВПО МГАУ, 2001. - 16 с.
26. Асадов, Д. Г. Руководство по диагностике, техническому обслуживанию и ремонту комбинированной энергоустановки гибридного автомобиля TOYOTA PRIUS NHW 20 [Текст] / Дидманидзе, О. Н., Асадов Д. Г., Иванов С. А., Чупеев Я. В. - М. : Издательство УМ - ТРИАДА, 2006. - 360 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям