Почему применение суперконденсаторов актуально в системах рекуперации

Почему применение суперконденсаторов актуально в системах рекуперации

Аверин Андрей Игоревич
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева
Студент 5 курса факультета электронной техники специальности автоматизированные системы обработки информации и управления

Аннотация
Данная статья посвящена проблеме применения суперконденсаторов в производстве лифтов, а конкретно в блоках рекуперации электроэнергии. На сегодняшний день значительная часть лифтов в России устарели и малоэффективны. Передовые разработки в виде суперконденсаторов позволяют вывести лифтовую промышленность на новый уровень, делая лифты не только более комфортными, но также позволяя экономить электроэнергию, что актуально в современных условиях конечности ресурсов.

SUPERCAPACITORS AND THEIR USE IN ENERGY RECOVERY UNITS IN THE PRODUCTION OF MODERN LIFTS

Averin Andrey Igorevitch
Mordovia State University N. P. Ogareva
5th year students of the Faculty of Electronic Engineering specialty automated information processing and control system

Abstract
This article is devoted to the use of ultracapacitors in the production of elevators and particularly in the recovery unit of electricity. Today, a significant portion of elevators in Russia is outdated and ineffective. The advanced development of ultracapacitors allow the lift to bring industry to a new level, making the elevators are not only more comfortable but also allow to save energy, which is important in the present conditions finite resources.

Библиографическая ссылка на статью:
Аверин А.И. Суперконденсаторы и их применение в блоках рекуперации энергии в производстве современных лифтов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 6. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/06/54602 (дата обращения: 28.01.2024).

1. Значение и экономическое обоснование суперконденсаторов

Развитие международной экономической науки и повышение качества жизни прямо пропорционально связано с увеличением потребляемой энергии. Если сопоставить эти зависимости в разрезе времени, то невооруженным взглядом можно заметить, что на единицу прироста ВВП и показателя уровни жизни приходится всё большее количество потребляемой энергии. Что в свою очередь ставит вопрос о поисках энергосберегающих технологии, разработке новых источников энергии и их разумном использовании, так как запасы энергоресурсов конечны, а их стоимость довольно высока.

Одним из способов обеспечения прироста энергоресурсов является переработка потребленной электроэнергии. В самом деле, энергоресурсы, которые могут быть получены в процессе утилизации можно рассчитать по формуле:

где Eутил — энергия, получаемая при утилизации;

Eпотр -потребляемая энергия;

Хотя научно-технический прогресс не стоит на месте, но на сегодняшний день ещё не найден надежный, а главное экономически обоснованный метод утилизации тепловой энергии, зато существует уникальная инженерная разработка для превращения кинетической энергии движущихся тел в режиме торможения. И название такого решения – суперконденсатор.

Суперконденсатор – это устройство, которое занимает промежуточное место между аккумуляторами, способными запасать высокую электрическую энергию, и диэлектрическими конденсаторами, способными отдавать высокую мощность в течение нескольких миллисекунд. Он способен в течении десятых долей секунд подхватить тормозную энергию движущегося объекта с массой от электрокарта до многотонного железнодорожного состава [2].

В следствии чего, суперконденсатор является единственным техническим решением, которое дает возможность рекуперировать энергию торможения движущегося тела и утилизировать до 25% потребленной энергии [6].

2. Отличительные особенности

Суперконденсаторы (ионисторы) представляют собой сверхвысокоемкие конденсаторы с двойным электрическим слоем. Обычный конденсатор имеет большую мощность, но довольно таки слабую способность к накоплению энергии [3]. А ионистор, отличается уникальностью характеристик, позволяющих совмещать достаточно высокую мощность и значительную энергию.

Главным его достоинством является способность в считаные доли секунд, приобретает и отдает заряд, выдерживая огромное количество циклов заряда-разряда без потери рабочих свойств [4].

Всем известные химические источники тока, например, свинцово-цинковые, заряжаются тогда, когда внутри них происходит химическая реакция. Они отдают запасенную энергию, или разряжаются, в результате химической реакции, протекающей в обратном направлении [5]. В суперконденсаторе же какие-либо химические реакции полностью отсутствуют. Накопление энергии происходит в результате концентрации электронов на поверхности электродов. Вследствие чего энергия освобождается в течение интервала времени от миллисекунд до минут, в зависимости от емкости суперконденсатора.

Огромным преимуществом суперконденсаторов по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами является гораздо более высокие значения плотности запасаемой энергии в расчете на единицу объема. Энергия, которую может вписать конденсатор, напрямую зависит от его емкости. Если емкость, а значит, способность запасать энергию, обычного электролитического конденсатора несколько микрофарад, то суперконденсатор такого же размера обладает емкостью в несколько фарад, а емкость больших ионисторов достигает 5000 Фарад. Такие высокие показатели, получены благодаря конструкции электродов, которые, изготавливаются из пористого активированного угля, что позволяет получить поверхность электродов в десятки и сотни раз больше, чем у обычных конденсаторов [1].

— Суперконденсаторы пожаро- и взрывобезопасны;

— обладают высокой механической прочностью;

— устойчивы к кратковременным воздействиям высоких перенапряжений и токам короткого замыкания;

— отсутствие обслуживания в процессе эксплуатации, высокая надежность, большой срок службы;

— диапазон рабочих температур -45°C …+50°C.

Суперконденсаторы не содержат токсических веществ, их строение достаточно просто, эксплуатируемые материалы приемлемые по цене, используемые технологии высокопроизводительны. Это позволяет серийно производить новые суперконденсаторы по относительно не дорогой стоимости.

3. Применение суперконденсаторов

Варианты применения ионисторов поражают своими неожиданными решениями. В радио и микроэлектронике они используются как кратковременные и комбинированные источники тока: в вычислительной, звуковой и видеотехнике, мобильных телефонах, в аппаратуре проводной связи, в медицинских и бытовых электроприборах, в часах, электронных играх, в ксеноновых вспышках фотоаппаратов [7]. Широкое распространение они получили в компьютерах, где используются, в качестве источников питания для модулей памяти. Характеристики суперконденсаторов делают их незаменимыми устройствами в качестве накопителей энергии, например, в качестве источников бесперебойного питания, звеньев силовых импульсных устройств и в иных приборах, где возникает потребность быстродействующего источника энергии.

Ионисторы используются для замены батарей в многочисленных областях. Миниатюрные модели устанавливаются в мобильные телефоны, мощные суперконденсаторы применяются в автомобилях с электрическими или гибридными двигателями. Несмотря на пока еще более низкую плотность запасаемой энергии по сравнению с химическими источниками тока, преимущество их неоспоримо. Например, химические батареи имеют весьма ограниченное число циклов заряда-разряда, требуют много времени для заряда и разряда, химическая реакция, протекающая в процессе циклов заряда-заряда, идет с непостоянной скоростью и проходит с выделением тепла. Вышедшие из строя химические батареи представляют угрозу для окружающей среды. Суперконденсторы уже вытеснили или вытеснят в ближайшее время аккумуляторы, применяемые в системах запуска больших дизельных генераторов, танковых двигателей, двигателей локомотивов и даже подводных лодок.

4. Применение суперконденсаторов в лифтах

Широкое применение суперконденсаторы получили в лифтах. А конкретно в блоках рекуперации энергии. Применение блока рекуперации энергии для безредукторного привода лифта, позволяет высвобождать дополнительную энергию во время движения загруженной кабины вниз или пустой кабины вверх, а также во время торможения кабины лифта. Безредукторный привод в такие моменты работает в генераторном режиме, преобразует кинетическую энергию движения кабины в электрический ток, который запасает суперконденсатор и возвращает её обратно в сеть, для использования в других целях. Тем самым происходит экономия энергии до 20% [8].

Количество экономии энергии зависит от разных факторов, таких как: загрузка кабины, скорость, высота подъема. Энергетическая эффективность пассажирского лифта приведена на рисунке 1.

Рисунок. 1 — Энергетическая эффективность пассажирского лифта

Данный график отражает экономию энергии для лифта грузоподъёмностью 1000 кг. Красный цвет отражает энергопотребление при использовании обычной двух скоростной редукторной лебедки. Зеленым цветом выделено потребление электроэнергии безредукторным приводом с частотным преобразователем, что значительно сокращает потребление энергии. Максимальная же экономия электроэнергии достигается за счет установки блока рекуперации, в основе которого лежат суперконденсаторы, показана голубым цветом.

5.Типовая схема блока рекуперации

Блок рекуперации энергии независимо от кинематических особенностей схем построения электроустановок включает в свой состав батарею суперконденсаторов, устройство их разряда и заряда, преобразователя постоянного тока в переменный и его выпрямителя, а также системы контроля, диагностики и управления. Структура системы накопления энергии представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Структура системы накопления энергии с применением суперконденсаторов

В режиме трогания кабины лифта с места и последующего разгона в качестве резервуара для накопления электроэнергии выступает батарея суперконенсаторов. Она обеспечивает равномерное движение кабины и рекуперацию кинетической энергии движения в электрическую при её торможении.

AC-DC выпрямитель переменного тока, а также DC-AC преобразователь постоянного тока в переменный обеспечивают рабочий режим функционирования батареи суперконденсаторов среди агрегатов, работающих на переменном токе. Эти устройства обладают особенностью работы в широком диапазоне напряжений и частот используемого переменного тока.

Устройство заряда обеспечивает накопление энергии в батарее суперконденсаторов. Это происходит в момент непрерывно понижающегося напряжения источника заряда, что характерно для осуществления рекуперации энергии в режиме торможения.

В качестве устройства для оптимизации процесса отдачи электроэнергии при разряде выступает устройство разряда.

Система управления диагностики и обеспечения контроля, служит для функционирования системы накопления энергии в автоматическом режиме опираясь на оперативный анализ информации о текущих значениях параметров устройств системы аккумуляции энергии следствием создания управляющих воздействий по определенным заданным алгоритмам.

Выводы

Делая выводы можно сказать о том, что суперконденсаторы в наше время являются особо перспективным инженерным решением, которое применимо в различных отраслях науки, промышленности и техники. Благодаря совершенствованию нано технологий, в ближайшее будущее суперконденсаторы значительно увеличат объём запасаемой ими энергии при уменьшении своей стоимости, тем самым спектр их применения возрастет в разы.

1. Von Helmholt H. Studien uber elektrische Grenzshichten.— Ann. der Physik und Chernie, 1879, Bd VII, № 7
2. Lewandowski A., Galinski M. Practical and theoretical limits for electrochemical double-layer capacitor // Journal of Power Sources. 2007. 173. P. 822–828
3. Иванов А.М., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество, №8, 1991г., с. 16 -19.
4. Kotz R., Carlen M. Principles and applications of electrochemical capacitors, Electrochimica Acta. 2000. 45. P. 2483-2498.
5. K. Denshchikov, Stacked Supercapacitor Technology – New Perspectives & Chances, Supercaps Europe – European Meeting on Supercapacitors: Development and Implementation in Energy and Transportation Techniques,Berlin,Germany, Nov.2005.
6. Denshchikov K.K., Zhuk A.Z., Izmaylova M.Y, Gerasimov A.F., New Generation of Stacked Supercapacitors, First International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors, Universite de Nantes, France, June 30 th – July 2 nd 2009.
7. K.Denshchkov, A.Zhuk, M. Izmaylova, Specific features of energy storage of supercapacitors with ionic liquid electrolyte, COST Action 542 High Performance Energy Storages for Mobile and Stationary Applications, INRETS, Paris, France, June 5 -7, 2008.
8. Богницкий И.Я., Герасимов А.Ф., Ефимов С.Е., Иванов А.М., Фомин А.В., Чижевский С.В., Патент Ru №2041518, Конденсатор с двойным электрическим слоем, Бюллетень изобретений Комитета РФ по патентам и товарным знакам, 1995, #22.

© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Суперконденсаторы на трамваях. В Петербурге думают, в Москве используют, в регионах не знают

В Петербурге закончили испытания трамвая с разработанной в России системой рекуперации электроэнергии. Она собирает энергию при торможении трамвая и отдаёт её при ускорении. Но ставить суперконденсаторы на петербургские вагоны пока не будут. В Москве подобные разработки уже применяют.

Трамвай тормозит — это выгодно

«Система рекуперации способна собрать более 40% энергии, которую трамвай потратил на движение. Это очень много. Это подтверждено испытаниями и отражено в протоколах. Мы гоняли этот трамвай по обычному петербургскому маршруту со всеми светофорами, остановками, ночью и днём. От энергии тяги на пике мы собирали 47%. Но мы говорим — 40%, чтобы точно не ошибиться», — рассказал MASHNEWS председатель совета директоров компании «ТЭЭМП» Михаил Лифшиц (он также совладелец Уральского турбинного завода и компании «РОТЕК»).

Система рекуперации энергии построена на том, что при отсутствии напряжения вращающийся ротор электродвигателя начинает вырабатывать электроэнергию и превращается в генератор.

«Сбор этой энергии в накопителе для последующего использования в ускорении и есть рекуперация. Чем чаще транспортное средство перестаёт ускоряться, тем больше электроэнергии оно вырабатывает. Именно поэтому мы начали свою работу с трамваев. В городском цикле, с остановками и светофорами, время ускорения примерно такое же, как время движения по инерции и остановки. Поэтому городской цикл наиболее эффективен для применения подобных решений», — говорит Михаил Лифшиц.

Для накопления электроэнергии нужен суперконденсатор. Он отличается от обычного гораздо большей ёмкостью, способен быстро накапливать энергию, которую вырабатывает двигатель после снятия напряжения.

Систему рекуперации производят на заводе «ТЭЭМП» в Химках. Технология производства ячейки и модуля накопителя — российская. Но определённая зависимость от импортных материалов — таких как фольга и пластик — существует.

Сколько что стоит

В механическую часть трамвая конструкторы никаких изменений не вносят. Систему рекуперации устанавливают на крыше, на месте блока резисторов.

При средней стоимости нового трамвая в 100 млн рублей, система обойдётся заказчику примерно в 2,5 млн рублей. Окупаемость зависит от интенсивности движения и составляет от 3,5 до 5 лет. При тридцатилетнем сроке службы транспортного средства достигается значимый эффект, который не требует никаких субсидий и прочих финансовых инструментов, используемых в других направлениях возобновляемой энергетики.

Помимо экономии электроэнергии, использование накопителей позволяет увеличить плотность движения трамваев.

«Трамваи стали мощными, большими, тяжёлыми, и в момент, когда он трогается с места, пиковая нагрузка на сеть достаточно большая. При торможении возникает такой же »паразитный« ток. То, что мы его собираем и отдаём обратно на ускорение, снимает пиковые нагрузки на сеть при старте. Без накопителя этот удар достигает 600А. При использовании накопителя мы ограничиваем токовую нагрузку 200–250А. Это означает, что мы можем увеличить количество вагонов, которые могут одновременно трогаться на одном участке контактной сети, и уменьшить дистанцию между вагонами, а это напрямую влияет на пропускную способность транспортной системы», — объясняет Михаил Лифшиц.

Ещё год испытаний

В петербургском ГУП «Горэлектротранс» MASHNEWS подтвердили, что в качестве одного из направлений своей научно-технической деятельности предприятие проводит испытания систем накопления электроэнергии.

«Предварительно получены положительные выводы по результатам первых этапов испытаний, в том числе по стабилизации напряжения в контактной сети. При более детальном изучении темы рассматривается вариант включения систем накопления электроэнергии в будущие техзадания на новый подвижной состав», — пояснили в компании.

Затраты на оплату электроэнергии составляют порядка 7–9% от всего бюджета «Горэлектротранса». Испытания показали, что экономический эффект от применения накопителей есть. Но о конкретных результатах можно будет окончательно говорить лишь после годовой эксплуатации, сказали в ГУПе.

Михаил Лифшиц предлагает в новом цикле испытаний использовать не менее десяти трамваев.

В Москве есть, но другое

Пока петербургский «Горэлектротранс» проводит испытания, «Московский метрополитен» трамваи с накопителями уже использует.

Сейчас системами накопления энергии, изготовленными компанией «Канопус» из Златоуста, оснащены трамвайные вагоны «Львёнок» и «Витязь-М» поставки 2021–2022 годов, рассказали MASHNEWS в компании «ПК Транспортные системы», которая занимается установкой суперконденсаторов. Всего таких вагонов в столице 114.

Эффективность применяемой в Москве системы накопления ниже, чем у той, которая испытывается в Петербурге. Московская система позволяет добиться уменьшения потребляемой энергии трамвайным вагоном в среднем на 20%, сказали в «ПК Транспортные системы». Добавив, что она также обеспечивает уменьшение мгновенного тока потребления вагона и снижение изменения напряжения контактной сети на 40% по сравнению с аналогичным вагоном без накопителя.

В «Московском метрополитене» рассказали MASHNEWS, что при эксплуатации трамвайных вагонов моделей 71-931М («Витязь-Москва») и 71-911ЕМ («Львёнок») с установленной системой рекуперации электроэнергии отмечается «положительный экономический и технологический эффект при нахождении нескольких трамвайных вагонов на одном секционном участке контактной сети в момент работы тяговых двигателей».

Насколько дороже трамвай с системой рекуперации, чем без неё, в компании не ответили, сославшись на коммерческую тайну.

По словам специалистов «ПК Транспортные системы», системами накопления энергии интересуются только транспортные предприятия из Москвы и Петербурга. В других городах, где используются трамваи (таких в России 62), внимания к суперконденсаторам пока не проявляли.

СПРАВКА MASHNEWS:
Всего в России порядка 7700 трамваев. Если оборудовать их системами накопления энергии, они выработают около 400 000 МВт*ч электроэнергии за год.

Рекуперация энергии: принцип действия и области применения

В мире, где эффективное использование ресурсов становится все более актуальной задачей, концепция рекуперации энергии приобретает всё большее значение – от возобновляемых систем, способных собирать избыточную солнечную энергию и возвращать ее в сеть, до рекуперативных источников питания в автомобилях, которые предоставляют надежный и экономичный расход электропитания. В этой статье мы попробуем добраться до сути этой фундаментальной концепции, объясняя, почему рекуперация становится ключом к достижению высокой производительности и устойчивости в современных технологических системах.

Что такое рекуперация

Рекуперация – это процесс восстановления или возврата части энергии, которая обычно теряется при выполнении определенной работы или процесса. Термин используется в различных контекстах, но его основное значение связано с восстановлением энергии или ресурсов в технических, инженерных или физических системах. Название термина произошло от латинского слова «recuperare», что означает «восстановление» или «возвращение». Именно это и является основной идеей рекуперации – вернуть утраченную энергию обратно в систему для ее дальнейшего использования.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с потерей энергии, даже не замечая этого. Например, когда тормозим автомобиль, кинетическая энергия, которую он приобрел при движении, просто рассеивается в виде тепла и звука. То же самое происходит и в многих других системах, где используются движение и энергия. Основная идея рекуперации заключается в том, чтобы захватывать и сохранять часть этого теряющегося ресурса, а затем применить ее вновь – это позволит увеличить эффективность систем и, соответственно, снизить расход энергоресурсов.

Как работает система рекуперации

Система рекуперации в двунаправленных источниках питания используется для эффективного управления энергией в месте ее хранения, включая аккумуляторные батареи или суперконденсаторы. Она позволяет переключаться между двумя режимами работы: зарядки и разрядки, а также выполнять их одновременно при необходимости.

В режиме заряда источник энергии (например, солнечные панели или генератор) преобразует доступную энергию в электрический ток и напряжение, затем подает его на двунаправленный источник питания, который преобразует поступающий ресурс в нужный формат для зарядки хранилища (аккумулятора или суперконденсатора). Когда оборудование начинает потреблять больше энергии, чем генерируется в данный момент, двунаправленный ИП может конвертировать энергию из хранилища в электрический ток и напряжение, которое поступает обратно в систему, тем самым уравновешивая баланс.

В некоторых случаях, например, когда есть избыток энергии от источника, а также есть потребность в ней со стороны потребителя, система рекуперации может одновременно выполнять и зарядку, и разрядку – она направляет часть энергии на заряд хранилища и часть на питание потребителя. Системы учитывают потребность в ресурсе, состояние батарей, качество сигнала (если это связано с коммуникациями), и многое другое, чтобы определить, когда и как лучше всего использовать сохраненную энергию.

Источник питания с рекуперацией энергии

Современный рынок располагает передовыми источниками питания, оснащенными системой рекуперации энергии. Одним из таких является продукт серии IT6000B, произведенный компанией «Itech». Рассмотрим возможности рекуперативных ИП на примере данной модели.

Используя передовую технологию SiC, данная модель может использоваться не только как автономный двунаправленный источник питания, но и как независимая рекуперативная электронная нагрузка, поглощающая потребляемую энергию и отдающая ее обратно в сеть питания. ИП обладает стандартной двухквадрантной функциональностью и обеспечивает 7 спецификаций напряжения, вплоть до 2250 В, поддерживая параллельную работу в режиме «главный-ведомый» (от англ. Master/Slave) с равномерным распределением тока до 2 МВт. Встроенный генератор поддерживает генерацию сигналов произвольной формы, а также импорт LIST-файлов через USB.

Приборы имеют функциональную кнопку на панели для удобного управления двумя квадрантами: либо как двунаправленный программируемый источник питания постоянного тока, либо как электронная нагрузка постоянного тока с функцией рекуперации. ИП может быстро и непрерывно переключаться между режимами источника и стока, что позволяет эффективно избегать перегрузки напряжения/тока. В связи с этим устройство часто применяется для тестирования батарей, оборудования для упаковки элементов, плат защиты батарей и так далее.

Результативность преобразования может достигать 95%, что не только значительно снижает затраты на электроэнергию, но и позволяет избежать использования кондиционеров или дорогостоящих систем охлаждения. Помимо высокой стоимости электричества, при его производстве выделяется большое количество углекислого газа, диоксида серы, оксидов азота и других парниковых или вредных газов, наносящих вред окружающей среде. Благо, современные приборы располагают противодействующими возможностями для снижения этого пагубного воздействия.

Функция приоритета режимов стабилизации CC/CV удовлетворяет требования предотвращения перегрузки и обеспечения максимального тока, а также может сделать испытания более гибкими. В связи с этим прибор подходит для тестирования мощных интегральных схем, зарядки и разрядки, а также моделирования переходных процессов в автомобильной электронике

Пользователи могут использовать программное обеспечение для вывода, измерения и отображения максимальной мощности и отслеживания состояния сетевых фотоэлектрических инверторов в режиме реального времени, записывая и сохраняя эти значения. Также возможно моделировать различные кривые, тестировать статические и динамические характеристики MPPT и генерировать соответствующие отчеты.

Применение рекуперативного источника питания

Семейство двунаправленных рекуперативных систем питания обладает отличными характеристиками, широко применяемыми в мощных аккумуляторах, автомобильной электронике, возобновляемой «зеленой» энергетике, высокоскоростных испытаниях, информационных центрах и серверных комнатах, а также других возможных отраслях, требующих увеличения эффективности генерации и распределения энергии.

АКБ высокой мощности

Рекуперативные источники питания с высокой мощностью представляют собой инновационные устройства, спроектированные для обеспечения стабильного и эффективного электропитания в ситуациях, где потребность в выходной мощности высока и критически важна. Рассмотрим наиболее востребованные варианты применения таких приборов:

• Телекоммуникационные станции – сотовые базовые станции и другое оборудование в телекоммуникационной инфраструктуре требуют постоянного питания для предоставления связи при любых условиях. АКБ высокой мощности дают возможность сохранять энергию, например, при снижении ее потребления в ночное время суток, и затем использовать ее в периоды своей повышенной активности, снижая нагрузку на сеть и увеличивая надежность связи;
• Энергетические системы солнечных и ветровых установок – в возобновляемой энергетике важность наличия мощного рекуперативного прибора является основополагающей, поскольку он сохраняет избыточную энергию, произведенную в периоды высокой активности ветра или солнечного света, и используют ее в моменты острой нехватки;
• Промышленные системы автоматизации и аварийного питания – в промышленности такие устройства нужны для формирования непрерывности работы автоматических систем и оборудования, что имеет критическое значение для безопасности и повышения КПД. В случае сбоев основного электроснабжения, источники обеспечивают плавное переключение на батарейное питание;
• Электрические и гибридные автомобили – аккумуляторные батареи могут собирать и восстанавливать часть энергии, которая обычно теряется при торможении, и затем использовать ее для увеличения заряда батареи и, соответственно, продолжительности поездки.

Автомобильная электроника

Современные автомобили являются настоящими технологическими инновациями, оборудованными множеством электронных систем, которые обеспечивают безопасность, комфорт и эффективность вождения. Так, рекуперативные источники питания играют важную роль в формировании правильной работы этих систем в автомобилях. Давайте рассмотрим, как эти приборы применяются в автомобильной электронике:

• Системы старта-стоп – предназначены для автоматического выключения двигателя в случае остановки (например, на светофоре) и его моментального включения при нажатии на педаль акселератора. Рекуперативный ИП сохраняют энергию, обычно расходуемую на пуск двигателя, и затем используют ее для питания других электронных систем в автомобиле, чтобы сэкономить топливо и снизить выбросы вредных веществ в городских условиях;
• Рекуперация энергии при торможении – многие современные автомобили оснащены рекуперативными системами, которые преобразуют кинетическую энергию, создаваемую при торможении, в электрическую. Такие ИП накапливают ее для зарядки аккумуляторов, питания систем электроники или других электронных устройств в автомобиле, тем самым увеличивая эффективность использования энергии и снижая расход ресурсов;
• Системы безопасности и информационно-развлекательные системы – антиблокировочная система тормозов (ABS), системы управления устойчивостью (ESP) и подушки безопасности требуют надежного источника питания. Рекуперативные устройства, в свою очередь, дают непрерывное питание этих систем даже при изменяющихся условиях работы двигателя;
• Системы информационно-развлекательного центра – современные автомобили также оснащены разнообразными навигационными и мультимедийными системами, а также сенсорными экранами, стабильное и бесперебойное питание которых осуществляется посредством применения ИП с рекуперацией энергии.

Возобновляемая энергетика

Солнечные и ветровые установки задействуют метод рекуперации для улучшения эффективности своей работы, что особенно практично в периоды нехватки солнечного света и ветра. Рассмотрим, как рекуперативные источники питания используются в возобновляемой энергетике.

• Сбор и хранение избыточной энергии – солнечные и ветровые установки генерируют избыточную энергию в периоды своей высокой активности (солнечный день или ветренная погода). Рекуперативные источники питания предназначены для сохранения этой энергии, которая в противном случае была бы утрачена;
• Поддержка непрерывной поставки энергии – приборы РИП осуществляют непрерывную поставку электроэнергии даже при временной остановке ее генерации. В моменты, когда солнце скрыто за облаками или ветер ослаб, аккумулированная энергия может быть мгновенно возвращена в сеть, чтобы поддерживать нормальное энергоснабжение;
• Сглаживание пиков и спадов нагрузки – периоды наивысшей потребности в электроэнергии требуют задействование аккумулированной энергии, благодаря чему повышается стабильность работы всей системы, а также исключается формирование перегрузок или нехватки ресурса.

Поставщик источников питания

Компания «Итера» занимается поставкой научного-исследовательского и контурно-измерительного оборудования, располагая широким ассортиментом двунаправленных источников питания с рекуперацией энергии, среди которых IT6005B-80-150, IT6006B-300-75, IT6006B-500-40 и другие модели производства «Itech». Всех их объединяет идеальное сочетание мощности и эффективности (с рекуперацией энергии на уровне 95%), обеспечивающее бесперебойное электропитание для вашего оборудования.

Приборы подойдут как для научных и исследовательских целей, где требуется высокая точность и надежность наряду с непоколебимой стабильностью напряжения и тока, так и для промышленных объектов, предполагающих интеграцию с сетью питания и возможностью управления распределением энергии. Представленные модели обладают необходимым интеллектуальными функциями, которые оптимизируют энергопотребление и экономят ваши ресурсы, при этом являются весьма компактными при своей высокой производительности.

Заключение

Рекуперация энергии – это инновационный подход к оптимизации энергетических систем, позволяющий не только эффективно использовать ресурсы, но и улучшить надежность и устойчивость работы различных устройств и систем, при этом открывая новые горизонты для снижения негативного воздействия на окружающую среду. Рекуперативные источники питания дают возможность собирать и снова пускать в работу энергию, которая ранее терялась или просто не использовалась – они снижают ее потери энергии, сглаживают колебания в энергоснабжении и улучшают КПД энергетических систем.

Рубрики

Революция, которую не заметили. Рекуперация становится новой генерацией

Техно-порталы и Хабр в частности не раз писали о рекуперации и возможных вариантах промышленного внедрения этого принципа, позволяющего экономить затраты на электроэнергию. Много вопросов было относительно жизненного цикла регенерационных систем, по реальному КПД и по стоимости серийного решения. Любопытные теоретические расчеты, к примеру, ранее приводились тут. Сегодняшние расчеты показывают, что современные рекуперационные системы способны если не превзойти, то как минимум сравняться по потенциалу генерации энергии со всей индустрией возобновляемой энергетики и существенно поменять правила игры на этом рынке.

Рекуперация – изобретение велосипеда? Нет

Технологию стали применять в XX веке. Из школьного курса физики мы знаем, что любой электродвигатель не только потребляет энергию, но и может сам ее произвести. Это происходит во время торможения. Когда с обмотки статора электродвигателя снимается напряжение, он начинает вырабатывать электроэнергию самостоятельно. К примеру, на ж/д транспорте вырабатываемую двигателем энергию передают в общую энергосеть через тяговые подстанции либо через контактную сеть — напрямую другим составам. Именно так поступали в московском метро во времена СССР, когда столичной «подземке» удавалось собирать и повторно использовать до 50% электроэнергии. Да, наше метро умело в ESG-повестку, когда это еще не было трендом.

Момент торможения поезда на станции четко совпадал с отправлением другого — того, что шел в обратную сторону. В итоге энергия от торможения одного поезда становилась топливом для другого. Но в связи с ростом метрополитена Москвы и приоритезацией пассажиропотока над вариантами экономии, рекуперационный баланс был утрачен. Поэтому пока удается собирать только около 10% энергии. Остальное уходит в тормозные резисторы, вырабатывающие тепло, которое необходимо удалять из туннелей метро. Кстати, на удаление этих избытков теряется порядка 53% электроэнергии, расходуемой системой тоннельной вентиляции. Она уступает только потреблению подвижного состава и составляет 0,8–1,2 млн кВт⋅ч в год (расчет-пример по метрополитену Новосибирска). Подобная растрачиваемая в воздух энергия даже получила в отрасли наименование – «энергетические отходы».

Нагрев тормозных резисторов в лондонском метро. Проблема с нагревом воздуха в туннелях метро характерна не только для нашей страны.

Тепловой след тормозящего поезда. Эту энергию можно использовать повторно или бесцельно рассеять в атмосфере

Почему промышленность возвращается к этой теме и заново начинает обсуждать варианты повсеместного использования принципа рекуперации?

На это есть ряд объективных причин, которые мы попробуем рассмотреть.

Можно отметить три главных фактора, которые сдвинули вопрос внедрения рекуперационных систем с (почти) мертвой точки:

1. Появление новых материалов (современные электролиты);
2. Кардинально иной форм-фактор современной суперконденсаторной ячейки;
3. Мировая экологическая повестка со все новыми требованиями для промышленности.

Нет большого смысла рассуждать о том, какой из этих факторов первичен и что чем было порождено, тут все может свестись к «дилемме курицы и яйца». Попробуем разобраться, что происходит сейчас фактически и как это может повлиять на всю электроэнергетическую отрасль.

На первый взгляд, «энергетические отходы», о которых мы упомянули выше, не так вредны, как выбросы заводов или электростанций и до недавнего времени они не являлись темой экологических дискуссий. А такой важный аспект как растрачивание колоссального объема электроэнергии впустую сегодня стоит как слон в комнате и игнорировать его становится с каждым днем все сложнее.

Смотрите сами: ≈ 50% или 13 468 ТВт∙ч от всей вырабатываемой в мире энергии потребляют электродвигатели, способные до половины этого объема вернуть благодаря рекуперации.

Спорить о необходимости использования этих, уже имеющихся, экологически чистых энергетических ресурсов излишне. В мире ежегодно возводятся все новые объекты возобновляемой энергетики (ВИЭ). В конце прошедшего года на Хабре уже писали, что Международное энергетическое агентство сообщает о том, что в 2021 году будет установлен мировой рекорд по производству возобновляемых источников. Это превышает достижения 2020 года. До конца 2021 года будет введено 290 ГВт дополнительных мощностей по производству «зеленой» энергии. Солнечные электростанции продолжают в буквальном смысле «запечатывать» сельскохозяйственные площади по всему миру, ветряки врезаются в экосистему, неизбежно оказывая на нее свое влияние, гидроэнергетика доступна далеко не везде. И это при том, что внятных и экономически обоснованных способов утилизации отслуживших ВИЭ-мощностей еще никто не предложил. Даже такая страна как США, которая очень внимательна к вопросам экологии как минимум на своей территории, пока вынуждена попросту захоранивать отслужившие лопасти ветряков, ввиду невозможности их переработать.

Поэтому сегодня все больше отраслей задумываются над тем как взять уже выработанные тераватты в час электроэнергии, которые попросту выбрасываются в воздух.

Новые возможности

Безопасность является приоритетным понятием, когда мы говорим о транспорте и вариантах оптимизации его использования.

Появление нового, пожаробезопасного электролита на основе пропиленкарбоната для суперконденсаторов, позволило создать рекуперационные системы для транспорта, и в частности метрополитена, с его закрытыми пространствами. Жесткие требования к этим характеристикам не позволяли использовать системы с электролитами предыдущего поколения, которые при горении выделяли пары синильной кислоты. Новый электролит в этом плане безопасен и экологичен. По составу он, пожалуй, более всего схож с губной помадой.

Вторым важным фактором стал форм-фактор новых суперконденсаторных ячеек призматической формы, которая стала залогом отсутствия нагревов контактной части.

Токосъем на этих «плитках» распределен по всей поверхности, что позволяет отказаться от системы принудительного охлаждения. В то же время классический вид суперконденсаторных модулей более всего похож на банку Колы, где токосъем представлен двумя проводками на ребре ячейки. Выполняя свою главную функцию (прием и выдача большого объема энергии за раз), эти места нагреваются и являются своего рода ахиллесовой пятой суперконденсаторов предыдущего поколения. В отличие от призматических ячеек, решения на основе «банок» также занимают гораздо больше объема. А к объему добавляем еще и систему охлаждения.

Появление нового электролита и форм-фактора открыло возможности оборудования рекуперационными системами самого широкого спектра транспорта, а также другой техники, использующей электромоторы.

Испытания, проведенные российскими разработчиками и производителями рекуперационных систем из компании ТЭЭМП показали, что, к примеру, трамвай может регенерировать порядка 40% энергии, потребляемой при разгоне. Это 142 кВтч в день только с одной единицы транспорта — цифры сопоставимы с ежедневной выработкой солнечного парка в 1000 м².

Всего в России около 7700 трамваев. Если поставить на них систему накопления энергии, они выработают около 400 000 МВт*ч электроэнергии за год. Это позволит сэкономить на «топливе» более $29 млн и снизит выбросы CO2 в атмосферу на 180 тыс. тонн.

Если переложить показатели на масштабы такой компании, как РЖД, становится понятно, что потенциал экономии бюджетных средств может быть огромен. Крупнейший ж/д перевозчик потребляет порядка 6% всей электроэнергии, вырабатываемой в России. Почему бы не собрать эту энергию и не использовать ее повторно? Это поможет сэкономить до 50% бюджета на электроэнергию и уменьшить объем выбросов углекислого газа.

«Транспорт» может быть разным

С появлением гибридных болидов рекуперация пришла и в Формулу 1. Специально для нее в 2009 году создали KERS — кинетическую систему восстановления энергии. И польза от нее не только в экономии энергии. Система дает болидам буст, своеобразный «‎нитро» — прямо как в компьютерный играх. В 2014 году в автомобили стали устанавливать сразу две системы рекуперации: суммарно они увеличили их мощность на 160 л.с.

Как работает система: на трансмиссии собирается энергия, которая вырабатывается при торможении. Сопротивление генератора обеспечивает дополнительное тормозное усилие, и в то же время способствует заряду батарей болида. Когда нужна дополнительная мощность, пилот просто нажимает кнопку на руле и получает дополнительное ускорение. Электроника посылает заряд батареи на генератор, и он дает 80 дополнительных л.с. в течении почти 7 секунд.

Появление системы даже повлияло на стратегию управления болидом. Пилоты стали использовать технологию при выходе из поворотов на медленной и средней скорости. Также KERS используют на конкурентных участках — для обгона соперника или защиты позиции в гонке.

Говоря о новом форм-факторе, можно отметить, что это как раз один из тех кейсов, когда занимаемый объем и вес суперконденсаторного модуля критически важен.

Себастьян Феттель объясняет, как правильно использовать KERS

Также как и на гоночных болидах, на обычных серийных автомобилях устанавливают системы рекуперации — они запасают энергию при торможении и отдают ее двигателю обратно, когда это необходимо.

Система работает на автомобилях в рамках функции «старт-стоп». В момент сильной нагрузки на двигатель внутреннего сгорания генератор отключается, чтобы сэкономить энергию. И снова начинает работу в момент торможения — благодаря этому заряжается батарея аккумулятора. Однако тут содержится изрядная степень лукавства маркетологов – КПД подобных рекуперационных систем нигде не указывается и зачастую не превышает 3%, так как в качестве накопителя традиционно используется литий-ионный аккумулятор, не способный принимать весь объем потенциально возможной рекуперированной энергии.

Где еще?

Рекуперация находит свое применение не только на транспорте. Лифты и подъемные краны являются одним из наилучших и наиболее эффективных платформ, которые могут превращаться в импровизированную электростанцию попросту исходя из физики своей работы. По данным шведских исследователей из университета Gävle, при использовании систем рекуперации на основе суперконденсаторов на подъемно-транспортном оборудовании выработка

составляет ~ 75% от затраченного.

По сути все лифтовое хозяйство может также служить в качестве генерации. Это подтверждает опыт, полученный компанией Otis (передача энергии в домовую сеть) и испанским решением Epic Power (передача в накопитель с последующим использованием). Обе компании подтвердили эффективность на уровне 75%.

А что новенького у нас?

Energy ReCycler. Так называется рекуперационная система на основе современных суперконденсаторов, которая производится компанией ТЭЭМП. Технологию можно использовать для трамваев, поездов и электричек. Она работает на основе суперконденсаторов, что позволяет рекуперировать гораздо больше энергии, получаемой от торможения, чем это дают сделать литий-ионные накопители – 40% против 3-5%. В системе используется безопасный электролит нового поколения, а заявленный ресурс превышает 1 миллион циклов заряд-разряд. К тому же, данная система не требует регулярного обслуживания.

Исполнительный директор АО «НПП «ЭПРО», к.т.н. Владимир Анатольевич Шаряков:

«С электротранспортом мы работаем с 1991 года и у нас была хорошая возможность изучить очень многие нюансы его использования, понять каким образом расходуется энергия и где есть потенциал ее экономии. Испытания, которые мы провели совместно с московской компанией ТЭЭМП на трамвайном транспорте в Санкт-Петербурге показали, что современные системы рекуперации на основе суперконденсаторов позволяют повысить энергоэффективность подвижного состава на 40%. И эта энергия, собранная методом рекуперации в суперконденсаторы, может быть использована на месте для разгона трамвая либо повышения его автономности на участках, где питания сети отсутствует. При этом можно избежать потерь, связанных с передачей энергии по сети. Игнорировать подобные новые инструменты сохранения энергии в современных реалиях было бы попросту неразумно».

Energy ReCycler доказал свою эффективность на первых испытаниях, сейчас его используют на других тестовых проектах. По словам инженеров, окупаемость разработки в российских условиях — около 5 лет.

• рекуперация энергии
• электричество
• транспорт

• Popular science
• Energy and batteries