SUPERKONDENSATOROWE MAGAZYNY ENERGII W TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 SUPERKONDENSATOROWE MAGAZYNY ENERGII W TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ dr inż. Edward Bramson ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

2 NOWOCZESNE UKŁADY PRZEKSZTAŁTNIKOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH DC I AC W W POJAZDACH TRAKCYJNYCH UMOŻLIWIAJĄ: 1. Zmniejszenie energii pobieranej z sieci o ok % 2. Ograniczenie prądu szczytowego pobieranego z podstacji 3. Zwrot energii hamowania do sieci ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

3 CO ROBIĆ Z ENERGIĄ REKUPERACJI? 1. W komunikacji miejskiej, w zależności od natężenia ruchu, można odzyskać 10 20% zużytej energii 2. Zwrócona do sieci energia może być użyta wyłącznie przez pojazdy trakcyjne znajdujące się na tym samym odcinku zasilania 3. Badania w Warszawie wykazały, że przy 20% tramwajów wyposażonych w układ umożliwiający rekuperacyjny system hamowania efektywny zwrot energii nie przekracza 15% ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

4 Zwiększenie efektywności energetycznej hamowania odzyskowego przez magazynowanie energii ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

5 Zasady magazynowania energii elektrycznej w urządzeniach elektrochemicznych Energia elektryczna w urządzeniach elektrochemicznych może być magazynowana na dwa podstawowe sposoby: 1) przez wykorzystanie przemiany chemicznej - AKUMULATORY lub/oraz 2) bezpośrednio na drodze gromadzenia ładunku elektrostatycznego w obszarze złącza pomiędzy elektrodą a elektrolitem - SUPERKONDENSATORY ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

6 Co to jest SUPERKONDENSATOR? ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

7 Superkondensator lub ultrakondensator jest rodzajem kondensatora elektrochemicznego o specyficznej konstrukcji, który wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną(rzędu kilku tysięcy faradów), w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności, lecz przy napięciu pracy 2-3 V (typowo 2,7 V) - Wikipedia ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

8 Nazwa SUPERKONDENSATOR jest nazwą handlową dla urządzeń komercyjnych wprowadzona przez Nippon Electric Company (NEC). Synonimem jest określenie ULTRAKONDENSATOR stosowanym przez firmę Pinnacle Research Institute (PRI) ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

9 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI ZALETY SUPERKONDENSATORA - duża gęstość mocy (maksymalne wartości dochodzą do 100 kw/kg, w porównaniu z akumulatorami Pb: 450 W/kg, Li: 450W/kg, NiMH: 500 W/kg), - stosunek P/E mocy chwilowej do mocy średniej powyżej 1500, - duża szybkość ładowania rozładowania w porównaniu z akumulatorami, - dopuszczalne napięcie pracy wynosi zwykle od 2 do 3 V dla pojedynczego ogniwa, (?)

10 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI - liczba cykli pracy do jednego miliona, - mała wartość (poniżej jednej sekundy) stałej czasowej t, - czas życia kilkadziesiąt lat, - komponent bezobsługowy o niskich kosztach eksploatacji, - mała wartość zastępczej szeregowej rezystancji wewnętrznej w porównaniu z akumulatorami i duża w porównaniu z klasycznymi kondensatorami, - bezproblemowe działanie w niskiej temperaturze do - 40 C, - wysoka sprawność (84 95%).

11 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI Do wad superkondensatora można zaliczyć: - mała wartość (kilka sekund) czasu T, - mała gęstość energii (maksymalne wartości dochodzą do 25 Wh/kg, w porównaniu z akumulatorami Pb: 70 Wh/kg, Li: 100 Wh/kg, NiMH: 90 Wh/kg), - po pewnym czasie bezczynności występuje samorozładowanie, - dopuszczalne napięcie pracy wynosi zwykle od 2 do 3 V dla pojedynczego ogniwa.

12 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI ZASTOSOWANIE SUPERKONDENSATORÓW W TRAKCJI

13 HAMOWANIE ODZYSKOWE (Żródło: Ticket to Kyoto) ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

14 Zasobnik mobilny (Żródło: Ticket to Kyoto) ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

15 Zalety Duża efektywność energetyczna Możliwość jazdy bez sieci górnej Stabilizacja napięcia Redukcja pików obciążenia Możliwość zmniejszenia wielkości opornika hamowania ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

16 PRZEJAZD TROLEJBUSU ZASILANEGO Z SIECI TRAKCYJNEJ BEZ ZASOBNIKA KONDENSATOROWEGO E R 0,4 kwh E T 0,2 kwh E 0,2 kwh IS prąd silnika, IC prąd zasobnika kondensatorowego, IZ prąd sieci, UF napięcie kondensatora filtru ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

17 PRZEJAZD TROLEJBUSU ZASILANEGO Z SIECI ORAZ Z ZASOBNIKA KONDENSATOROWEGO IS prąd silnika, IC prąd zasobnika kondensatorowego, IZ prąd sieci, UF napięcie kondensatora filtru ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

18 PRZEJAZD TROLEJBUSU ZASILANEGO Z SIECI ORAZ Z ZASOBNIKA KONDENSATOROWEGO IS prąd silnika, IC prąd zasobnika kondensatorowego, IZ prąd sieci, UF napięcie kondensatora filtru ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

19 PRZEJAZD TROLEJBUSU BEZ SIECI ZASILANEGO Z ZASOBNIKA KONDENSATOROWEGO IS prąd silnika, IC prąd zasobnika kondensatorowego, IZ prąd sieci, UF napięcie kondensatora filtru ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

20 Wady Konieczność instalowania na starych wagonach Jeden zasobnik na wagon (koszty) Postój wagonu w celu instalacji Duże ograniczenia dotyczące bezpieczeństwa pasażerów i obsługi ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

21 Zasobnik stacjonarny (Żródło: Ticket to Kyoto) ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

22 Zalety Może być używany przez wszystkie pojazdy na trasie Stabilizacja napięcia Redukcja pików obciążenia Zmniejszenie liczby podstacji lub możliwość wprowadzenia większej liczby pojazdów Redukcja ciepła wydzielanego przez pojazdy ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

23 Możliwość zmniejszenia rezystorów hamowania Mniejsze obostrzenia dot. bezpieczeństwa niż dla zasobników mobilnych Wdrożenie, utrzymanie i naprawy nie wpływają na działanie ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

24 napięcie PR prąd SC napięcie SC prąd PR ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

25 napięcie PR prąd SC napięcie SC prąd PR ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

26 Wady Strojenie, dobór i wybór lokalizacji Mniejsza efektywność ze względu na straty przesyłowe Dla zbyt małych zasobników wytracanie energii w rezystorach Ulokowanie możliwe jedynie wzdłuż linii lub na podstacji Brak możliwości jazdy bez sieci górnej ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

27 OPRACOWANIA UKŁADÓW MAGAZYNOWANIA ENERGII Z SUPERKONDENSATORAMI ZAKŁADU TRAKCJI IEL ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

28 ZASOBNIK KONDENSATOROWY W WARSZAWIE Układ kondensatorowego zasobnika energii został zrealizowany i zabudowany przy współpracy z firmą Tramwaje Warszawskie w tramwaju 116N w Warszawie (Źródło: M.Gąsiewski, P.Giziński, M.Żuławnik) ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

29 SCHEMAT BLOKOWY OBWODU GŁÓWNEGO TRAMWAJU 116N WS Stycznik liniowy S1-S4 Silniki trakcyjne LF, CF Filtr sieciowy Po Przekształtnik odzysku energii do sieci PT1, PT2 Przekształtniki trakcyjne RH1, RH2 Oporniki hamowania ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

30 SCHEMAT BLOKOWY OBWODU GŁÓWNEGO TRAMWAJU 116N Z ZASOBNIKIEM KONDENSATOROWYM WS Stycznik liniowy S1-S4 Silniki trakcyjne LF, CF Filtr sieciowy PC Przekształtnik zasobnika kondensatorowego Po Przekształtnik odzysku energii do sieci C Zasobnik kondensatorowy PT1, PT2 Przekształtniki trakcyjne THR Przekształtnik opornika ochronnego RH1, RH2 Oporniki hamowania RH Opornik ochronny ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

31 Zasobnik kondensatorowy firmy Maxwell (2x17,8 F, 2x390V) ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

32 Przełącznik wyboru rodzaju pracy Nowy wyświetlacz pokładowy ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,

33 ZAKRES BADAŃ TRAMWAJU Z ZASOBNIKIEM KONDENSATOROWYM: 1.Wykonanie 4 przejazdów na trasie: Młociny - Żerań Wschodni - Młociny celem określenie nominalnego zużycia energii. 2.Wykonanie 4 przejazdów na ww. trasie z dołączonym zasobnikiem kondensatorowym. 3.Wykonanie 4 przejazdów na ww. trasie z dołączonym zasobnikiem kondensatorowym aktywnie obciążanym. ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

34 Lp A B Parametr Energia pobrana z sieci trakcyjnej Energia zwrócona do sieci trakcyjnej [kwh] Wariant I bez C II z C III z C patent IEL [kwh /km] [%] [kwh] [kwh /km] [%] [kwh] [kwh /km] , ,29 10 [%] C Σ Energii pobranej z sieci 477 2,62 90 D E F G Oszczędność energii w stosunku do układu bez C Energia pobrana z C przy rozruchu Energia zwrócona do C przy hamowaniu Σ Energii zwróconej podczas hamowania do sieci i C ,29 10 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

35 Lp A B Parametr Energia pobrana z sieci trakcyjnej Energia zwrócona do sieci trakcyjnej [kwh] Wariant I bez C II z C III z C patent IEL [kwh /km] [%] [kwh] [kwh /km] [%] [kwh] [kwh /km] , ,53 87 A4:A1 53 0, ,44 17 B4:A4 [%] C Σ Energii pobranej z sieci 477 2, ,09 80 C4:C1 D E Oszczędność energii w stosunku do układu bez C Energia pobrana z C przy rozruchu C1-C4 0,53 20 D4:C ,38 15 E4:A4 F Energia zwrócona do C przy hamowaniu ,44 50 F4:G4 G Σ Energii zwróconej podczas hamowania do sieci i C 53 0, B4+F4 0,88 35 G4:A4 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

36 Lp A Parametr Energia pobrana z sieci trakcyjnej [kwh] Wariant I bez C II z C III z C patent IEL [kwh /km] [%] [kwh] [kwh /km] [%] [kwh] [kwh /km] , ,53 87 A4:A1 [%] 385 2,12 73 A7:A1 B Energia zwrócona do sieci trakcyjnej 53 0, ,44 17 B4:A4 73 0,40 19 B7:A7 C Σ Energii pobranej z sieci 477 2, ,09 80 C4:C1 D E Oszczędność energii w stosunku do układu bez C Energia pobrana z C przy rozruchu C1-C4 0,53 20 D4:C ,38 15 E4:A ,71 65 C7:C1 165 C1-C7 0,91 35 D7:C ,80 38 E7:A7 F Energia zwrócona do C przy hamowaniu ,44 50 F4:G ,84 68 F7:G7 G Σ Energii zwróconej podczas hamowania do sieci i C 53 0, B4+F4 0,88 35 G4:A4 226 B7+F7 1,24 59 G7:A7 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

37 ZASOBNIK KONDENSATOROWY W KOWNIE Układ kondensatorowego zasobnika energii został zrealizowany i zabudowany przy współpracy z firmą Autrolis w trolejbusie Jelcz M121 w Kownie (Żródło: Z.Giziński, M.Żuławnik) ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

38 SCHEMAT BLOKOWY OBWODU GŁÓWNEGO Z ZASOBNIKIEM KONDENSATOROWYM PC Przekształtnik zasobnika kondensatorowego SL, SB Styczniki liniowe C Zasobnik kondensatorowy PT Przekształtnik trakcyjny SC Styczniki zasobnika kondensatorowego S Silnik trakcyjny LF Dławik filtru RH Opornik hamowania CF Kondensator filtru PS Przetwornica statyczna DZ Dioda blokująca ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

39 WYNIKI BILANSU ENERGII Sieć trakcyjna Zasobnik konden. oraz sieć trakcyjna 1. Energia pobrana z sieci kwh kwh 2. Energy pobrana z zasob. konden. 0 kwh kwh 3. Energia zużyta przez trolejbus kwh kwh 4. Energia zmagazynowana w zasob. Dystans 10 km 0 kwh kwh 5. Stopień odzysku energii - 35% ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

40 ZASOBNIK KONDENSATOROWY I AKUMULATOROWY W LUBLINIE Układ napędu asynchronicznego z zasobnikami energii został zrealizowany i zabudowany przy współpracy z MPK Lublin w trolejbusie Jelcz PR110 w Lublinie ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

41 ZASOBNIK KONDENSATOROWY W GDYNI NA PODSTACJI ZASILAJĄCEJ PKT ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

42 ZASOBNIK KONDENSATOROWY W ELBLĄGU Układ kondensatorowego zasobnika energii został zrealizowany i zabudowany przy współpracy z firmą Tramwaje Elbląskie na linii tramwajowej w Elblągu i obecnie znajduje się w trakcie badań ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

43 PODSUMOWANIE 1. Wykonano badania ruchowe tramwaju w wersji bez i z zasobnikiem energii dla określenia korzyści wynikających ze stosowania kondensatorowych zasobników energii w tramwajach. Łącznie przejechano ok. 800km. 2. Uzyskano zmniejszenie zużycia energii o ok. 0,9kWh/km, co przy rocznym przebiegu tramwaju ok. 50 tyś. km daje oszczędność energii ok. 45MWh. 3. Uzyskano znaczne zmniejszenie poboru prądu szczytowego z podstacji trakcyjnych (do ok. 60%). 4. Zasobnik kondensatorowy dostarcza ok % energii podczas rozruchu tramwaju. 5. Suma energii zwróconej podczas hamowania wynosi ok. 40% energii pobranej podczas rozruchu z sieci trakcyjnej. Dla układu bez zasobnika energia zwracana wynosi ok. 10% energii pobranej. ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

44 PODSUMOWANIE c.d. 6. Żywotność zasobnika kondensatorowego przy pracy w zakresie 50% - 100% napięcia znamionowego wynosi ok. 1 milion cykli co przy rocznym przebiegu rzędu 50 tys. km zapewni 10lat eksploatacji. 7. Zastosowany zasobnik kondensatorowy eliminuje problemy zatrzymania pojazdu pod izolatorem sekcyjnym. 8. Dodatkowym atutem kondensatorowego zasobnika energii zamontowanego na tramwaju jest możliwość przejechania bez sieci trakcyjnej odcinka ok m, w zależności od warunków terenowych. Umożliwia to w przypadku awaryjnym, jak np. wyłączenie podstacji lub zerwanie sieci trakcyjnej, zjazd ze skrzyżowania i odblokowanie ruchu, a nawet dojazd do najbliższego przystanku i wysadzenie pasażerów w bezpiecznym miejscu. 9. Uzyskane wyniki z badań ruchowych w pełni potwierdzają celowość stosowania kondensatorowych zasobników energii. ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: , nte@iel.waw.pl,

45 ul. Pożaryskiego 28, Warszawa, tel.: , fax: ,