prof. dr hab. in. Jerzy WIDER Politechnika lska dr in. Mariusz WOSZCZYSKI dr in. Krzysztof STANKIEWICZ Instytut Techniki Górniczej KOMAG Integracja i zarzdzanie działaniem ródeł i odbiorników prdu w pojazdach z układami rekuperacji energii cieplnej S t r e s z c z e n i e W publikacji zaprezentowano prototyp układu sterowania zasilaniem elektrycznym pojazdu z silnikiem spalinowym, integrujcego prac trzech ródeł zasilania akumulatora, prdnicy oraz innowacyjnego generatora termoelektrycznego. Omówiono metod kondycjonowania energii elektrycznej, pozyskanej z generatora termoelektrycznego, do wymaga istniejcego zasilania pojazdu. Zaprezentowano budow stanowiska badawczego, metod oraz wyniki bada stanowiskowych prototypu systemu sterowania. S u m m a r y A prototype of the system for control of electric supply of a vehicle with a diesel engine has been presented. The control system integrates three supply sources a battery, a electrical generator and an innovative thermoelectric generator. A method for conditioning of electric power from thermoelectric generator to the parameters of the vehicle supply system has been discussed. The design of a test stand, the testing method and results of stand tests of the control system prototype are presented. 1. Wstp Rosnca liczba urzdze elektrycznych i elektronicznych w pojazdach poprawia bezpieczestwo, komfort i wygod uytkowników, ale jednoczenie stawia wysze wymagania układom zasilania. Ponadto globalny niedobór paliw prowadzi do koniecznoci rozwoju pojazdów hybrydowych i elektrycznych. Zastosowanie technologii odzyskiwania odpadowej energii cieplnej do generowania energii elektrycznej to ekonomiczne i przyjazne rodowisku metody zapewnienia ródeł zasilania pojazdów. Rekuperacja energii cieplnej z zastosowaniem generatorów termoelektrycznych jest stosunkowo nowym zagadnieniem w sektorze przemysłowym. Generator termoelektryczny działa na podstawie jednego z trzech głównych zjawisk termoelektrycznych - zjawiska Seebecka. Polega ono na powstawaniu siły elektromotorycznej (zwanej te sił termoelektryczn) w obwodzie złoonym z dwóch rónych materiałów, których styki maj róne temperatury [5, 7] i jest wynikiem zalenoci kontaktowej rónicy potencjałów midzy materiałami od temperatury. Współczenie generatory termoelektryczne znajduj zastosowanie wszdzie tam, gdzie wystpuj ródła strat cieplnych, poczynajc od gadetów w yciu codziennym, przez zasilanie bezprzewodowych układów pomiarowych, do zasilania aparatury na statkach kosmicznych. Ze wzgldu na ograniczon sprawno, generatory termoelektryczne s stosowane z powodzeniem w aplikacjach nie wymagajcych do działania duej mocy elektrycznej. Zastosowania generatorów termo- elektrycznych do odzyskiwania ciepła w pojazdach samochodowych, na statkach oraz w przemyle s jednak cigle w fazie bada. Zastosowanie systemów rekuperacji odpadowej energii cieplnej w maszynach górniczych z napdem spalinowym ma na celu ograniczenie kosztów bezporednio transportu, porednio wydobycia, zmniejszenie emisji substancji szkodliwych do otoczenia, a take zmniejszenie luki technologicznej midzy rozwizaniami stosowanymi w nowoczesnych pojazdach, a górniczymi maszynami transportowymi. Obszarem wdroenia tego typu rozwiza moe by górnictwo rud miedzi, z uwagi na liczb eksploatowanych maszyn (w zakładach KGHM eksploatowanych jest około 1600 maszyn z silnikami spalinowymi [4]). 2. Prototyp rekuperatora Na podstawie opracowanej koncepcji [9] utworzono prototyp generatora termoelektrycznego, który jest najwaniejszym elementem systemu zasilania. Koncepcja zakładała wykorzystanie płaskiego rdzenia w postaci komory, któr ogrzewaj przechodzce przez ni spaliny, wychodzce z silnika. Na powierzchniach rdzenia zabudowano termoogniwa, które s chłodzone za pomoc miedzianych chłodnic. Cało skrcono za pomoc docisków, połczonych gwintowanymi prtami. Docisk jest realizowany przez wykorzystanie podkładek talerzowych, umieszczonych na metalowych stemplach. W celu zwikszenia skutecznoci odprowadzania energii cieplnej z powierzchni termoogniw, chłodnice 10 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013
zostały wykonane z miedzi. Pozostałe elementy wykonano ze stali wglowej. Widok zmontowanego rekuperatora przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Prototyp rekuperatora [10] Do budowy pierwszej wersji prototypu wykorzystano dwa typy termoogniw o rónej budowie, w celu przetestowania ywotnoci i wydajnoci poszczególnych rozwiza. Z jednej strony zainstalowano 54 termoogniwa o wymiarach 40 mm x 40 mm (TEC1-1), natomiast z drugiej strony 24 termoogniwa o wymiarach 60 mm x 60 mm (TEC1-3). Termoogniwa zostały połczone szeregowo w baterie, a nastpnie poszczególne baterie połczono równolegle, w celu uzyskania wikszej wartoci natenia prdu. W docelowej wersji prototypu zastosowano po obu stronach rdzenia łcznie 56 termoogniw TEC1-3, rozsunitych wzgldem siebie o 20 mm. 3. Dowiadczalny system sterowania energi elektryczn System sterowania energi elektryczn w pojazdach z napdem spalinowym zaprojektowano i zbudowano w celu uzyskania moliwoci demonstracji sposobu wykorzystania odzyskanej za pomoc rekuperatora (generatora termoelektrycznego) energii elektrycznej. Zadaniem systemu sterowania jest zintegrowanie i zarzdzanie działaniem trzech ródeł energii w pojazdach, napdzanych silnikami spalinowymi prdnicy, akumulatora oraz innowacyjnego systemu rekuperacji energii cieplnej, a take zarzdzanie odbiornikami energii elektrycznej. Blokow struktur systemu sterujcego zasilaniem elektrycznym przedstawiono na rysunku 2. System umoliwia integracj i zarzdzanie podzespołami układów zasilania ju istniejcych w pojazdach, oraz alternatywnego ródła energii, tj. panelu operatora (HMI), rekuperatora (termogeneratora), podukładami sterowania oraz oczujnikowania i układów wykonawczych. Prototyp systemu sterowania energi elektryczn z zastosowaniem rekuperacji energii cieplnej zbudowano z zastosowaniem sterownika PLC. W układzie sterowania zaimplementowano ponadto przetworniki prdu (monitorujce odbiorniki elektryczne), zaawansowane kontrolery ładowania akumulatora, z funkcj ledzenia maksymalnego punktu mocy modułów termoelektrycznych, oraz panel sterowania z ekranem LCD. Do systemu podłczono trzy ródła energii elektrycznej akumulator, prdnic i termogenerator. Jako odbiorniki energii elektrycznej w stanowisku Rys.2. Schemat systemu sterowania zasilaniem elektrycznym pojazdu [10] MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 11
laboratoryjnym podłczono do systemu arniki halogenowe. Odbiornikiem jest równie sam system, który jest zasilany z wybranego ródła (domylnie z akumulatora). Na rysunku 3 zaprezentowano widok wntrza skrzynki sterowniczej, z zaznaczonymi elementami składowymi. Kontrolery ładowania stanowi łcznik generatora termoelektrycznego z systemem sterowania zasilaniem elektrycznym pojazdu. Do kadego z 14 kontrolerów MPPT (ang. Maximum Power Point Tracking) został podłczony wiersz, składajcy si z czterech połczonych szeregowo modułów termoelektrycznych. Napicia z kontrolerów trafiaj na wspóln listw przyłczeniow, a nastpnie przez przekanik s wprowadzane do systemu. Temperatura jest monitorowana z wykorzystaniem termoelementów typu K, których sygnał jest przekazywany do dwóch przetworników pomiarowych, a nastpnie do kart analogowych sterownika PLC. Za pomoc specjalnie zaprojektowanego i wykonanego przetwornika pomiarowego napicia i natenia prdu system na bieco monitoruje takie parametry, jak: napicie w systemie, natenie przepływu prdu systemu sterowania, Rys.3. Widok prototypowego układu sterowania zasilaniem elektrycznym pojazdu [10] Rys.4. Widok panelu HMI podczas działania systemu [10] 12 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013
natenie przepływu prdu odbiorników, natenie przepływu prdu akumulatora (dwukierunkowo), natenie przepływu prdu prdnicy, natenie przepływu prdu termogeneratora, napicie poszczególnych wierszy termoogniw w termogeneratorze, temperatur powierzchni termogeneratora. Informacje z przetwornika przekazywane s do analogowej karty wejciowej sterownika PLC za pomoc sygnału 0 10 V, a nastpnie ponownie przetwarzane - do wartoci rzeczywistych, i wprowadzane do algorytmu sterujcego. Pozostałe elementy systemu to blok przekaników, wyłczników nadprdowych oraz bloki listw przyłczeniowych. W utworzonym stanowisku badawczym siedmiocalowy panel dotykowy pełni funkcj interfejsu HMI oraz monitora stanu systemu, a opracowana aplikacja programowa umoliwia: wizualizacj poziomu przepływajcej energii, manualne sterowanie załczeniem odbiorników energii elektrycznej, wywietlanie parametrów systemu oraz jego poszczególnych podzespołów, wywietlanie alarmów i ostrzee. Główny ekran panelu HMI (rys. 4) składa si z trzech czci. ródła energii elektrycznej znajduj si po lewej stronie, natomiast odbiorniki energii elektrycznej po prawej. Centralnie znajduje si blok symbolizujcy system sterowania energi elektryczn, w którym s wywietlane wartoci najwaniejszych parametrów procesu. Przepływ energii elektrycznej jest sygnalizowany za pomoc ruchomych strzałek. Dodatkowo wprowadzono rozrónienie rodzaju energii elektrycznej kolorem pomaraczowym jest oznaczona energia generowana z prdnicy, natomiast energia z akumulatora oraz ze ródła alternatywnego (rekuperatora) - kolorem zielonym. Załczenie poszczególnych ródeł odbywa si samoczynnie, zgodnie z zaimplementowanym algorytmem działania systemu sterowania. Odbiorniki załczane s manualnie, za pomoc przełczników dwigniowych. Poza ekranem głównym w panelu znajduj si jeszcze ekrany pomocnicze, na których znajduj si informacje w postaci tekstowej, jak równie w postaci graficznej (wykresy zmian temperatury oraz napicia i natenia prdu), oraz lista alarmowa. Na osobnym ekranie s wywietlane parametry generatora termoelektrycznego (napicia poszczególnych wierszy modułów termoelektrycznych), z sygnalizacj stanów ostrzegawczych i alarmowych, generowanych przez blok diagnostyczny układu sterowania. Układ działa w sposób, minimalizujcy wykorzystanie prdnicy, co bezporednio przekłada si na odcienie silnika spalinowego i jednoczesne zmniejszenie iloci spalanego paliwa. Po rozgrzaniu generatora termoelektrycznego, cała wytwarzana przez niego energia elektryczna jest wykorzystywana do zasilania urzdze, bd do ładowania akumulatora. W przypadku wikszego zapotrzebowania na energi elektryczn ni jest w stanie wygenerowa rekuperator, załczana jest prdnica. Z prdnicy jest pobierana jedynie uzupełniajca energia elektryczna, poniewa priorytet wykorzystania ma energia elektryczna z generatora termoelektrycznego. Na rysunku 4 przedstawiono widok panelu operatora podczas działania systemu, z załczonym silnikiem spalinowym, pracujcym na wolnych obrotach, bez obcienia. Mimo, e termogenerator nie jest jeszcze rozgrzany ( T = 55 C, przy moliwym T max 150 C), generowany jest prd o nateniu 0,5 A. Przy załczonych dwóch dodatkowych odbiornikach o mocy sumarycznej około 45 W, ze wzgldu na niewystarczajc ilo energii elektrycznej pobieranej z generatora termoelektrycznego, układ sterowania załczył prdnic. Z uwagi na stan naładowania akumulatora (19 Ah, 24 V) na poziomie 94%, kontroler ładowania kieruje do akumulatora niewielki ładunek elektryczny. Na panelu na bieco s wywietlane informacje ostrzegawcze i stany alarmowe. Na ekranie przedstawionym na rysunku 4 zasymulowano ponadto awari 7. wiersza termoogniw, przez jego odłczenie od układu sterowania. 4. Technika MPPT Wykorzystanie energii elektrycznej, uzyskanej z termogeneratora, wymaga odpowiedniego jej kondycjonowania do wymaga układu sterowania oraz do ładowania akumulatora. W tym celu s stosowane przetwornice i kontrolery ładowania. Z uwagi na nierównomierne ogrzewanie powierzchni generatora termoelektrycznego (zjawiska zwizane z ochładzaniem spalin na długoci rdzenia) poszczególne wiersze modułów termoelektrycznych osigaj rón wydajno. W przypadku równoległego połczenia poszczególnych wierszy termoogniw uzyskiwana z nich moc jest uredniana. W zwizku z tym stało si konieczne zastosowanie urzdze, zapewniajcych jak najwikszy stopie odzyskania energii. Technika MPPT jest nowym rozwizaniem, stopniowo wprowadzanym na rynek w regulatorach ogniw fotowoltaicznych [1, 3]. Z uwagi na charakter działania, regulatory MPPT mona równie stosowa do regulacji wartoci rezystancji obcienia modułów termoelektrycznych. Połoenie punktu maksymalnej mocy generatora na charakterystyce prdowonapiciowej termoogniwa zaley od rónicy temperatur i obcienia. Ze wzgldu na zmienno tych wielkoci MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 13
podczas pracy pojazdu (maszyny) niezbdne jest stałe ledzenie punktu maksymalnej mocy. Technika MPPT polega na wprowadzeniu do regulatora ładowania akumulatora sterowalnej przetwornicy DC/DC, która - w połczeniu z odpowiednim algorytmem wyszukiwania punktu mocy maksymalnej - zapewnia odpowiednie dopasowanie energetyczne modułów termoelektrycznych do obcienia, jakim w tym przypadku jest akumulator. Przy okrelonej wartoci rónicy temperatury na powierzchniach generatora termoelektrycznego, istnieje jeden punkt, odpowiadajcy mocy maksymalnej modułu termoelektrycznego. W celu wykorzystania maksymalnej mocy, moliwej do uzyskania z generatora, naley dy do takiego dopasowania rezystancji obcienia, które zapewni prac układu w tym punkcie. Ta zasada jest nazywana elektrycznym ledzeniem maksymalnego punktu mocy (MPPT). W przypadku jakichkolwiek zmian warunków temperatury, do ledzenia niezbdna jest odpowiednia regulacja rezystancji obcienia. Istnieje kilka algorytmów ledzenia punktu maksymalnej mocy, jednak najczciej jest stosowana metoda oparta na zasadzie P&O (Perturb and Observe), w której ekstremum lokalne osiga si stosujc technik wspinaczkow, gdzie kolejne kroki okrela si na podstawie oceny zachowania si funkcji celu w kadym kolejnym wykonanym kroku. Do sygnału kontrolnego konwertera s wprowadzane okresowe perturbacje, przy jednoczesnym obserwowaniu ich wpływu na moc generatora. Jeli chwilowa warto mocy jest wiksza ni poprzednia, wprowadzone zakłócenie jest okrelane jako krok we właciwym kierunku (tabela1). W przeciwnym przypadku kierunek zakłócenia jest odwracany [2]. bezobsługowe akumulatory 12 V o pojemnoci 5 Ah kady. Widok układu pomiarowego zaprezentowano na rysunku 6. Rys.5. Wykres obrazujcy ledzenie punktu maksymalnej mocy ródła [6] Rys.6. Widok laboratoryjnego układu pomiarowego [10] Wyznaczono rzeczywiste wartoci mocy ródła, mocy oddanej do akumulatora, sprawnoci kontrolera oraz analitycznie - teoretyczne wartoci natenia prdu, mocy i sprawnoci ładowania, bez zastosowania kontrolera MPPT. Tablica stanów kontrolera MPPT [2] Tabela 1 Zaburzenie Zmiana mocy Nastpne zaburzenie dodatnie dodatnia dodatnie dodatnie ujemna ujemne ujemne dodatnia ujemne ujemne ujemna dodatnie Punkt pracy osiga wierzchołek krzywej P-U i nastpnie oscyluje wokół niego (rys. 5). W ramach prowadzonych prac zbudowano kontroler ładowania akumulatora z funkcj poszukiwania maksymalnego punktu mocy. W celu zweryfikowania działania i przydatnoci kontrolera do zastosowania w systemie sterowania, przeprowadzono jego badania laboratoryjne. Jako ródła napicia uyto zasilacza laboratoryjnego z regulowanym napiciem wyjciowym w zakresie 0 30 V DC, 3 A. Zasilacz został podłczony do kontrolera MPPT szeregowo, przez płytk testow, umoliwiajc nastawianie zmiennej rezystancji ródła. Do wyjcia kontrolera podłczono szeregowo dwa Rys.7. Zestawienie rzeczywistej mocy oddanej do akumulatora oraz mocy teoretycznej w zalenoci od napicia ródła, przy rezystancji ródła 1,9 Ω [10] Z wykresu przedstawionego na rysunku 7 wynika, e kontroler MPPT oddaje moc do akumulatora przy znacznie niszych napiciach ródła, ni byłoby to 14 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013
w przypadku bezporedniego podłczenia ródła do akumulatora. Zwizane jest to z faktem ładowania akumulatora przy wyszym napiciu ródła od napicia samego akumulatora. Dlatego na wykresie moc teoretyczna generowana jest dopiero powyej napicia o wartoci 25 V. Kontroler MPPT rozpoczyna ładowanie znacznie wczeniej, dziki wbudowanej przetwornicy DC-DC, podwyszajcej napicie na wyjciu. Moc oddawana do akumulatora generowana jest ju od napicia ródła na poziomie 10 V. Warto mocy teoretycznej zblia si do wartoci mocy oddanej dopiero przy najwyszych napiciach (od 28 V). Rys.9. Schematy przepływów spalin i cieczy chłodzcej na stanowisku badawczym [10]: 1 chłodnica wody silnika, 2 silnik spalinowy, 3 rekuperator, 4 turbosprarka, 5 filtr powietrza, 6 wentylator chłodnicy Zmiana konfiguracji stanowiska polegała na zastpieniu typowego układu wylotowego spalin rekuperatorem energii, przez którego gorc cz przepływaj spaliny, natomiast obie chłodnice rekuperatora s podłczone do układu chłodzenia. Stanowisko badawcze z zamontowanym generatorem termoelektrycznym oraz układem sterowania, przedstawiono na rysunku 10. Rys.8. Wykres przyrostu mocy oddanej do akumulatora [10] Sprawno kontrolera MPPT, przy napiciach ródła wyszych od napicia akumulatora, jest wysza ni 90%, natomiast przy napiciu ródła powyej 29 V sprawno przekracza ju 95%. W przypadku napicia ródła niszego od napicia akumulatora, sprawno przetwornicy waha si od 25% (przy napiciu ródła równym 10 V) do 90% (przy napiciu ródła równym 25 V). Osignite wyniki potwierdziły, e kontroler z zaimplementowanym algorytmem MPPT działa prawidłowo, wykorzystujc jak najwicej mocy ze ródła energii, jakim w tym przypadku był zasilacz laboratoryjny. Przyrost mocy, obliczony jako rónica rzeczywistej mocy oddanej do akumulatora i mocy teoretycznej, w stosunku do mocy maksymalnej, zaprezentowano na rysunku 8. Zastosowanie kontrolera MPPT zwiksza uzyskiwan moc maksymalnie o 16,2%, przy rezystancji ródła na poziomie 1,9 Ω. 5. Stanowisko badawcze Zaproponowana konstrukcja rekuperatora została opracowana w sposób umoliwiajcy jego monta w typowym układzie wylotowym napdu spalinowego. W celu przeprowadzenia bada rekuperatora energii cieplnej, poza opracowaniem konstrukcji samego rekuperatora, niezbdne było zaprojektowanie i wykonanie dodatkowych elementów mocujcych oraz łczcych urzdzenie ze stanowiskiem i poszczególnymi jego instalacjami (rys. 9, na podstawie [8]). Rys.10. Stanowisko badawcze [10] Próby zwizane z pierwszym uruchomieniem stanowiska przeprowadzono bez uycia przekładni redukcyjnej, opartej o konstrukcj SB-102, podłczajc silnik spalinowy bezporednio do silnika elektrycznego. Po sprawdzeniu poprawnoci pracy poszczególnych układów, przystpiono do montau przekładni redukcyjnej w celu umoliwienia obciania silnika spalinowego w pełnym zakresie jego prdkoci obrotowej. 6. Wyniki bada Wyniki prezentowane na rysunku 11 uwzgldniaj energi elektryczn, wygenerowan przez ostateczn wersj rekuperatora [10]. Rozmieszczenie termoogniw w odległociach 20 mm od siebie spowodowało MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 15
zmniejszenie powierzchni bezporedniego kontaktu rdzenia z chłodnicami i tym samym umoliwiło osignicie maksymalnej, dopuszczalnej temperatury pracy termoogniw na poziomie 250 C. Przy temperaturze strony zimnej na poziomie około 110 C zanotowano rónic wartoci temperatury 140 C. Ze wzgldu na brak moliwoci zmniejszenia temperatury w układzie chłodzenia, jest to najwysza, moliwa do uzyskania w danych warunkach, rónica wartoci temperatury. W tych warunkach rekuperator wygenerował około 67 W mocy elektrycznej, przy zastosowaniu 56 termoogniw typu TEC1-1. Analiza wyników poszczególnych bada umoliwiła wprowadzenie zmian, zwikszajcych wydajno rekuperatora. Rekuperator w ostatniej wersji wygenerował 67 W mocy elektrycznej, przy maksymalnej, moliwej do uzyskania w danych warunkach, rónicy wartoci temperatury, wynoszcej 140 C. Stosunkowo niewielka wygenerowana moc w porównaniu z załoeniami, po przeprowadzeniu bada laboratoryjnych pojedynczych termoogniw, jest zwizana z ograniczeniami, wynikajcymi z wysokiej temperatury w układzie chłodzenia (ponad 100 C), Rys.11. Wykres parametrów V wariantu termogeneratora [10] Rys.12. Wykres działania systemu sterowania zasilaniem [10] 16 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013
uniemoliwiajcej osignicie wikszej rónicy wartoci temperatury. Ponadto utrudnieniem jest nierównomierny rozkład temperatury na powierzchniach kolektora im dalej od wlotu spalin, tym nisza temperatura powierzchni zewntrznej. cile okrelony zakres napicia elektrycznego, przy którym mog pracowa urzdzenia podłczone do systemu sterowania (w tym m.in. akumulator), powoduje, e wykorzystanie energii elektrycznej uzyskanej z termogeneratora wymaga odpowiedniego dopasowania. Ponadto, z uwagi na nierównomierne ogrzanie powierzchni termogeneratora (zwizane z ochładzaniem spalin na długoci rdzenia) poszczególne wiersze termoogniw osigaj rón wydajno. W przypadku równoległego połczenia poszczególnych wierszy termoogniw, uzyskiwana z nich moc jest uredniana, tzn. wydajniejsze termoogniwa pracuj na te mniej wydajne. Z tego powodu zastosowano opisane wczeniej kontrolery ładowania z funkcj poszukiwania maksymalnego punktu pracy (MPPT). Na rysunku 12 zaprezentowano parametry rekuperatora przy połczeniu 2:1, czyli dwa szeregowo połczone wiersze termoogniw do osobnego kontrolera MMPT. Rozgrzewanie generatora skutkuje wzrostem natenia prdu. Warto uzyskanej mocy wystarcza na pokrycie zapotrzebowania systemu oraz na doładowanie akumulatora (ładowanie zaznaczono ujemn wartoci natenia prdu akumulatora). Po osigniciu maksymalnej wydajnoci kontroler poszukuje maksymalnego punktu mocy, zmieniajc rezystancj, co przy stałym napiciu ma odzwierciedlenie w wartoci natenia prdu termogeneratora (wahania). W trakcie próby wprowadzono chwilowe zakłócenie, w postaci dodatkowego odbiornika energii elektrycznej. Spowodowało to wzrost sumarycznej wartoci natenia prdu odbiorników do wartoci, przekraczajcej moc uzyskiwan z termogeneratora i, jednoczenie, spadek wartoci natenia prdu ładowania akumulatora, a nastpnie pobór energii z akumulatora. Po odłczeniu dodatkowego odbiornika (pozostał tylko sam system sterowania), parametry powracały do poprzednich wartoci. Pod koniec badania, stopniowo podłczano kolejne odbiorniki. Wyłczenie silnika spalinowego ma odzwierciedlenie w płynnym spadku natenia prdu termogeneratora oraz skutkuje wzrostem natenia prdu akumulatora, który pokrywa zapotrzebowanie odbiorników na energi elektryczn. W trakcie badania zarejestrowano maksymalne parametry systemu sterowania energi elektryczn, które zostały przedstawione w tabeli 2. Uwzgldniajc wyniki bada generatora termoelektrycznego oraz wyniki bada laboratoryjnych układu MPPT, wyznaczono przyrost energii termogeneratora przy zastosowaniu kontrolera z algorytmem poszukiwania maksymalnego punktu mocy. Wzrost wydajnoci o ponad 16% zwizany jest z maksymalnym wykorzystaniem mocy z kadej z 7 grup termoogniw przez kontrolery MPPT i zsumowaniem energii dostosowanej do parametrów układu sterowania. Badania systemu sterowania zasilaniem elektrycznym z wykorzystaniem układu rekuperacji odpadowej energii cieplnej wykazały jego prawidłowe działanie, zarówno w przypadku normalnej pracy, jak i stanów awaryjnych. System moe by zainstalowany na dowolnej maszynie z silnikiem spalinowym, w której istnieje moliwo zastosowania układu chłodzenia, zapewniajcego odpowiedni rónic wartoci temperatury, niezbdnej do działania generatora termoelektrycznego. 7. Podsumowanie W niniejszym artykule przedstawiono zagadnienia zwizane z projektowaniem, budow i przeprowadzaniem bada innowacyjnego systemu sterowania zasilaniem elektrycznym pojazdu z zaimplementowanym układem rekuperacji energii cieplnej. W pocztkowych etapach bada utworzono kilka koncepcji rekuperatora. Na podstawie analizy cech poszczególnych rozwiza wytypowano najkorzystniejsze z nich, a nastpnie utworzono model 3D, który był podstaw dalszych prac. Zestawienie parametrów systemu sterowania energi elektryczn [10] Parametr Napicie systemu Natenie prdu generatora termoelektrycznego (MPPT) Moc generatora termoelektrycznego (MPPT) rednie natenie prdu pojedynczego wiersza (MPPT) rednia moc pojedynczego wiersza (MPPT) Moc generatora termoelektrycznego (bez MPPT) Warto 26,2 V 2,98 A 78,1 W 0,213 A 5,58 W 67 W Sprawno MPPT (przy rezystancji 8-10 Ω i napiciu ok 26 V) 92% Wzrost wydajnoci 16,5% Tabela 2 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 17
W wyniku prowadzonych prac rozszerzono moliwoci badawcze stanowiska do testowania napdów spalinowych, znajdujcego si w hali badawczej Instytutu Techniki Górniczej KOMAG. Przeprowadzenie odpowiednich modyfikacji umoliwiło zabudowanie generatora termoelektrycznego w układzie wylotowym silnika spalinowego. Badania rekuperatora miały na celu okrelenie jego maksymalnej wydajnoci w warunkach zblionych do rzeczywistych. Przeprowadzono łcznie siedem serii pomiarowych z zastosowaniem piciu wariantów rekuperatora. Ostateczna wersja rekuperatora umoliwiła uzyskanie 67 W mocy elektrycznej, przy zastosowaniu jednego typu modułów termoelektrycznych, zabudowanych bezporednio na powierzchni kolektora spalin. Wykorzystanie energii elektrycznej uzyskanej z termogeneratora wymaga odpowiedniego jej kondycjonowania do wymaga układu sterowania oraz do ładowania akumulatora. Zaprojektowano i zbudowano kontroler napicia, z algorytmem poszukiwania maksymalnego punktu mocy ródła, na bazie układu SPV1020. Przedstawiono stanowisko laboratoryjne oraz przebieg i wyniki bada laboratoryjnych zbudowanego kontrolera MPPT. Badania laboratoryjne umoliwiły wyznaczenie zbioru wielkoci, pozwalajcych okreli takie parametry, jak sprawno kontrolera oraz spodziewany wzrost wydajnoci przy jego zastosowaniu. Wszystkie działania zmierzały do utworzenia dowiadczalnego systemu sterowania energi elektryczn, wykorzystujcego energi odzyskan z termogeneratora. System sterowania utworzono na bazie sterownika PLC, w którym zaimplementowano opracowany algorytm sterowania. Zaprezentowano struktur systemu sterowania, w którym wanym elementem, łczcym generator termoelektryczny z układem zasilania 24 V, s kontrolery MPPT. System, wraz z generatorem termoelektrycznym, został poddany badaniom na stanowisku do badania parametrów silnika spalinowego. Podczas bada przetestowano kilka wariantów podłczenia termoogniw do systemu sterowania. Najkorzystniejsze wyniki uzyskano przy połczeniu 2:1 (dwa wiersze termoogniw do osobnego kontrolera MPPT). Uwzgldnienie wyników bada laboratoryjnych oraz bada termogeneratora umoliwiło wyznaczenie wpływu zastosowania układu z algorytmem MPPT na wydajno termoogniw. Zastosowanie tego typu układów zwikszyło wydajno o ponad 16%. Testowano równie poprawno działania systemu sterowania i sposób reakcji systemu na wymuszenia, takie jak załczenie odbiorników energii elektrycznej, załczanie i rozgrzewanie silnika. System prawidłowo sygnalizował wystpienia stanów awaryjnych. Wizualizacja przepływu energii elektrycznej, z uwzgldnieniem stopnia naładowania akumulatora, wyznaczanego szacunkowo według iloci pobranej energii elektrycznej, ułatwi operatorowi kontrol nad systemem. Przeprowadzono badania ostatecznej wersji systemu sterowania wraz z generatorem termoelektrycznym, w warunkach zblionych do rzeczywistych na stanowisku do badania silników spalinowych. Wdroenie systemu wymaga dalszych bada oraz prac projektowych, zmierzajcych do implementacji prototypu w rzeczywistej maszynie. Badania na podstawie których został opracowany niniejszy artykuł, były finansowane ze rodków Narodowego Centrum Nauki, w ramach projektu badawczego promotorskiego nr N N502 714940 pt. Sterowanie zasilaniem elektrycznym maszyny górniczej z zastosowaniem układu rekuperacji energii. Literatura 1. Dobrzaniecki P. i in.: Doskonalenie napdów spalinowych w aspekcie podnoszenia bezpieczestwa i niezawodnoci. Uruchomienie i badania stanowiska do bada napdów spalinowych. ITG KOMAG Gliwice 2011 (materiały nie publikowane). 2. Faranda R., Leva S.: Energy Comparison of MPPT Techniques for PV Systems. WSEAS Transactions on Power Systems, Issue 6, Volume 3, June 2008. 3. Grzesiak W., Radziemska E.: Technika MPPT sposobem maksymalizacji wykorzystania energii elektrycznej generowanej przez moduły fotowoltaiczne. Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, vol. 51, nr 5 (2010), 42-49. 4. Jiang J.A., Huang T.L., Hsiao Y.T., Chen C.H.: Maximum Power Tracking for Photovoltaic Power Systems. Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 8, No 2, p.147-153, 2005. 5. Koczwara J., Wieczorek K.: Bezpieczestwo operatorów samojezdnych maszyn górniczych na tle bezpieczestwa w kopalniach KGHM Polska Mied S.A., Materiały I Midzynarodowego Kongresu Górnictwa Rud Miedzi, Lubin 2009. 6. Lozbin V., Wójcik W., Bylicki P., Zyska T.: Zastosowanie efektu Peltiera do diagnostyki termoelementów. Politechnika Lubelska, Lublin 2011. 7. Nota aplikacyjna SPV1020. 8. Poprawski R., Misiewicz J.: Zjawiska termoelektryczne wstp. Instytut Fizyki Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001. 9. Woszczyski M.: Badania dowiadczalne i weryfikacja parametrów termogeneratorów półprzewodnikowych do budowy układu rekuperacji energii 18 MASZYNY GÓRNICZE 4/2013
cieplnej. W: Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa. Bezpieczestwo - Efektywno Niezawodno. KOMTECH 2011, ITG KOMAG, Gliwice 2011, s. 127-138. 10. Woszczyski M.: Sterowanie zasilaniem maszyny górniczej z zastosowaniem układu rekuperacji energii. Praca doktorska. Politechnika lska, 2013. Artykuł wpłynł do redakcji w listopadzie 2013 r. MASZYNY GÓRNICZE 4/2013 19