Диплом (1230913), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Рисунок 2.7 – Схема получения энергии используя гибридный привод на тепловозе
Рекуперативное торможение имеет большое применение на электрическом транспорте. Применение такого вида торможения на тепловозах значительно скажется на экономии энергии, дизельного топлива, экологичности. Преимуществом электрического торможения является значительно меньшая склонность колес к заклиниванию при больших значениях тормозной силы, чем при механическом торможении, и способность к самозащите колес от юза. В этом случае юз, как правило, проявляется в форме частичного проскальзывания колес по рельсу без резкой потери сцепления, как это имеет место при механическом торможении.
3 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ НА ТЕПЛОВОЗАХ
3.1 Потоковая батарея как система накопления
Технология потоковых батарей начиналась в космической отрасли. Потоковая батарея сочетает в себе конструктивные принципы и преимущества традиционных аккумуляторов, топливных ячеек и даже двигателей внутреннего сгорания. Потоковые батареи можно как перезаряжать, так и заправлять новым электролитом. Они не имеют эффекта памяти и не уменьшают емкости с годами. В теории у них нет предела по емкости и мощности. Проблема лишь в том, что до недавнего времени они были крайне неэффективны с точки зрения сочетания всех этих параметров, то есть давали небольшое напряжение и мощность при слишком больших размерах [7].
Потоковая батарея состоит из двух баков: в одном хранится жидкость для окислительной реакции, а в другом для восстановительной. Потоковая батарея представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Потоковая батарея [7]
Топливная ячейка состоит из двух электролитов, разделенных мембраной. Мембрана препятствует смешиванию жидкостей между собой, но не препятствует ионному обмену между электродами. Продукты окислительно-восстановительных реакций удаляются из ячейки вместе с протекающей жидкостью, которая по замкнутому контуру возвращается обратно в бак.
Зарядка и разрядка в потоковой батарее происходят так же, как и в любой другой батарее. Во время работы концентрация электроактивных веществ в баках падает, а во время зарядки растет. Емкость потокового аккумулятора зависит от размеров топливных баков, поэтому потенциал данной конструкции трудно переоценить. При необходимости быстро пополнить заряд жидкость можно просто заменить [7].
3.2 Никель-кадмиевая батарея как система накопления энергии
Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют существенно меньшую область применения, в связи с ужесточением требований относительно экологической стороны использования данных аккумуляторов и их переработки.
Основной областью применения, является использование в виде стандартного гальванического элемента. Крупные никель-кадмиевых батареи широко применяются на электромобилях, как бортовые аккумуляторы в самолётах и вертолётах, в трамваях и троллейбусах. Также данные аккумуляторы используются для питания бытовых инструментов.
Никель-кадмиевые аккумуляторы активно вытесняются другими типами, что привело к тому, что аппаратура использующая данный тип аккумуляторов улучшила свои потребительские свойства. Однако, никель-кадмиевые вместе с никель-металлогидридными аккумуляторами имеют оксидно-никелевый положительный электрод, что определяет схожие свойства этих аккумуляторов.
Никель-кадмиевым аккумуляторам необходим полный разряд, в случае, если его будут использовать, и не полностью разряжать, то на внутренних пластинах элементов образуются кристаллы, которые в значительной степени необратимо снижают ёмкость аккумулятора. Недостатком такого вида аккумуляторов является относительно дорогая стоимость утилизации, по сравнению с другими видами. Утилизация аккумуляторов происходит в печах при очень высоких температурах, в которых кадмий становится чрезмерно летучим, и если на печи не будет оборудован специальный фильтр, который должен улавливать токсичные вещества, испаряемые при плавке, то эти продукты плавления будут отравлять окружающую среду [8].
Зарядка никель-кадмиевых аккумуляторов происходит следующим образом: номинальное напряжение полностью заряженного аккумулятора составляет 1,2 В, разряженного 1 В, это пороговые значения напряжений в которых происходит эксплуатация аккумулятора. Зарядка никель кадмиевых аккумуляторов, стандартна для всех типов аккумуляторов – током равным 10 % ёмкости аккумулятора, в течение примерно 16 часов. Номинальный режим разрядки аккумулятора проходит при токе, равном 20 % от ёмкости. У никель - кадмиевых аккумуляторов довольно большой диапазон рабочих температур составляет от -50 до +40°C. Саморазряд равен примерно 10 % и возрастает с использованием.
Рекомендуется хранить аккумуляторы в разряженном виде, что бы при хранении они не теряли свою ёмкость из-за саморазряда, после зарядки они восстановят свои свойства полностью. Если хранить аккумуляторы при низкой температуре, то это существенно понижает ток саморазряда, который, к примеру, при хранении в среде с температурой в 0°С будет ровно в два раза меньше, чем при хранении с температурой в 20°С [8].
Крайне рекомендуется, после длительного хранения осуществить заряд-разряд аккумулятора, током, который будет равен ёмкости.
Преимущества никель-кадмиевых аккумуляторов:возможность хранения в разряженном состоянии; большое количество рабочих циклов при правильной эксплуатации; работа при низких температурах; приспособленность работать в жестких условиях эксплуатации; низкая стоимость. Недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов: основной недостаток этих аккумуляторов – эффект памяти, токсичность используемых материалов, ток саморазряда относительно велик [8].
3.3 Свинцово-кислотная батарея как система накопления энергии
На данный момент, этот тип аккумуляторов считается наиболее распространённым, нашел широкую область применения как автомобильный аккумулятор.
Принцип действия основан на окислительно-восстановительной электрохимической реакции свинца с диоксидом свинца, находящихся в сернокислотной среде. Во время использования аккумулятора, происходит разряд – на аноде будет происходить восстановление диоксида свинца, а на катоде – окисление свинца. Во время зарядки аккумулятора, будут проходить обратные реакции, с выделением кислорода на положительном электроде, и выделением водорода на отрицательном. На критических значениях, когда происходит зарядка и аккумулятор почти заряжен, может начать преобладать реакция электролиза воды, что приведет к её постепенному исчерпанию. При заряде серная кислота будет выделяться в электролит, что влечет за собой повышение плотности электролита, а при разряде серная кислота будет расходоваться, и плотность будет падать [8].
Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из электродов, разделительных сепараторов, которые находятся в электролите. Сами электроды на вид – это свинцовые решетки, только с разным активным веществом, положительный электрод имеет активное вещество – диоксид свинца (PbO2), отрицательный электрод – свинец.
Ячейка свинцово – кислотного аккумулятора представлена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Ячейка свинцово – кислотного аккумулятора с положительными и отрицательными электродами, разделёнными сепараторами [8]
В отличие от других типов аккумуляторов, свинцово-кислотные относительно устойчивы к холоду, примером служит широкое применение на автотранспорте. Свинцово-кислотный аккумулятор теряет 1 % своей ёмкости на каждый градус отличный от +20°C, что говорит о том, что при 0°C ёмкость свинцово-кислотного аккумулятора будет составлять лишь 80 % его ёмкости. Это обусловлено увеличением вязкости электролита при низких температурах, из-за чего он не может поступать в нормальной степени к электродам, а тот электролит что поступает, быстро истощается. Для большинства аккумуляторов ток зарядки должен быть написан на корпусе, примерно, он может находиться в пределах от 0.1 до 0.3 емкости аккумулятора. Общепринятым считается зарядка аккумулятора 10 % током от его ёмкости, на протяжении 10 часов. Максимальное напряжение при зарядке не должно превышать 2.3 ± 0.023 В на каждый из элементов аккумулятора. Следовательно, для свинцового аккумулятора с напряжением в 12 В, напряжение во время зарядки не должно превышать 13.8 ± 0.15 В [8].
3.4 Выбор системы накопления энергии
Применение аккумуляторных батарей нового типа считается целесообразным на подвижном составе. Среди приведенных типов батарей применяемых на транспорте более технологичными являются потоковые батареи. Основными преимуществами потоковых батареи перед никель-кадмиевыми и свинцово-кислотными являются: отсутствие предела емкости, возможность зарядки электролита, возможность замены электролита. Применение потоковых батарей приведет к экономии дизельного топлива и экологичности такой установки.
4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЕПЛОВОЗАХ
4.1 Компоновка оборудования
Локомотив является сложной технической системой, состоящей из подсистем и элементов, взаимосвязанных между собой для выполнения главной цели – создание управляемой силы тяги. В данном случае для получения силы тяги на гибридном приводе необходимо определить место, занимаемое дизель – генераторной установкой, вычислить сколько места потребуется для гибридной установки и определить массу тепловоза. За основу будет взят самый распространенный тепловоз на Дальнем Востоке 2ТЭ10М [9].
Основные характеристики тепловоза 2ТЭ10М представлены в таблице 4.1
Таблица 4.1. Характеристики тепловоза
| Род службы | грузовой, магистральный |
| Передача | электрическая, постоянного тока |
| Осевая характеристика | 3о-3о |
| Мощность дизеля | 2210 кВт |
| Масса одной секции (служебная) | 138 т |
| Масса одной секции (сухая) | 131,7 т |
| Длительная сила тяги | 245 кН |
| Длительная скорость | 24,6 км/ч |
| Конструкционная скорость | 100 км/ч |
| Нагрузка от колесной пары на рельсы | 226 кН |
Дизель-генераторная установка в тепловозе 2ТЭ10М занимает 6,015 метров. Для освобождения места демонтируем дизель 16ЧН26/26 и установим дизель 8ЧН26/26. Дизель 8ЧН26/26 имеет длину 3,37 метра. Размеры одной секции тепловоза 2ТЭ10М представлены на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Размеры одной секции 2ТЭ10М [9]
Из рисунка 4.1 видно, что дизель-генераторное помещение составляет 8,6 метра. Тем самым, установив дизель 8ЧН26/26, освобождается 5,23 метра для установки системы накопления энергии [10].
Определим объем освобожденного места. Высота тепловоза 2ТЭ10М от оси автосцепки составляет 3,245 метров, ширина тепловоза 3 метра, длина освобожденного места составляет 5,23 метра. Таким образом, объем освобожденного места считается по формуле:
(4.1)
где 
- длина освобожденного места, м;
- ширина освобожденного места, м;
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
