диплом (1230930), страница 4
Текст из файла (страница 4)
NanoFlowcell AG, немецкая компания основанная в 1991 году специализированная на создании электроматоров с потоковыми батареями. Данная компания в 2014 году привезла на автовыставку в Женеву свой первый экологически чистый прототип «Quant e-Sportlimousine» с впечатляющими показателями технических характеристик — пробег более 300 километров без подзарядки и разгон с места до 100 км/ч менее 3 секунд. 
Рисунок 11 Quant e-Sportlimousine
В 2015 году, тоже в Женеве производитель показал уже два новых автомобиля — схожий с первым «Quant F» и более компактный «Quantino» — оба яркие по дизайну и с дверьми открывающимися по типу крыло чайки. Последний 3,9-метровый компакт может проехать без подзарядки до 1000 километров.
Рисунок 12 Quant F
Разработчики особенно подчеркивают, что ни один другой электромобиль не может похвастаться схожими характеристиками. Фокус – в использовании так называемых потоковых батарей. Технология потоковых батарей уходит корнями в космическую отрасль: впервые подобный источник энергии был запатентован NASA в 1976 году и предназначался для обеспечения энергией космических аппаратов. Он сочетает в себе конструктивные принципы и преимущества традиционных аккумуляторов, топливных ячеек и даже двигателей внутреннего сгорания.
Потоковые батареи можно как перезаряжать, так и мгновенно заправлять новым электролитом, словно бензином. Они не имеют эффекта памяти и не уменьшают емкости с годами. В теории у них нет технологического предела по емкости (зависит от объема «топливных» баков) и мощности (зависит от размеров реактора). 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.
Специалисты nanoFlowcell утверждают, что им удалось упаковать в литр электроактивной жидкости небывалое количество энергии с помощью нанотехнологий. Состав «топлива», технология его производства и конструкция энергетической ячейки, разумеется, держатся в строжайшем секрете. Чтобы разобраться, как работают современные потоковые батареи, стоит освежить в памяти принцип действия более простых источников энергии. Напомним, что в самом простом гальваническом элементе, например пальчиковой батарейке, анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод) разделены электролитом — раствором, проводящим электрический ток за счет подвижности содержащихся в нем ионов. На поверхности анода протекает реакция окисления, в ходе которой высвобождаются положительные ионы и свободные электроны. На поверхности катода идет реакция восстановления, протекающая с поглощением свободных электронов и положительных ионов. При этом положительные ионы движутся от анода к катоду через электролит, а отрицательные — через нагрузку: электромотор, лампу или иную электрическую схему. В самых простых угольных батарейках цинковый стакан, который служит анодом, постепенно растворяется, отдавая ионы и электроны. В перезаряжаемых аккумуляторах процессы окисления и восстановления обратимы. К примеру, в литий-ионных элементах положительно заряженные ионы лития переходят от катода к аноду при зарядке и от анода к катоду при разрядке. Независимо от характеристик, большинство привычных для нас батареек и аккумуляторов роднит замкнутая конструкция. В их закрытом корпусе содержатся и электроды, и электролит, и запас электроактивных элементов (поставщиков расходных материалов для реакций), в роли которых, как правило, выступают сами электроды. Это значит, что и мощность, и емкость батареи ограничены размерами ее корпуса. Этого недостатка лишены потоковые батареи, в которых электролит содержит растворенные электроактивные вещества, хранится в отдельных баках и прокачивается насосами через топливную ячейку.
В классической потоковой батарее redox (сокращение от reduction-oxidation, восстановление-окисление) имеется два бака: в одном хранится жидкость для окислительной реакции, в другом — для восстановительной. Топливная ячейка состоит из двух электродов, 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: 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. Мало того, при необходимости быстро пополнить заряд жидкость можно просто
заменить. Это так же просто и удобно, как заправить бензиновый автомобиль. Однако мощность потоковой батареи по-прежнему определяется размерами электродов в топливной ячейке и интенсивностью происходящих на ней реакций. Именно поэтому до недавнего времени перспективы таких источников питания в промышленности, особенно в автомобильной, были не радужными. В 2016 году автомобиль практически полностью готов к запуску в серийное производство. Компания уже сертифицировала Quantino для использования на дорогах общего пользования Европы.
Рисунок 13 Quantino
Таким образом, автомобиль стал первым, одобренным в Европе транспортным средством, использующим силовую установку с низким уровнем напряжения. Модель оснащена четырьмя электромоторами мощностью 34 лошадиных силы каждый, блоком элементов nanoFlowcell(гибрид электрохимических аккумуляторных ячеек и топливных ячеек) и топливными баками с положительно и отрицательно заряженной ионной жидкостью.
Электролиты циркулируют через две отдельные ячейки, в результате чего происходит процесс «холодного горения». Окислительные и восстановительные процессы производят электричество для питания электромоторов.
Разработчики сообщают, что Nanoflowcell Quantino способен проехать без дозаправки до 1000 километров или 14 часов без остановки. С места до ста километров в час автомобиль разгоняется за 5 секунд и развивает максимальные 200 километров в час.
Батареи nanoFlowcell работают в 20 раз дольше традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов и в 5 раз дальше литий-ионных. При этом жидкость, которой заправлен Quantino, не токсична и не огнеопасна.
Компания сообщает, что Quantino как никогда близок к серийному производству, но решение о его выпуске на рынок пока не принято. NanoFlowcell предрекает своей технологии потоковых батарей большое будущее. Их простая конструкция, масштабируемость и эффективность позволят применять их не только в электрокарах. По мнению компании, они с успехом могут быть задействованы во всех видах транспорта, включая железнодорожный.
2.2.2 Обзор суперконденсатора
Современный мир портативных электронных устройств, гаджетов, гибридного транспорта, железнодорожного транспорта, требует всё более эффективных методов накопления и хранения электрической энергии. Традиционными источниками энергии для этих применений являлись конденсаторы и батареи. Однако ни один из них не лишен недостатков Так, конденсатор демонстрирует высокую скорость зарядки и разрядки (т.е. обладает значительной удельной емкостью), но при этом не способен запасать большого количества энергии.
Аккумулятор, в свою очередь, имеет большую емкость, но небольшая скорость перезарядки не позволяет развить значительную мощность. К тому же, аккумулятор демонстрирует ограниченное число циклов заряда-разряда.
Проблемы этих приборов позволяет решить достаточно новый тип устройств – суперконденсаторы, который сочетает в себе емкостные характеристики батарей, мощностные характеристики конденсаторов, и при этом демонстрирует продолжительный жизненный цикл.
Суперконденсатор – это электрохимический источник тока, накопление заряда в котором происходит на границе электрод-электролит.
В настоящее время для увеличения емкости суперконденсаторов активно используются всевозможные структуры углерода – нанотрубки, графен и т.д. И, не смотря на то, что на рынке уже есть суперконденсаторы на основе углеродных нанотрубок, такие устройства не лишены недостатков. Во-первых, наблюдается срастание нанотрубок между собой в результате многократной перезарядки, что приводит к неконтролируемому изменению рабочих характеристик прибора во время работы. А во-вторых, термический бюджет процесса синтеза (температура около 800С) УНТ не позволяет использовать их в интегральной технологии.
В качестве решения предлагается использовать альтернативные материалы электродов. На данный момент исследованы и созданы технологии низкотемпературного (температура около 300С) синтеза углеродных структур в виде наностолбиков и электрохимического выращивания наноструктурированного золота. Подобные структуры не только не уступают углеродным нанотрубкам по рабочим характеристикам, но и имеют ряд преимуществ. Так, низкая температура синтеза углеродных наностолбиков позволяет включить этот процесс в интегральную технологию микроэлектроники. Суперконденсаторы на основе углеродных наностолбиков можно выполнить в виде планарного устройства, что позволит использовать его в качестве нагрузочной емкости для "гашения" внезапных скачков в напряжении электропитания в интегральных микросхемах и системах управления, что позволит значительно повысить помехозащищенность, срок службы и надежность работы этих систем.
С другой стороны, процесс электрохимического осаждения наноструктурированного золота, несмотря на относительную дороговизну исходного материала, является очень простым и технологичным, что при промышленном производстве позволит снизить цену электродов на их основе до уровня аналогов, при этом подобные суперконденсаторы, в отличие от устройств на основе УНТ, обладают значительно более высокой стабильностью характеристик, благодаря отличным коррозионным свойствам золота. Емкость суперконденсаторов на основе наноструктурированного золота оценивается на уровне тысяч Фарад, что позволит использовать данные устройства для накопления значительного количества энергии для работы гаджетов, автономных систем, электротранспорта.
Вывод: таким образом, следует отметить, что все представленные технологии могут быть использованы при строительстве тепловозов. Однако в сочетании их недостатков можно отметить, что Атомовозы имеют существенный недостаток это отсутствие полной безопасности, как в экологическом аспекте, так и в обще человеческом. Использование суперкондерсаторов приведёт к удорожанию производства, что повлечёт за собой нерентабельность и банкротство предприятий. Использование газотурбовозов является очень приемлемым во всех отношениях. Но всё таки будущее за технологией nanoFlowcell, так как данная технология даёт возможность выработки тока при протекании ионных жидкостей через систему потоковых батарей, простая конструкция, которых является масштабной и эффективной не нанося вреда окружающей среде. Также можно отметить, что вышеуказанная технология является достаточно экономичной в своём производстве и применении во всех видах транспорта и в железнодорожном в частности.
3. ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПО ВНЕДРЕНИЮ ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОЗА
Целью данного раздела выпускной квалификационной работы является анализ и предложение по внедрению оптимальной системы накопленияи использования энергии электрического торможения тепловоза.
Впервые использование электромоторов была представлена немецкой автомобильной компаниейNanoFlowcell AG на автовыставке в Женеве. представленная модель имела длину 5257 мм – больше чем длиннобазного Мерседеса S-класса. Длина дверей более двух метров, колёсная база длиной 3198мм. При такой длине машина оснащена четырьмя электромоторами, которые развивают пиковую мощность 925 л.с. Номинальная мощность меньше, однако тоже велика – 653л.с. Крутящий момент каждого из четырёх моторов равен 2900 Н/м. Характеризуя данную технологию инженеры - разработчики утверждают, что возможность реализации крутящего момента должна быть ограничена двумя тысячами Н/м. Но и при использовании ограничений динамика разгона высока до 100км/ч достигается за 2,8 секунды. Максимальная скорость движения 380км/ч. Машина оснащена инновационной системой управления вектором тяги. Прогнозируемый запас хода от 400 до 600километров.
Рисунок 14-Quant E
Рассмотрим тепловоз 2ТЭ10М (модернизированный) как возможныйэкземпляр для проведения модернизации по внедрению и использованию электромоторов, работающих на технологии NanoFlowcell
Советский магистральный грузовой тепловоз с секционной мощностью 3000 л.с., строившийся Ворошиловградским тепловозостроительным заводом с 1978 по 1990 год. Модернизированная версия 2ТЭ10В, основным отличием от которого была возможность работы в составе до трёх секций по системе многих единиц. Выпускался в трёх- (3ТЭ10М) и двухсекционном (2ТЭ10М) вариантах. Также в середине 1980-х годов была выпущена партия тепловозов 4ТЭ10С, представляющих собой четырёхсекционные ТЭ10М, приспособленные для работы в условиях холодного северного климата.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
