Маховичный накопитель для запасания энергии рекуперации на электрифицированном транспорте Русский сверхпроводник

- накапливать энергию торможения и использовать ее для разгона транспортного средства с эффективностью до 40 % от общего потребления энергии на тягу, - обеспечивать автономный ход и электропитание собственных нужд транспорта в случае пропадания напряжения в контактной сети, - снизить нагрузки на контактную сеть, стабилизировать ее напряжение, компенсируя провалы напряжения в момент разгона нескольких единиц ЭПС, - снизить тепловые потери в контактной сети за счет протекания больших токов при провалах напряжения. Применение накопителей кинетической энергии позволяет:

Экономический эффект от применения НКЭ Экономический эффект от применения НКЭ складывается из факторов: - сокращение средств на применение оборудования высокой мощности и затрат на строительстве тяговых подстанций, - экономия электроэнергии за счет использования энергии торможения, - снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций, вызванных перегрузками в энергетическом обеспечении, - экономия электроэнергии за счет снижения провалов напряжения и протекания больших токов по контактной сети, - снижение затрат в случае непредвиденного перерыва электроснабжения контактной сети, приводящих к остановке ЭПС, - снижение использования реостатов торможения, - снижение тепловой нагрузки в туннелях и на станциях метро, уменьшение потребления энергии для систем вентиляции и охлаждения.

Конструкция и принцип работы НКЭ Электрическая энергия подается на мотор-генератор, раскручивающий «высокоэнергетичный маховик», который накапливает до 24 МДж (до 6,5 кВт*час) энергии. Каждый накопитель энергии комплектуется блоком управления. Когда возникает необходимость, мотор-генератор преобразует накопленную кинетическую энергию обратно в электрический ток. Электрическая энергия Механическая энергия (вращение маховика) Запасение (зарядка) Отдача (разрядка)

Накопители Кинетической энергии (типоряд) НКЭ-3В (12МДж) Масса – 2000 кг. НКЭ-6В (24 МДж) Масса – 3000 кг. НКЭ -В имеют энергоемкость от 4 до 24 МДж НКЭ-1В (4МДж) Масса – 1000 кг. Мощность НКЭ серии В масштабируется в диапазоне кВт

Накопитель кинетической энергии НКЭ-1В (4 МДж) НКЭ-1В с двигателем (мощность 22 кВт) Тормозные резисторы (3 шт.) Инвертор (22 кВт) Блок управления

Накопитель кинетической энергии НКЭ-1 (4 МДж) ПараметрЗначение Напряжение питания~ 3*380 В Ток питания40 А Обороты маховика4000 об/мин Давление2000 Па Время разгона420 с Время торможения360 с Выходное напряжение= 730 В Выходной ток40 А Тип мотор-генератораасинхронный Мощность мотор - генератора 22 кВт Энергоемкость4 МДж (1.1 кВт*часа) КПДДо 97% Срок службыБолее 25 лет Масса800 кг Высота1100 мм Диаметр1200 мм

Накопительные комплексы для запасания энергии рекуперации ЭПС Комплекс из двенадцати НКЭ-6 позволяет накопить 288 МДж (80 кВт*часов) энергии

Комплекс позволяет обеспечивать мощность на уровне 1,5-2,5 МВт для разгона ЭПС до 60 км/час. Комплекс с приведенными параметрами позволяет рекуперировать энергию одновременно двух составов. Кол-во маховичных модулей МассаНапряжен ие питания Обороты маховика Тип электром ашины Мощность электромаши н ЭнергоемкостьВысота*длина*ш ирина кг ~ 3*380 В4000 об/минасинхрон ный 1400 кВт288 МДж 80 кВт*часов 3600*12 000*5500 мм Параметры накопительного комплекса

Режим рекуперации (транспортные системы) Стационарная система рекуперации энергии для электрифицированного железнодорожного транспорта на основе накопителя кинетической энергии Торможение Запасение Отдача

Возможности применения НКЭ с подвижным составом Производитель вагонаМетровагонмаш Технические данные Напряжение = 825 В Выходная мощность4*114 кВт Ускорение1,2 м/с 2 Масса 8 вагонов272 тонн Торможение1,1 м/с 2 Система тягиконтакторно-реостатная Тормозная системареостатная

Расчет числа накопителей на 1 платформу Состав (8 вагонов, тара) – кг. Кол-во пассажиров (2400 чел) – кг. Общая масса – кг. А движ. = m (v 2 н – v 2 к ) / 2 = 65,3 МДж V н = 0 м/с V к = 17 м/с Общее количество НКЭ-3В (рабочая энергоемкость 10 МДж) 65,3 МДж / 10 МДж 7НКЭ (для однопутного варианта) Запасенной энергии рекуперации хватит для разгона полного состава от 0 км/час до 60 км/час за секунд Энергия рекуперации метропоезда

Расчет экономических показателей на 1 платформу За рабочий день через станцию проходит 1350 составов в обе стороны Общий объем запасаемой энергии рекуперации метропоездов в сутки : ,4 кВт*часов Цена потребленной электроэнергии из расчета 3 рубля за 1 кВт*час составляет ,5 рублей в сутки Общая экономия в год с одной станции составляет ,5 рублей. Запасаемая энергия полного состава 65,3 МДж 18,1 кВт*часов В Москве аналогичных платформ 188 Экономия за год: 5,041 млрд. рублей

Экспериментальные исследования динамического накопительного комплекса в режиме рекуперации энергии подвижного состава (электрички).

Моделируемая система Была смоделирована система энергоснабжения электроподвижного состава: контактная сеть + НКЭ. Режим движения ЭПС : ЭтапВремя этапа, с Торможение ЭПС с выдачей энергии в сеть на НКЭ 40 Стоянка ЭПС (хранение энергии)20 Разгон ЭПС (выдача энергии)40

Блок-схема испытательного стенда 1.Вакуумметр 2.Форвакуумный насос 3.НКЭ 4.Энкодер 5.Инвертор 6.Амперметр 7.Вольтметр 8.Амперметр 9.Вольтметр

НКЭ на стенде в ходе испытаний

Испытание, моделирование режима рекуперации Обороты маховика Ток в моторе Напряжение звена пост. тока ЭтапВремя этапа, с Торможение ЭПС с выдачей энергии в сеть на НКЭ 40 Стоянка ЭПС (хранение энергии) 40 Разгон ЭПС (выдача энергии) 40 Рекуперация Стоянка Разгон

1.Испытания показали успешную работу НКЭ в режиме рекуперации энергии подвижного состава. 2.Соединение НКЭ с контактной сетью осуществлялось через инвертор. 3.Экономия энергии при разгоне одного метропоезда составляет 18,1 кВт*часов. На станциях Филевской линии в сутки проходит 1350 поездов. 4.На территории Москвы 188 станций метро. 5.Годовая экономия электроэнергии по Москве составит ~1,68 млрд. кВт*час или свыше 5 млрд. руб. 6.Предварительный расчет показывает окупаемость одного комплекса НКЭ в течение менее 1 года. 7.Срок службы НКЭ составляет 20 лет. Выводы