Оценка использования маховичных (кинетических) накопителей энергии в электроэнергетических системах железных дорог и метрополитенов

Тема повышения эффективности энергопотребления никогда не утратит своей актуальности. Особенно остро данные вопросы поднимаются в системах энергоснабжения электрифицированного транспорта. Использование накопителей энергии (НЭ) выступает в качестве комплексного решения ресурсо-энергетической экономии, как в электроэнергетических системах общего назначения [1, 12], так и в системах собственных нужд тяговых подстанций (ТП) [2], так и в системах тягового электроснабжения (СТЭ) рельсового транспорта [9, 10, 18, 19]. В электроэнергетической системе железных дорог и метрополитенов могут использоваться несколько типов накопителей энергии. Так, например, на электроподвижном составе (в бортовом исполнении) могут быть использованы только емкостные НЭ [13, 14, 15, 17] и аккумуляторные батареи. В СТЭ на ТП [3, 8] и в тяговой сети [4] могут быть использованы аккумуляторные батареи, емкостные и маховичные (кинетические) НЭ. Одним из перспективных решений в этой области представляется использование кинетических накопителей энергии на базе высокоэнергоемких маховиков. Маховики как буферные устройства начали использоваться ещё во времена неолита, например, в устройстве гончарного круга. В XX веке маховик претерпел ряд конструктивных изменений, позволивших запасать энергию на значительное время.  В 1964 году советский инженер Нурбей Владимирович Гулиа заявил авторские права на первую конструкцию маховика. Изначально ученый планировал применить маховик как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта. За десятки лет Гулиа изобрёл множество усовершенствований, обеспечивающих высокую ёмкость и безопасность конструкции.

Устройство маховичного накопителя энергии представлено на рисунке 1, где изображена его принципиальная конструктивная схема.

Рисунок 1. Конструктивная схема маховичного накопителя энергии

Маховик накопителя (рисунок 1), состоящий из обода 1, ступицы 2 и соединяющего их конического диска 3, помещены в корпусе 4, в котором вал 5 маховика, закрепленный в осевом направлении в подшипниках 6 и 7 вывешен относительно корпуса 4 на магнитной подвеске, включающей неподвижные магниты 8 и 9, закрепленные на корпусе 4, и подвижные магниты 10, закрепленные на валу 5. При этом подвижные магниты 10 притягиваются к верхнему неподвижному магниту 8 и отталкиваются от нижнего неподвижного магнита 9, что видно из обозначения полюсов магнитов на рис.1. Подшипники 6 и7, закрепленные в осевом направлении на валу 5, выполнены с возможностью свободного осевого перемещения в корпусе 4 в определенных пределах, ограниченных размером люфта 11 как минимум в верхней части корпуса 4 упорами 12. На корпусе 4 в зоне, примыкающей к торцу обода 1, находится упор-кольцо 14, например, из изолятора, внутри которого находится электропроводник 13, изолированный от корпуса 4. Люфт 11 выбран такого размера, что на нём сохраняется практически постоянная сила взаимодействия магнитов 8, 9 и 10, уравновешивающая силу тяжести маховика. Маховик накопителя получает вращение от внешнего источника энергии.

В таблице 1 приведены основные характеристики маховичной системы накопления энергии.

                  Таблица 1.

Характеристика системы накопления энергии

Принцип работы маховичного накопителя энергии заключается в преобразовании механической энергии в электрическую. Для этого маховичную систему совмещают с обратимой электрической машиной, способной работать и в двигательном, и в генераторном режимах. Когда энергию необходимо накопить, электрическая машина служит двигателем и раскручивает маховик до требуемой угловой скорости, потребляя при этом электрическую энергию от внешнего источника (от рекуперирующего поезда), по сути – преобразуя энергию электрическую – в энергию механическую (кинетическую). Когда же накопленную энергию нужно отдать в нагрузку, электрическая машина переходит в генераторный режим, и механическая энергия отдается, маховик при этом замедляется.

Маховичный накопитель энергии имеет ряд преимуществ. К ним относятся высокое количество циклов «заряд-​разряд», отсутствие деградации характеристик со временем и простота измерения оставшегося заряда. Теоретически, маховик из высококачественных углеродных нановолокон (однослойных графеновых трубок) способен обеспечить высочайшую плотность энергии - 53,4 кВт-ч/кг. Одно из главных преимуществ систем хранения кинетического накопителя энергии – их сравнительно продолжительный строк эксплуатации, который может достигать 25 лет.

У маховичных систем хранения есть примечательные особенности, касающиеся материла, из которого их изготавливают. Так, если применяется материал с высокой плотностью, то удельная энергоемкость накопителя понижается из-за снижения номинальной частоты вращения. Если же применяется материал низкой плотности, то энергоемкость повышается благодаря повышению частоты вращения, однако при этом усиливаются требования к вакууму, а также к опорам и уплотнениям, кроме того усложняется электрический преобразователь. Лучше всего в качестве материалов для маховиков подходят высокопрочные стальные ленты и волокнистые материалы. Наиболее перспективным материалом является графеновая лента в силу не только приемлемых прочностных и плотностных показателей, но главным образом – благодаря безопасности при разрыве.

Быстрота зарядки / разрядки маховичных накопителей энергии зависит от мощности присоединенных к ним машин. Для целей рекуперации энергии на железнодорожном электротранспорте (например, метрополитене) время зарядки/разрядки связано с торможением/разгоном электропоезда, зависит от логики алгоритмов системы управления накопителем [11], и, в среднем, составляет около 10-15 секунд. Маховичные системы хранения энергии с большой эффективностью могут быть применены для рекуперации энергии торможения на рельсовом транспорте с большой цикличностью движения. Единственная сложность – это крайне затруднительное использование МНЭ на борту транспортных средств за счет гироскопического эффекта. Экономия энергия в этих случаях может достигать 40 % и выше. С успехом эти системы применяются для быстрой зарядки аккумуляторов электротранспорта, стабилизации частоты и мощности в электросетях, в источниках бесперебойного электропитания, в системах электроснабжения для повышения качества энергии [6,7] и пр. Ещё одна область применения – аварийный вывод поездов из тоннелей метро при полной пропаже напряжения в системе первичного электроснабжения [5]. Применение накопителей кинетической энергии позволяет:

• Накапливать энергию торможения и использовать ее для разгона транспортного средства с эффективностью до 40% от общего потребления энергии на тягу [16];
• 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.

Экономический эффект от применения НКЭ:

1. Сокращение средств на применение оборудования высокой мощности и затрат на строительство тяговых подстанций;
2. Снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций, вызванных перегрузками в энергетическом обеспечении;
3. Снижение затрат в случае непредвиденного перерыва электроснабжения тяговой сети, приводящих к остановке ЭПС;
4. Снижение тепловой нагрузки в туннелях и на станциях метро, уменьшение потребления энергии для системы вентиляции и охлаждения.