АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ЛОКОМОТИВАХ

ANALYSIS OF THE USE OF ENERGY STORAGE DEVICES ON LOCOMOTIVES

Yerkashov Yernur

Master's student, Mukhamedzhan Tynyshpayev ALT University, Kazakhstan, Almaty

Aldangarov Begarys

Master's student, Mukhamedzhan Tynyshpayev ALT University, Kazakhstan, Almaty

Аннотация. В статье рассматриваются принципы применения накопителей энергии в тяговом подвижном составе железнодорожного транспорта. Проведен анализ технических решений, влияние накопителей энергии на эксплуатационные показатели локомотивов, экономическую эффективность и перспективы развития. Особое внимание уделено гибридным системам и системам рекуперации энергии торможения.

Abstract. The article discusses the principles of using energy storage devices in traction rolling stock of railway transport. The analysis of technical solutions, the impact of energy storage devices on the performance of locomotives, economic efficiency and development prospects is carried out. Special attention is paid to hybrid systems and braking energy recovery systems.

Ключевые слова: локомотив, накопители энергии, рекуперация, гибридные системы, эффективность.

Keywords: locomotive, energy storage, recovery, hybrid systems, efficiency.

Введение

Рост требований к энергоэффективности и экологичности железнодорожного транспорта стимулирует внедрение новых технических решений в построение тяговых систем локомотивов. Одним из таких решений является применение накопителей энергии (аккумуляторы, суперконденсаторы) для оптимизации использования энергии при движении, рекуперации тормозной энергии и снижения расхода топлива или энергии сети [1–3].

Цель данной работы — провести анализ применения накопителей энергии на локомотивах, оценить их влияние на эксплуатационные и экономические параметры, а также выделить ключевые направления дальнейшего развития.

Основные технологии накопления энергии, применяемые в железнодорожной технике:

Аккумуляторные батареи (АКБ). Химические источники, обеспечивающие высокую плотность энергии при умеренной стоимости [4].

Суперконденсаторы. Обладают высокой удельной мощностью и быстрым откликом, что делает их эффективными при рекуперации тормозной энергии [5].

Гибридные системы. Комбинация АКБ и суперконденсаторов для балансировки плотности энергии и мощности [6].

Принцип работы накопителей в локомотиве основывается на возможности временного хранения энергии, генерируемой при торможении, и её последующего использования для ускорения или работы вспомогательных систем.

Применение накопителей энергии на локомотивах

Рекуперация тормозной энергии. Одной из ключевых функций накопителей является сбор энергии, выбрасываемой при торможении. В традиционных системах эта энергия теряется в виде тепла в резисторах. С накопителями часть энергии возвращается в электросистему или сохраняется для дальнейшего использования, что снижает общую энергоёмкость движения [7].

Гибридные системы на дизель-локомотивах. Для дизель-локомотивов внедряются гибридные тяговые установки, где основная двигательная установка работает совместно с накопителями энергии. Это позволяет:

- снизить расход дизельного топлива;

- уменьшить пиковые нагрузки на двигатель;

- снизить выбросы загрязняющих веществ [8].

Применение гибридных систем уже испытано в ряде зарубежных проектов, показав снижение топлива на 10–15 % при комбинированной эксплуатации [1, 3].

Питание вспомогательных систем. Накопители могут использоваться для питания вспомогательных систем локомотива: кондиционирование, освещение, системы управления. Это уменьшает нагрузку на генераторы во время стоянок и манёвров [9].

Положительные эффекты применения накопителей энергии:

Снижение затрат энергии. За счёт рекуперации и комбинированного использования энергии потребление топлива или электроэнергии уменьшается [5, 6].

Снижение износа компонентов. Мягкое распределение пиковых нагрузок на тяговые двигатели и генераторы продлевает их ресурс [3].

Повышение динамики разгона/торможения. Быстрый отклик накопителей улучшает тяговую динамику [4].

Оценочные результаты моделирования показывают снижение удельного расхода топлива и увеличение межремонтных пробегов при корректной интеграции накопителей [3].

Экономическая эффективность применения накопителей складывается из:

- экономии энергетических ресурсов;

- сокращения эксплуатационных расходов;

- уменьшения затрат на обслуживание двигателей и тормозной системы;

- увеличения срока службы ключевых узлов [4].

Срок окупаемости систем рекуперации энергии может варьироваться в зависимости от режима эксплуатации, стоимости энергоресурсов и типа локомотива, но в типовых моделях составляет от 3 до 7 лет при высокой интенсивности движения [6].

Основные ограничения применения накопителей энергии на локомотивах:

Стоимость оборудования. Высокая начальная стоимость суперконденсаторов и аккумуляторов [4].

Массо-габаритные параметры. Накопители требуют дополнительного пространства и массы на борту [5].

Сложность управления. Требуются адаптивные алгоритмы управления потоками энергии [9].

Также технические особенности эксплуатации в экстремальных температурных режимах требуют дополнительной климатической защиты и контроля.

Перспективные направления исследований и внедрения:

- применение твердотельных аккумуляторов с высокой плотностью энергии;

- развитие прогнозной диагностики накопителей для увеличения ресурса;

- интеграция с интеллектуальными системами управления тягой;

- разработка стандартизированных решений для разных классов локомотивов.

Заключение

Применение накопителей энергии на локомотивах — перспективное направление, способное повысить энергоэффективность, уменьшить эксплуатационные затраты и снизить воздействие на окружающую среду. Гибридные системы и рекуперация тормозной энергии уже доказали свою полезность на практике, но требуют дальнейших исследований и оптимизаций для широкого промышленного внедрения.