Что такое рекуперация энергии в современных электромобилях?

Электромобили на городских улицах — давно не редкость, но немногие знают, что в своей работе они используют рекуперацию энергии. Хотя ещё до повсеместного распространения электрокаров рекуперация энергии повсеместно использовалась в трамваях, троллейбусах, электропоездах. В этих транспортных средствах передавалось в контактную сеть выработанное при торможении электричество, которое потом использовалось повторно.

Рекуперация энергии в электрокарах

Что такое рекуперация энергии

Для транспорта, работающего на электроэнергии, ключевым параметром можно назвать запас хода. Чем больше ёмкость аккумулятора, тем дальше машина проедет без подзарядки. Пробег без подзарядки даже важнее, чем максимальная скорость, поэтому производители уделяют батарее пристальное внимание. Но бесконечно увеличивать ёмкость батареи просто невозможно: чем выше становится заряд, тем больше весит аккумулятор. Вот почему идея подзаряжаться в пути кажется очень привлекательной. А здесь мы говорим как раз о рекуперации.

Слово «рекуперация» происходит от латинского «recuperatio» (обратное получение). Это возвращение части потраченной энергии для вторичного применения.

Технология востребована в электрическом транспорте, особенно функционирующем на аккумуляторах. При движении под уклон и при остановке система рекуперации возвращает кинетическую энергию обратно в аккумулятор, происходит его подзарядка. Это даёт возможность машине проехать гораздо больший путь.

Как рекуперация энергии реализована в электромобилях

В современных электрокарах используется технология рекуперации торможения. При движении авто выделяется кинетическая энергия. Если машина тормозит, лишняя кинетическая энергия переходит в тепловую энергию трения. При этом теплота просто уходит в окружающую среду.

При снижении скорости на валу силового агрегата создаётся тормозной момент, происходит выработка электрической энергии, сохраняющейся в аккумуляторе. Накопленная электроэнергия используется для последующего движения машины.

Эффективность рекуперации энергии

Применение рассматриваемой технологии обеспечивает максимально возможную отдачу от каждого заряда аккумулятора, при этом происходит экономия «топлива». Рекуперативное торможение демонстрирует наибольшую эффективность на передней оси авто. Это связано с тем, что до 70 % кинетической энергии при замедлении приходится как раз на переднюю ось.

Эффективность рассматриваемой технологии существенно понижается при низком скоростном режиме. Поэтому для окончательной остановки используются классические тормоза. Две системы работают совместно и управляются бортовым компьютером, который решает следующие задачи:

— контролирует скоростной режим вращения колес;

— поддерживает тормозной момент электромотора, необходимый для остановки автомобиля, и крутящий момент, который нужен для подзарядки аккумулятора;

— перераспределяет тормозные усилия на классическую тормозную систему.

Механически педаль тормоза и колодки не связаны. Решение об остановке принимает бортовой компьютер, проанализировав действия водителя и характер движения машины.

Подведём итоги

Возможность частично использовать потраченную на остановку энергию и последующее развитие технологии в данной сфере позволяет надеяться, что электрокары в дальнейшем будут ещё более эффективными и востребованными. Важно заметить, что рекуперационную технологию используют не только в электромобилях, но и в транспортных средствах, где установлены моторы, работающие на бензине и дизеле (гибриды).

Рекуперация энергии в сеть

На протяжении долгого времени, излишнюю энергию,  накопленную в преобразователях частоты (ПЧ) при торможении ими асинхронных двигателей с высокоинерционной нагрузкой (ПТО, нагрузочные стенды, электротранспорт, намотчики, центрифуги и т.д.), рассеивали на специальных тормозных резисторах.  Это было крайне необходимо для ограничения уровня напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при работе в этих режимах. В противном случае, отказ от использования тормозных резисторов грозил бы выходом преобразователей частоты из строя или невозможностью задания необходимых временных рамп разгона и торможения управляемых механизмов.

Применение тормозных резисторов не сильно влияет на стоимость оборудования систем, однако, влечет за собой ряд определенных неудобств при их проектировании и эксплуатации, а именно: большие габариты тормозных резисторов, разогрев поверхности тормозных резисторов до температуры 100°С и выше, обязательная защита резисторов от попадания пыли и влаги и т.д. Но, самым неприятным в этом случае является то, что излишняя энергия преобразуется в ненужное тепло, за которое предприятие платит деньги. В теплое время года, когда температура в помещениях с технологическим оборудованием и так достаточно высокая, тормозные резисторы, подключенные к ПЧ, способствуют еще большему ее повышению. Это значит, что крайне необходима дополнительная вентиляция помещений или даже их кондиционирование, а это опять дополнительные затраты. Но, ведь можно не рассеивать излишнюю энергию на резисторы, а возвращать ее обратно в питающую сеть, обеспечивая экономию дорогостоящих энергоресурсов. Для этого используются системы рекуперации энергии.

Фактически доказано, что современные преобразователи частоты позволяют значительно сократить энергопотребление оборудования и оптимизировать различные технологические процессы, что в свою очередь ведет к экономии сырья и других ресурсов, а так же способствует улучшения качества конечного продукта. Но, с заменой систем частотного регулирования с использованием тормозных резисторов на системы с использованием рекуперации энергии в сеть, появилась возможность дополнительной экономии. Теперь, энергию, возникающую при торможении двигателей можно возвращать в питающую сеть, осуществляя полную корректировку ее параметров в соответствии с параметрами сети. Ведущие производители промышленного оборудования и механизмов уже широко применяют такие системы, такие системы нашли применение в электротранспорте (электропоезда, трамваи, троллейбусы, эскалаторы).

Немного физики. Для того чтобы накопленную мощность можно было возвращать в источник переменного тока, в качестве входного выпрямителя привода рекуперации используются преобразователи с ШИМ источником напряжения. Теперь поток мощности переменного тока может течь в любую сторону, током можно управлять и получить почти единичный коэффициент мощности. В случае работы преобразователя частоты в режиме рекуперации, каскад IGBT транзисторов (используемый в моторном приводе в качестве выходного каскада) работает как синусоидальный выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянное напряжение для питания системы. При интенсивном торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на звене постоянного тока преобразователя частоты выше определенного уровня, каскад IGBT транзисторов ПЧ генерирует ШИМ — сигнал в сторону сети. Разница напряжений между фазным напряжением ШИМ и сетевым напряжением питания прикладывается к индуктивностям (индуктору рекуперации). Это напряжение содержит много высокочастотных гармоник, которые блокируются индуктивностью и на выходе ПЧ получается синусоидальный ток с малой примесью высших гармоник. Для синхронизации привода рекуперации с сетью не требуется дополнительного оборудования. Определение частоты и угла вектора сетевого напряжения происходит за счет подачи ШИМ — модулятором трех специальных тестирующих импульсов в питающую сеть.

Одним из проверенных и эффективных решений по рекуперации энергии является применение частотных преобразователей Unidrive SP фирмы Control Techniques. Примеры их использования можно увидеть на стендах динамических испытаний автомобилей многих автомобильных заводов (Nissan, Ford, Lamborghini и др.), в металлургии, на эскалаторах, кранах, и т.д. Конфигурация такой системы может иметь несколько видов, но суть ее сводится к одному — организовать двунаправленный поток энергии в источник переменного электропитания и из него. При определении мощностей/ номиналов компонентов системы рекуперации нужно учитывать следующие факторы:

1. Изменение уровня сетевого напряжения

2. Номинальные ток двигателя, напряжение, коэффициент мощности

3. Максимальную мощность нагрузки и условия перегрузки

4. Потери в приводах и других компонентах

 На рис. 1 представлена общая схема система рекуперации при использовании одного моторного привода и одного привода рекуперации. Как правило, для такой системы моторный привод и привод рекуперации имеют одинаковые номиналы. Однако, при детальном расчете может выясниться, что характер нагрузки подразумевает работу моторного привода с перегрузкой, если при этом напряжение питания привода рекуперации находится на нижнем пределе, то он может не покрыть мощность выделяемую моторным приводом и потери в системе. Тогда необходимо использовать привод рекуперации большего номинала.

 

Рис.1 Система с одним приводом рекуперации и одним моторным приводом

На рис.2 представлена общая схема система рекуперации при использовании нескольких моторных приводов и одного привода рекуперации. В таких многоприводных конфигурациях привод рекуперации выбирается таким образом, чтобы выдать суммарную мощность всех моторных приводов, учитывая потери, включая собственные. В этом случае, конечно, нужно учитывать характер нагрузки для каждого моторного привода индивидуально, ведь возможен вариант одновременного торможения всех двигателей системы.

 

Рис.2 Система с одним приводом рекуперации и несколькими моторными приводами

При включении системы с несколькими приводами, объединенными по шине постоянного тока, необходимо ограничивать пусковой ток, поскольку электролитические конденсаторы в звене постоянного тока преобразователей частоты имеют малое сопротивление. Для этого применяется тиристорный выпрямительный модуль SPMC, который подключается контактором для заряда конденсаторов объединенной шины постоянного тока преобразвателей. После обеспечения плавного заряда шины до номинального напряжения, выпрямительный модуль SPMC отключается.

Как видно, система рекуперации предлагаемая Control Techniques может иметь различные конфигурации и может быть спроектирована индивидуально под конкретное применение.

По всем вопросам, касательно данного применения обращайтесь в ООО «Драйвика» по тел. 8 (812) 635 90 30 или Email: [email protected]

| Системы рекуперации энергии

Nortek Air Solutions предлагает как воздухообрабатывающие установки, так и комплексные системы DX с технологиями рекуперации энергии. Наши инновационные системы рекуперации энергии интегрируют передовые технологии и компоненты в конструкцию системы HVAC. Эти системы помогают улавливать энергию воздушного потока, которая в противном случае выбрасывалась бы в атмосферу, и использовать ее либо для предварительного нагрева, либо для предварительного охлаждения наружного воздушного потока, в зависимости от сезона.
Этот предварительный нагрев или предварительное охлаждение может привести к значительной экономии энергии и уменьшению размера центральной установки здания.

Как работает восстановление энергии?

Системы рекуперации энергии используют энергию воздуха в здании, которая обычно выбрасывается для обработки поступающего вентиляционного воздуха. В теплое время года система предварительно охлаждает и осушает поступающий вентиляционный воздух, направляя отработанное тепло в поток отработанного воздуха для охлаждения змеевика конденсатора при более низкой температуре. В более прохладное время года система использует тепло вытяжного воздуха для предварительного нагрева и увлажнения поступающего вентиляционного воздуха.

Мы предлагаем несколько видов технологий рекуперации энергии:

• Вращающиеся колеса. Наши колеса рекуперации энергии воздух-воздух состоят из вращающегося цилиндра, заполненного воздухопроницаемым материалом, между потоками вентиляционного и вытяжного воздуха. Когда колесо вращается, оно забирает тепловую энергию и отдает ее более холодному воздушному потоку. Мы предлагаем индивидуальные блоки с одними из самых больших тепловых колес.

• Плоские теплообменники. Плоские пластинчатые теплообменники состоят из чередующихся слоев пластин, которые разделены и герметизированы сердечником с рекуперацией тепла или энергии, обрабатывающим поступающий воздух. Наши плоские теплообменники предлагаются с тремя вариантами материала подложки — алюминий, полипропилен или тепло-влажность.

Технологии тепловых труб. Тепловые трубы — это воздухо-воздушные теплообменники, состоящие из металлических трубок, заполненных хладагентом (R-134a для большинства коммерческих применений). Технология тепловых трубок предлагает одно из самых надежных решений для сложных применений, где встречаются высокие температуры, требуется низкий коэффициент передачи отработанного воздуха (EATR) или может присутствовать коррозионно-активный и загрязненный воздух с высоким риском загрязнения.

Преимущества систем рекуперации энергии

Наши инновационные системы рекуперации энергии имеют ряд преимуществ, в том числе:

• Улучшение качества воздуха в помещении. Системы рекуперации энергии обеспечивают непрерывный поток кондиционированного свежего воздуха в здание, уменьшая количество твердых частиц в воздухе и тем самым улучшая качество воздуха в помещении.

• Энергосбережение. Системы рекуперации энергии повторно используют энергию нагрева и охлаждения, присутствующую в вашей системе обработки воздуха, для снижения затрат.

• Контроль влажности. Системы рекуперации энергии помогают поддерживать комфортную относительную влажность в помещении за счет переноса влаги из влажного наружного воздуха в поток вытяжного воздуха или добавления влаги во входящий вентиляционный воздух.
• Соответствие. Системы рекуперации энергии соответствуют стандартам вентиляции и энергопотребления ASHRAE.

Что такое вентилятор с рекуперацией энергии?

Дома и здания строятся или реставрируются, чтобы быть более герметичными, чем когда-либо прежде, для экономии энергии. Герметизация щелей и трещин в оболочке здания останавливает воздухообмен с внешней средой, экономя энергию и повышая комфорт. Однако в тесных домах без надлежащей вентиляции переносимые по воздуху загрязнители попадают в помещение, ставя под угрозу здоровье вашей семьи.

Высокое качество воздуха в помещении требует пути для вывода избыточной влаги и загрязняющих веществ из дома и поступления свежего воздуха. Вентиляторы Zehnder с рекуперацией тепла (HRV) и вентиляторы с рекуперацией энергии (ERV) обеспечивают чистоту воздуха для домов, коммерческих помещений, медицинских учреждений и школ.

Свежий воздух для здорового дома

Во многих домах и на предприятиях качество воздуха внутри помещений плохое из-за перхоти домашних животных, плесени, пыли, летучих органических соединений (ЛОС) и избытка углекислого газа. Загрязнение воздуха в помещении может вызвать усталость, проблемы с дыханием, головные боли, головокружение и трудности с концентрацией внимания. По данным EPA, загрязнение воздуха внутри помещений представляет собой главный риск для здоровья.

И наоборот, чистый домашний воздух способствует спокойному сну, меньшему количеству симптомов аллергии или астмы, лучшей концентрации внимания и сильной иммунной системе. Крайне важно иметь надлежащую стратегию вентиляции, чтобы обеспечить замену спертого, загрязненного воздуха свежим воздухом.

Вентиляционные системы с рекуперацией энергии Zehnder удаляют застоявшийся воздух из кухни, ванных комнат, прачечной и технического помещения и подают свежий, отфильтрованный воздух в спальни и жилые помещения. Многочисленные проекты с системами Zehnder ComfoAir продемонстрировали значительное снижение уровня углекислого газа, летучих органических соединений, частиц, микробов, влажности и запахов.

Выберите правильную систему для дома или бизнеса

В чем разница между HRV и ERV? Хотя обе системы обеспечивают подачу свежего воздуха при одновременном удалении застоявшегося воздуха, между ними есть одно ключевое отличие: вентиляторы с рекуперацией энергии также пропускают влагу из одного воздушного потока в другой. То есть, в то время как вентиляторы с рекуперацией тепла передают поступающему воздуху тепло или прохладу, вентиляторы с рекуперацией энергии передают тепло или прохладу, и влагу.

Должен ли я установить HRV или ERV? Это зависит от вашего климата и от того, как занят дом или бизнес. ERV обычно устанавливаются в климате с сухой зимой и/или влажным летом. Зимой ERV помогает поддерживать уровень влажности в идеальном диапазоне, улавливая влагу из отработанного воздуха и передавая ее во всасываемый воздух. Летом влага из всасываемого воздуха передается вытяжному воздуху, что снижает уровень влажности. Напротив, если в вашем доме повышенная влажность зимой и/или низкая влажность летом, то HRV подойдет лучше. Плотное заселение (много жителей) и большое количество домашних животных или большие аквариумы сделают дом более влажным, поэтому в некоторых случаях ВСР может быть лучше.

Изменить уровни влажности для большего комфорта

Уровень относительной влажности в вашем доме оказывает большое влияние на ваш комфорт. Зимой сухой воздух в помещении может вызвать сухость кожи и першение в горле. Летом кажется теплее, когда влажность высокая. В результате удаление избыточной влажности летом приносит облегчение и в некоторых случаях может снизить потребность в кондиционировании воздуха. ERV требует значительно меньше энергии, чем кондиционер, потому что он содержит только вентилятор и не имеет конденсатора.

Предотвращение проблем с влажностью для более чистого домашнего воздуха

Высокий уровень влажности в доме может вызвать проблемы с конденсацией, способствовать росту плесени и увеличить популяцию пылевых клещей. Эти биологические загрязнители могут ухудшить качество воздуха в помещении и вызвать симптомы астмы или аллергии.

Во-первых, необходимо устранить протечки в водопроводной системе или ограждающих конструкциях, чтобы предотвратить застой воды. Затем очистите все, что касается роста плесени. Наконец, устраните избыточную влажность в помещении, возникающую в результате купания, приготовления пищи, мытья посуды и сушки одежды. Проблемы с влажностью особенно распространены в ванных комнатах, кухнях и подсобных помещениях, и их можно смягчить с помощью эффективной стратегии вентиляции, удаляющей влагу.

Во многих домах установлены вытяжные вентиляторы для удаления влаги, запахов и спертого воздуха. К сожалению, вытяжные вентиляторы часто недостаточны для удаления загрязненного воздуха, особенно в плотно построенных домах. Вытяжные вентиляторы работают только в том случае, если в дом через щели и трещины поступает достаточно свежего воздуха, чтобы заменить выходящий воздух.

Вентиляторы Zehnder с рекуперацией энергии представляют собой сбалансированные вентиляционные системы, которые подают и удаляют равные объемы воздуха. Два воздушных потока не смешиваются, что предотвращает перекрестное загрязнение.

Удаление загрязнений с помощью воздушных фильтров

В большинстве домов большая часть наружного воздуха поступает через щели и трещины в ограждающих конструкциях. К сожалению, этот воздух часто втягивается через подвал, подполье, пристроенный гараж или чердак, которые обычно являются наиболее загрязненными местами в доме.

Это позволяет пыли, пыльце, спорам плесени и выхлопным газам автомобилей попадать в жилые помещения.

Системы ERV и HRV, напротив, разработаны с учетом качества воздуха. Всасываемый воздух в автомобилях Zehnder ERV стратегически расположен снаружи дома с учетом наличия свежего воздуха, и весь поступающий воздух фильтруется перед тем, как попасть в дом.

Этот процесс удаляет многие распространенные загрязняющие вещества, в том числе пыльцу, споры плесени, бактерии и смог, делая воздух в помещении более чистым. Использование фильтра с высоким рейтингом минимальной эффективности (MERV) гарантирует удаление более мелких частиц; Zehnder имеет фильтры до рейтинга MERV 13.

Используйте техническую экспертизу Zehnder

Zehnder предоставляет бесплатную техническую помощь и экспертные знания на каждом этапе пути. Услуги по проектированию системы помогают клиентам выбрать правильную систему для своего дома или бизнеса, а также схему расположения вентиляционных труб и оборудования.