Перспективы применения в горной промышленности суперконденсаторных накопителей и возобновляемых источников энергии

В.П. Степаненко, И.Н. Мальшаков

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СУПЕРКОНДЕНСАТОРНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Системы автономного электроснабжения, удаленные от высоковольтных электрических сетей, в основном, питаются от автономных электростанций с двумя поочередно работающими дизель-генераторными установками. Рассмотрены пути снижения расхода дизельного топлива на автономных электростанциях с использованием возобновляемых источников и накопителей энергии. Предлагается использовать в качестве возобновляемых источников энергии ветряные генераторы, солнечные панели, солнечные вакуумные коллекторы, в качестве накопителей - аккумуляторные батареи и суперконденсаторы. Приведены принципиальные схемы накачки напряжения, электропривода постоянного тока и автономной электростанции с накопителями и возобновляемыми источниками энергии Использование возобновляемых источников энергии ВИЭ, аккумуляторных батарей ЭХН, суперконденсаторных накопителей КДЭС, конвертации дизельных двигателей на газовое и водородное топливо позволит снизить расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем на 30-50% и повысить экологическую безопасность в горной промышленности. Ключевые слова: горная промышленность, транспорт, энергоснабжение, возобновляемые источники, энергия, дизельное топливо, накопители, суперконденсаторы, тиристоры, транзисторы ЮВТ, экологическая безопасность.

Повысить в горной промышленности уровень экологической безопасности, надежности, ресурсо- и энергосбережения можно, используя возобновляемые источники энергии и накопители энергии. Накопители энергии необходимы для обеспечения автономного питания потребителей в рабочих и аварийных режимах, для сглаживания пиков нагрузки и провалов напряжения в электрических сетях [1—7].В табл. 1 приведе-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 153-163. © 2017. В.П. Степаненко, И.Н. Мальшаков.

УДК 622:621.438

Таблица 1

Перспективные типы накопителей энергии

Типы накопителей энергии Место размещения и энергоемкость накопителя

районная подстанция тяговая подстанция тяговая сеть тяговый подвижной состав

Сверхпроводящие индуктивные СПИН < 10 ГДж

Инерционные ИН - <100-200 МДж - <7-10 МДж

Суперконденсаторные КДЭС <100 МДж >50 МДж <5-50 МДж

Аккумуляторные батареи ЭХН - - - <2900 МДж

Комбинированные КДЭС+ ЭХН - - - <3000 МДж

ны энергоемкости и характеристики накопителей энергии и места их возможного размещения. В качестве накопителей энергии возможно использование сверхпроводящих индукционных накопителей (СПИН), инерционных накопителей (ИНЭ), электрохимических накопителей (аккумуляторов ЭХН), конденсаторов с двойным электрическим слоем КДЭС (суперконденсаторов). Наибольшей запасаемой энергией обладают СПИН накопители (более 10 ГДЖ). Запас энергии в инерционных накопителях ИНЭ до 100-150 МДж, кпд 86-90% [8-11,13].

Проанализируем относительные характеристики электрохимических накопителей ЭХН, приведенные в табл. 2.

Таблица 2

Относительные характеристики аккумуляторных батарей

Время разряда, ч Отношение токов, р' рн Отдаваемая емкость, Ер, % Напряжение аккумулятора, % Отдаваемая энергия, Э/Э, % р' и' КПД, %

5,0 1,0 100 100 100 42,00

4,0 1,25 0,85 98,33 83,6 35,1

3,0 1,66 70 95,83 67,1 28,11

2,0 2,50 55 90 49,5 20,7

1,5 3,33 47,5 85 40,37 17,1

1,0 5,0 40 73,33 28,13 12,3

Таблица 3

Суперконденсаторный модуль МЛСК-130-57

Параметр Величина

Рабочее напряжение, В 130

Емкость, Ф 57

Запасаемая энергия, МДж/кВтч 0,5 / 0,150

Номинальная мощность, кВт 84

Максимальная мощность, кВт 560

Масса, кг 50

Габаритные размеры, мм 1200x450x310

Объем, м3 0,167

Рабочая температура, °С минус 50 — плюс 65

Степень защиты корпуса 1Р65

Ресурсы 100 000 циклов

Срок службы 10 лет

Тип электролита органический

Разработчик и изготовитель ООО «ТЭЭМП» НИТУ «МИСиС», г. Москва

При разрядном токе аккумулятора I в 5 раз большем номинального значения, т.е. при 1р > 5 I отдаваемая аккумулятором емкость не превышает 40%, отдаваемая энергия — 28,13%, а общий КПД процесса заряд-разряд не более 12,3%. Второй недостаток ЭХН — это нестабильные характеристики при температурах окружающей среды ниже минус 15 °С и выше плюс 30 °С. Этих недостатков лишены конденсаторы с двойным электрическим слоем КДЭС (суперконденсаторы). В табл. 3 представлена техническая характеристика суперконденсаторного модуля МЛСК-130-57.

Перспективы применения в горной промышленности имеют и возобновляемые источники энергии [6—10]. В табл. 4 представлены результаты технико-экономического оценочного сравнения возобновляемых и невозобновляемых источников энергии.

В относительных единицах оценены капитальные и эксплуатационные расходы, а также стоимость 1 кВтч электрической энергии при питании от ветряных генераторов, солнечных панелей, вакуумных коллекторов, электрических сетей, дизель-

Таблица 4

Оценочное технико-экономическое сравнение источников энергии

Источник энергии Относительные затраты Стоимость 1 кВтч энергии

капитальные эксплуатационные

за 10 лет за 20 лет

Дизельное топливо 1,0 1,0 1,0 1,0

Электрические сети 0,13 0,75 0,63 0,95

Ветряные генераторы 07 0,6 0,5 0,25

Водород 0,9 0,7 0,6 0,4

Солнечные вакуумные коллекторы 0,8 0,5 0,43 0,32

Солнечные панели 0,6 0,4 0,3 0,2

генераторных электростанций (работающих на дизельном и водородном топливе). Наименьшую стоимость электроэнергии и низкие эксплуатационные затраты обеспечивают ветряные генераторы и солнечные панели. Вакуумные солнечные коллекторы характеризуются большими материалоемкостью и капиталовложениями по сравнению с традиционными электрическими сетями. Эксплуатационные затраты при использовании солнечных вакуумных коллекторов примерно в два раза ниже, чем при питании от дизель-электрических генераторов. Стоимость 1 кВтч электроэнергии, полученной от ветряных генераторов в 4 раз ниже, чем от дизель-генераторов. Стоимость 1 кВтч энергии солнечных вакуумных коллекторов, примерно в 3 раза ниже, чем при питании от электрических сетей и от дизель-генераторных установок. Энергия солнечных панелей в 4 раза дешевле, чем электрических сетей [18-21].

Рассмотрим некоторые схемы электропривода в двигательном и тормозном режимах с использованием накопителей ЭХН и КДЭС и транзисторов ЮВТ. На рис. 1 изображена принципиальная широтно-импульсная электрическая схема электропривода постоянного тока в двигательном режиме.

Питание электропривода осуществляется от суперконденсатора С1 при включении контактора К1 или от аккумуляторной батареи GB при включенном контакторе К2. При отпирании ЮВТ транзистора УТ1 диод УБ1 запирается и напряжение источника питания поступает на электрические двигатели постоянного тока М1 и М2 последовательного возбуждения. Блок широтно-импульсного управления ШИМ управляет транзи-

Рис. 1. Принципиальная широтно-импульсная схема электропривода постоянного тока в двигательном режиме

стором VT1, плавно изменяя продолжительность импульсов напряжения на двигателях М1 и М2. Среднее значение напряжения на электродвигателях плавно регулируется от 0 до напряжения источника питания U .

Г ип

На рис. 2 представлена принципиальная широтно-импульс-ная схема электропривода постоянного тока в режиме рекуперативного торможения.

Электрическая схема выполнена на транзисторах ЮВТ с изолированным затвором VT1 и ^Г2. Управление торможением и приемом тормозной энергии осуществляется блоком СУРТ. При включении контактора К1 и открытом транзисторе VT1 и закрытом VT2 тормозной электрический ток из обмоток возбуждения ОВ1, ОВ2 и якорей двигателей М1, М2 течет через диод VD и заряжает аккумуляторную батарею GB. При включении

Рис. 2. Принципиальная широтно-импульсная схема электропривода постоянного ток в режиме рекуперативного торможения

контактора К2 заряжаться будет и суперконденсатор С, транзистор VT2 должен быть заперт, а диод VD открыт. После спадания зарядных токов в аккумуляторной батарее и суперконденсаторе до нуля управляющий блок СУРТ подает команду на открывание транзистора VT2. Контакторы К и К2 остаются включенными. Транзистор VT2 открывается и замыкает накоротко обмотки электрических двигателей М1 и М2. Когда ток короткого замыкания в двигателях М1 и М2 достигнет величины уставки, блок СУРТ подает команду на запирание транзистора VT2 и отпирание VTv Далее процесс рекуперативного торможения продолжается до того момента, когда электрическая и кинетическая энергии привода станут равными нулю.

На рис. 3 изображена принципиальная электрическая схема повышения напряжения на суперконденсаторах С1 и С2 до предельно допустимых значений. Источником питания может служить низковольтная, например, стандартная автомобильная аккумуляторная батарея на напряжение 14 В.

Схема устройства для повышения напряжения на суперконденсаторах С1 и С2 работает по принципу электромагнитного дросселя [12]. Энергия из аккумуляторной батареи GB поочередно запасается в индуктивностях L и L1, а затем через диоды VDX и VD2 сбрасывается в суперконденсаторы С1 и С2. Заряд индуктивности происходит до заданного значения максимального тока (например, /тах = 2000 А), затем цепь тока рвется тиристором У51 или VS2 и ток i вынужден течь через коммутирующую емкость С3. Периодичность отпирания и запирания тиристоров VS1 и VS2 задается блоком управления. КПД конденсатора определяется отношением энергии, возвращенной в источник (сеть), к энер-

Рис. 3. Схема устройства накачки напряжения на суперконденсаторах

\Л1

Рис. 4. Схема автономного электроснабжения с использованием ВИЭ, ЭХН и КДЭС: G — электрический генератор; М — асинхронный электродвигатель; VS — тиристор; VS1—VS6 трехфазный мостовой выпрямитель на тиристорах; VS7—VS12 трехфазный мостовой инвертор на тиристорах; Тр — трансформатор; GB — аккумуляторная батарея (ЭХН); GL — солнечная батарея (ВИЭ); ^^^ — биполярные транзисторы с изолированным затвором ЮВТ; L — электромагнитный дроссель с сердечником; С — су-перкоденсатор КДЭС

гии, затраченной источником на заряд, а также количеством циклов. Среднее значение КПД цикла передачи энергии дроссель — конденсатор при заряде и конденсатор-дроссель при разряде 0,98.

Схема автономного электроснабжения с использованием ВИЭ, ЭХН и КДЭС представлена на рис. 4.

Суперконденсатор С подключен к входу инвертора напряжения, собранного на тиристорах VS7—VS12. Накопление электрической энергии в дросселе L происходит до заданного значения максимального тока (например, /тх = 3000 А). Затем транзистор VT1 разрывает цепь тока в дросселе L. Одновременно с запиранием транзистора VT1 открывается транзистор КГ2 и очередная порция энергии, запасенной в дросселе L, поступает в суперконденсатор С и напряжение на суперконденсаторе повышается на некоторую величину. Частоту и продолжительность циклов отпирания и запирания транзисторов VT1 и КГ2 задает блок управления. К выходу инвертора подключен трансформатор Тр, к вторичной обмотке которого подключен электрический асинхронный электродвигатель М. К вторичной стороне трансформатора кроме электрических двигателей могут подключаться различные потребители электрической энергии.

На автономных электростанциях качестве генераторов обычно используются синхронные генераторы G с дизельным приводом. Учитывая постоянно растущие цены на дизельное топливо, экономически выгоднее в настоящее время может быть конвертация дизельных двигателей на газовое топливо или замена дизельных двигателей газотурбинными. В период Великой Отечественной

войны в осажденном Ленинграде автомобили на водородном топливе [14]. Имеет отечественный опыт использования водорода в качестве топлива в горной промышленности. По заданию Минуглепрома СССР работы по конвертации рудничных дизелевозов на водородное топливо были выполнены в ИГД им. А.А. Скочинского. В этой работе участвовали д.т.н. В.И. Серов, д.т.н. Р.В. Малов, к.т.н. Ю.П. Юдин, ст.н.с. В.П. Степаненко и др. [15]. В случае избытка дешевой электрической энергии (как, например, на Вилюйском каскаде ГЭС в республике Саха Якутия) экономически обоснованной будет также и конвертация дизельных двигателей на водород [14—16].

В последнее десятилетие в ГМК «Норильский никель» также велись работы по водородной тематике. Изображенный на рис. 4. электрический трехфазный генератор переменного тока G может приводиться во вращение тепловыми двигателями, работающими на дизельном топливе. природном газе или водороде [17—21].

Заключение

Использование возобновляемых источников энергии ВИЭ, комбинированных энергосиловых установок, аккумуляторных батарей ЭХН, суперконденсаторных накопителей КДЭС, конвертации дизельных двигателей на газовое и водородное топливо позволит в горной промышленности снизить расход дизельного топлива и смазочных материалов не менее, чем на 30—50% и повысить экологическую безопасность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Степаненко В. П. Определение параметров накопителей энергии комбинированных силовых установок // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 166—174.

2. Степаненко В. П. Применение возобновляемых источников энергии и суперконденсаторов на открытых горных работах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 175—182.

3. Степаненко В. П. Повышение энергоэффективности и ресурсосбережения рудничного электровозного транспорта // Вгсник Криворiзь-кого нащонального ушверситету. — 2016. — вип. 42. — С. 20—25.

4. Степаненко В. П. Пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения горного локомотивного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 128—137.

5. Степаненко В. П. Применение в горной промышленности КЭСУ с возобновляемыми источниками и накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 138—146.

6. Степаненко В. П. Перспективы применения в горной промышленности нетрадиционных возобновляемых источников и комбини-

рованных накопителей энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 10. — С. 93—146.

7. Степаненко В. П. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок в горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 11. — С. 322—328.

8. Степаненко В. П., Сорин Л. Н. Энергоэффективность подземной локомотивной откатки с гибридными накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 6. — С. 135-140.

9. Степаненко В.П., Сорин Л.Н. Актуальность ресурсо- и энергосбережения подземных рудничных локомотивов с комбинированными накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 5. - С. 323-328.

10. Степаненко В.П., Белозеров В.И. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок горнотранспортных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. -№ 2. - С. 174-181.

11. Степаненко В. П., Белозеров В. И., Сорин Л. Н. Перспективы применения комбинированных накопителей энергии на карьерном железнодорожном транспорте // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 5. - С. 317-322.

12. Шевлюгин М. В. Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. - М.: МГУПС (МИИТ), 2009. - С. 51.

13. Белозеров В. И., Степаненко В. П. Потребность создания карьерных локомотивов с накоплением энергии // Горная промышленность. -2014. - № 5. - С. 76.

14. Степаненко В.П., Юдин Ю.П. Разработка методики расчета энергетических и весогабаритных показателей рудничных локомотивов с уменьшенной токсичностью выхлопа и улучшенными энергетическими показателями. Информационная карта № 15/38 (1978). - М.: ЦНИЭИуголь. - С. 1.

15. Степаненко В. П., Юдин Ю. П. Разработка методики расчета энергетических и весогабаритных показателей рудничных локомотивов с уменьшенной токсичностью выхлопа и улучшенными энергетическими показателями. Отчет по научно-исследовательской работе № 15/38.

16. Водородная энергетика имеет в Якутии больший потенциал, чем солнечная. ПАО «Якутэнерго. Региональный центр биотехнологий. -Республика Саха Якутия, 2016. http://greenevolution.ru/

17. Степаненко В. П. Анализ перспектив применения в горной промышленности возобновляемых источников энергии и суперконденсаторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2017. -№ 1. - С. 185-194.

18. Степаненко В. П. К вопросу применения накопителей и возобновляемых источников энергии в условиях низких температур // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2017. - № 2. -С. 195-201.

19. Степаненко В. П. Применение в горной промышленности суперконденсаторных накопителей и возобновляемых источников энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 2. - С. 202-208.

20. Степаненко В. П. Выбор накопителей энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 3. — С. 217-227.

21. Степаненко В. П. Выбор накопителей в изолированных энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 3. — С. 228—234. гдтг^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Степаненко Валерий Павлович1 — кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, e-mail: valestepanenko@yandex.ru, Мальшаков Иван Николаевич1 — магистр, e-mail: imalshakov@mail.ru, 1 МГИ НИТУ «МИСиС».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 153-163. V.P. Stepanenko, I.N. Mal'shakov PROSPECTS FOR SUPERCAPACITORS AND RENEWABLE ENERGY SOURCES IN MINING INDUSTRY

Self-sustained power supply systems located far from high-voltage lines are mainly fed by stand-alone power plants with two alternating diesel-drive generator sets. The author reviews the ways of reducing diesel fuel consumption by stand-alone power plants by means of using renewable sources and accumulators of energy.

It is suggested to use windmills, solar panels and vacuum solar collecting panels as renewable sources of energy and accumulator batteries and supercapacitors as energy storage units. The circuit diagrams are presented for voltage pump, direct current drive and stand-along power plant with storage units and renewable sources of energy. The use of renewable energy sources, accumulator batteries EKhN, supercapacitors KDES as well as conversion of diesel generators to gas and hydrocarbon fuel allows reduction in the consumption of diesel fuel and lubricants by not less than 30-50% and enhances environmental safety of mining.

Key words: mining industry, transport, power supply, renewable sources, energy, diesel fuel, storage units, supercapacitors, thyristros, IGBT triode transistors, environmental safety.

AUTHORS

Stepanenko V.P.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher, e-mail: valestepanenko@yandex.ru, Mal'shakov I.N.1, магистр, e-mail: imalshakov@mail.ru, 1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 166-174.

UDC 622:621.438

2. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 175-182.

3. Stepanenko V. P. Visnik Krivoriz'kogo natsional'nogo universitetu. 2016. vip. 42, pp. 20-25.

4. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 128-137.

5. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 138-146.

6. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 10, pp. 93-146.

7. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 11, pp. 322-328.

8. Stepanenko V. P., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 6, pp. 135-140.

9. Stepanenko V. P., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 5, pp. 323-328.

10. Stepanenko V. P., Belozerov V. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 2, pp. 174-181.

11. Stepanenko V. P., Belozerov V. I., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 5, pp. 317-322.

12. Shevlyugin M. V. Resurso- i energosberegayushchie tekhnologii na zheleznodorozh-nom transporte i metropolitenakh, realizuemye s ispol'zovaniem nakopiteley energii (Resource- and energy-saving technologies in railway transport and subways using energy storage units), Doctor's thesis, Moscow, MGUPS (MIIT), 2009, pp. 51.

13. Belozerov V. I., Stepanenko V. P. Gornayapromyshlennost'. 2014, no 5, pp. 76.

14. Stepanenko V. P., Yudin Yu. P. Razrabotka metodiki rascheta energeticheskikh i ve-sogabaritnykh pokazateley rudnichnykh lokomotivovs umen'shennoy toksichnost'yu vykhlopa i uluchshennymi energeticheskimi pokazatelyami. Informatsionnaya karta № 15/38 (1978) (Development of calculation procedure for energy, weight and dimension characteristics of mine locomotives with lower toxic exhaust and improved energy data. Information card No. 15/38 (1978)), Moscow, TsNIEIugol', pp. 1.

15. Stepanenko V. P., Yudin Yu. P. Razrabotka metodiki rascheta energeticheskikh i ve-sogabaritnykh pokazateley rudnichnykh lokomotivov s umen'shennoy toksichnost'yu vykhlopa i uluchshennymi energeticheskimi pokazatelyami. Otchet po nauchno-issledovatel'skoy rabote № 15/38 (Development of calculation procedure for energy, weight and dimension characteristics of mine locomotives with lower toxic exhaust and improved energy data. Research report No. 15/38).

16. Vodorodnaya energetika imeet v Yakutii bol'shiy potentsial, chem solnechnaya. PAO «Yakutenergo. Regional'nyy tsentr biotekhnologiy. Respublika Sakha Yakutiya, 2016, available at: http://greenevolution.ru/

17. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 1, pp. 185-194.

18. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 2, pp. 195-201.

19. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 2, pp. 202-208.

20. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 3, pp. 217-227.

21. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017, no 3, pp. 228-234.