Электрификация сельскохозяйственных мобильных энергосредств на основе тягово-энергетической концепции развития техники

Полный текст

Введение[***] Идея электрификации полеводства получила свое развитие в первые годы существования cоветской власти. Вначале это был электропахотный агрегат канатной тяги. Председатель правительства В.И. Ленин присутствовал на испытания электроплуга на Бутырском хуторе в Москве 22 октября 1921 года. В ВИЭСХе эти работы получили развитие под руководством академика П.Н. Листова и В.Г. Стеценко. За 1937-1956 годы был создан ряд электротракторов, зерноуборочных комбайнов, самоходных электрокосилок, передвижных трансформаторных подстанций, мобильных электроагрегатов автономного питания. В 1970-1990 годах проведены работы по оптимизации полевых электрических сетей, созданию электрооборудования для них. Разработаны мобильная малогабаритная электрифицированная техника, мостовые электрифицированные системы, системы централизованного электроснабжения дождевальных машин, электрофизические установки для предпосевной и послеуборочной обработки семян, борьбы с сорняками, стационарные и передвижные комплексы для обмолота и переработки урожая зерновых культур и трав, широкозахватные, многофункциональные мобильные электроагрегаты, освоено их производство. Здесь нужно отметить плодотворное сотрудничество ВИЭСХа с ВИМом [1]. В настоящее время в мире идут процессы трансформации энергетических систем, в результате которых создается их новая архитектура. К основным факторам, обуславливающим трансформацию энергетических систем, относятся значительное уменьшение стоимости генерации энергии и увеличение потребления электроэнергии, включая ветро-солнечные электростанции, распределенную генерацию, электротранспорт, электрификацию мобильных энергосредств АПК, систему управления накоплением энергией, энергообеспечение цифровизации производства. Важным направлением этой трансформации является развитие распределенной генерации на базе различных источников энергии и их интеграция в энергетические системы, в том числе: на базе многофункциональных энерготехнологических комплексов (МЭК), использующих все многообразие местных энергетических ресурсов; на основе аэрокосмических МЭК; мобильных многофункциональных энерготехнологических комплексов для АПК. Для достижения высокого качества и надежности функционирования мобильных МЭК необходимо решить проблемы, связанные, прежде всего, с производительностью, многофункциональностью, энергонасыщенностью, металлоемкостью, многотопливностью, экологической безопасностью, снижением эксплуатационных расходов, оптимизацией выбора состава оборудования на стадии проектирования мобильной техники, режимов работы и конструктивно-компоновочных решений мобильной техники по критериям энергетической, функциональной и экономической эффективности [2; 3]. На основе существующей тяговой концепции создания мобильной техники эти проблемы адекватно решить невозможно. Новая тягово-энергетическая концепция развития мобильной техники позволит полноценно решить проблему разработки и внедрения мобильных МЭК. Применение мобильных МЭК даст возможность не только оптимально распределить сцепную массу и тяговое усилие по полю, но и снять ограничение на мощность и массу комплекса, которые будут зависеть от его планируемой производительности и размеров поля. Большую роль будут играть активные рабочие органы, имеющие электропривод на базе автономных источников энергии. Это позволит максимально повысить энергонасыщенность комплекса, которая напрямую связана с его производительностью, тягово-сцепными свойствами, металлоемкостью и потерями мощности на самопередвижение [4]. Энергетическая и экологическая эффективность МЭК во многом зависит от показателей ДВС, режимы функционирования которого в составе МЭК имеют эксплуатационные особенности. В отношении оптимизации традиционного рабочего цикла и процессов, его составляющих, при использовании альтернативных, в том числе водородных и смесевых, топлив повышение эффективности научных исследований при создании модификаций поршневых ДВС для МЭК возможно посредством применения имитационного моделирования и цифровых двойников, позволяющих существенно сократить затраты времени и средств на проектирование, проведение натурных испытаний и конструктивно-доводочных работ. Увеличение производительности МЭК достигается за счет реализации их эффективной работы в составе энергетических систем или в автономных режимах [5-9]. Китай и Великобритания объявили о решении ввести запрет на продажу бензиновых и дизельных автомобилей с 2035 года, Исландия, Ирландия, Израиль, Словения и Нидерланды - с 2030 года, Норвегия - с 2025 года. Развитие электротранспорта сдерживается отсутствием инфраструктуры для зарядки и высокоэффективных дешевых аккумуляторов с большим сроком службы. По прогнозам российских ученых, стоимость аккумуляторных батарей для электротранспорта уменьшится со 165 долл./кВт в 2019 году до 100 долл./кВт в 2024 году. По прогнозу МЭА, в 2030 году в мире появится 120 млн электротранспортных средств, для которых потребуется более одного миллиона зарядных станций. Для зарядных станций на переменном токе используется силовое оборудование, установленное на электротранспортном средстве. Электрическая мощность оборудования для зарядки электробуса или электротрактора - 30-50 кВт. Известные бесконтактные методы передачи электрической энергии на транспортное средство с помощью электромагнитной индукции сопровождаются значительными потерями в линии из-за большого индуктивного сопротивления проводов токам высокой частоты. При высокой частоте в витках обмотки приемника и в кабельной линии возникает ЭДС самоиндукции, направленная встречно по отношению к напряжению питающей тяговой подстанции, что существенно снижает КПД передачи, а применяемые методы борьбы с этими явлениями усложняют и удорожают всю систему передачи электрической энергии. В настоящее время разработаны методы электроснабжения электротранспорта по однопроводниковой волноводной линии на повышенной частоте с использованием однопроводниковой изолированной линии с бесконтактным троллеем. Резонансный бестроллейный метод электроснабжения электротранспорта основан на физическом принципе, который до настоящего времени не использовался при передаче электрической энергии. В предлагаемом бесконтактном троллее вместо явления электромагнитной индукции и передачи электроэнергии через воздушный трансформатор используется явление электростатической индукции с передачей электроэнергии через воздушный конденсатор. Разработаны экспериментальные модели электромобиля, которые получают энергию от однопроводниковой изолированной кабельной линии, проложенной в дорожном покрытии [10; 11]. Использование однопроводниковой линии с бесконтактным троллеем для электроснабжения электротранспорта не имеет принципиальных ограничений по протяженности линии. Разрабатываемые техника и технология могут быть использованы для электроснабжения любых наземных транспортных средств: электромобилей, электрогрузовиков, электробусов, тракторов, железнодорожного электротранспорта и т. д. Однопроводниковая линия выполняется изолированной, она безопасна в отличие от голого контактного провода при троллейном способе электроснабжения и более надежна благодаря отсутствию коротких замыканий, износа и искрения. Беспроводное электроснабжение во время движения позволяет снизить в 5-10 раз емкость аккумуляторов и в 2 раза стоимость электромобилей [10; 11]. Результаты и обсуждение Широкомасштабное внедрение мобильных многофункциональных энерготехнологических комплексов для нужд АПК на основе тягово-энергетической концепции позволит обеспечить надежность, экологическую, энергетическую и экономическую эффективность, конкурентоспособность на мировом уровне, в разы увеличить производительность труда в АПК, создать рабочие места в сельском хозяйстве, повысить плодородие почвы, топливную экономичность, снизить негативное воздействие на окружающую среду, себестоимость сельхозпроизводства, значительно уменьшить металлоемкость мобильных комплексов, снабдить население качественной и безопасной пищевой продукцией. Это позволит совершить прорыв в экономике АПК и создать предпосылки для освоения более 30,0 млн га пахотной земли. Для достижения данных целей необходимо решить следующие задачи: 1) создать условия для повышения эффективности производства, максимальной занятости населения в сельском хозяйстве за счет: - вовлечения в оборот в ближайшее десятилетие десятков миллионов га неиспользуемых сельхозугодий; - конструирования энергетических установок нового поколения; - создания и реализации тягово-энергетической концепции развития средств механизации, электрификации и цифровизации сельского хозяйства; - разработки принципиально новых общих конструктивно-компоновочных решений мобильных комплексов, применяемых в АПК; 2) разработать математическую модель обобщенного МЭК, в том числе тягово-энергетической концепции, с множеством каналов передачи энергии к потребителям различной физической природы (n-каналов на тяговые модули, m-каналов на активные рабочие органы и k-каналов на технологии преобразования энергии), которая станет основой для интеллектуализации технологических (производственных) процессов в сельском хозяйстве; 3) обосновать и оптимизировать общие конструктивно-компоновочные решения мобильных МЭК различных типов с использованием водородных и многотопливных поршневых ДВС в зависимости от конкретных условий их эксплуатации по критериям энергетической, технико-экономической эффективности и экологической безопасности. Применение водородных и многотопливных поршневых ДВС даст возможность сформировать новые источники и способы хранения энергии; 4) обеспечить многофункциональность и многотопливность ДВС, что позволит перейти к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике; 5) усовершенствовать структуру и распределение мощностных потоков и сцепной массы в мобильном МЭК на основе использования его математической модели; 6) разработать комплексную имитационную сопряженную мультидоменную математическую модель поршневого ДВС для МЭК, включающую все его основные механизмы и системы, на основе метода энергетического и массового баланса; 7) определить методы оптимизации функционирования МЭК с поршневым ДВС в его составе для повышения топливной экономичности, снижения тепломеханической нагруженности и выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду; 8) сформулировать принципы управления и интеллектуализации МЭК; 9) установить основания и способы интеграции МЭК в состав энергетических систем и изолированных энергорайонов для повышения надежности и эффективности их функционирования в интегрированных энергетических системах, в том числе посредством полноценного использования функционала «активного потребителя». В результате реализации поставленных задач планируется создание и внедрение интеллектуальных мобильных МЭК с применением новейших инновационных технологий и систем интеллектуального управления. Разработанный дифференцированный метод оценки энергетической эффективности использования альтернативных топлив и оригинальная математическая модель обобщенного мобильного МЭК с множеством каналов передачи энергии различной физической природы позволят уже на этапе проектирования определить тип МЭК, оптимальные конструктивно-компоновочные решения (рис. 1 и 2), режимы работы и параметры. Новые технические (конструктивно-компоновочные) решения позволят оптимизировать распределение сцепной массы комплекса между мобильным энергетическим средством и тяговыми модулями, что обеспечит минимальное воздействие движителей МЭК на почву [6]. Оптимизация рабочего цикла поршневого ДВС, работающего на альтернативных, в том числе водородных, и смесевых топливах, обеспечит повышение его управляемости, топливной экономичности при сохранении мощностных и ресурсных показателей, а также снизит выбросы вредных веществ в окружающую среду. Применение методов имитационного моделирования рабочего цикла и работы систем поршневых ДВС существенно повысит эффективность НИР и ОКР по созданию МЭК за счет использования процедуры оптимизации, повышения точности расчетов, многократного снижения затрат на проведение натурных испытаний. Дизель-генератор и АКБ Дизель-генератор Рис. 1. Схема возможных вариантов компоновки базовых мобильных платформ на автоматизированном электроприводе Use of fuel cells Autonomous rechargeable batteries Layout of basic mobile platforms on an automated electric drive Diesel generator and battery Diesel generator set Figure 1. Diagram of possible layout options for basic mobile platforms on an automated electric drive Рис. 2. Характерные компоновки роботизированной базовой мобильной платформы на автоматизированном электроприводе Fuel cells Drive battery Battery Battery Motor-wheel + final drive (reducer) Motor-wheel + final drive (reducer) Motor-wheel + final drive (reducer) Control unit (controller) Control unit (controller) Control unit (controller) Diesel generator set The inverter The inverter The inverter Control unit (controller) Diesel generator set Super-capacitor The inverter Motor-wheel + final drive (reducer) Figure 2. Typical layouts of a robotic base mobile platform on an automated electric drive Повсеместное внедрение интеллектуальных МЭК в растениеводстве позволит в кратчайшие сроки освоить и ввести в севооборот десятки миллионов пашен в сельском хозяйстве с минимальными энергетическими и экологическими затратами [12; 13]. Разработка эффективных принципов и способов интеграции МЭК даст возможность повысить эффективность и надежность интегрированных энергетических систем и изолированных энергорайонов, а также в полном объеме реализовать функционал «активного потребителя». Это выражается в следующем: - значительное повышение производительности и топливной экономичности МЭК; - снижение экологического воздействия МЭК на окружающую среду за счет утилизации отходов сельхозпроизводства, уменьшения уплотнения почвы и выбросов вредных веществ с отработавшими газами; - повышение энергетической эффективности МЭК в результате оптимизации и совершенствования управления распределением мощности между потребителями (тяга, активные рабочие органы и др.) с целью обеспечения возможности осуществления за один проход нескольких технологических операций; - с точки зрения топливной экономичности оптимизация режимов функционирования ДВС путем применения автоматизированного электропривода и экологически безопасной ходовой системы; - повышение энергетической эффективности МЭК за счет реализации возможности их надежной и эффективной работы в составе энергетических систем и изолированных энергорайонов, а том числе посредством полноценного использования функционала «активного потребителя»; - создание стационарных и мобильных аэропонно-фитотроных биотехнологических комплексов вокруг и внутри мегаполисов, которые позволяют круглогодично, не зависимо от сезонности и климатических условий, функционировать и производить высококачественные, экологически безопасные свежие овощи и зеленные культуры. Для достижения поставленных задач в ближайшее время необходимо разработать: 1) тягово-энергетическую концепцию развития средств электрификации и интеллектуализации для сельского хозяйства, реализация которой обеспечит значительное повышение урожайности сельскохозяйственных культур и производительности труда, снижение уплотнения почвы и удельного расхода топлива, расширение многофункциональности и многотопливности; 2) оригинальную математическую модель на основе дифференцированного метода оценки энергетической эффективности использования различных видов топлив, которая позволит определить тип МЭК, оптимизировать основные конструктивно-компоновочные решения (мощность, эксплутационная масса, энергонасыщенность, скорость и ширина захвата МЭК), КПД звеньев, каналов передачи энергии в МЭК, оптимальные режимы и параметры МЭК и любого его звена, эксплуатационные свойства, в том числе на этапе проектирования МЭК; 3) систему критериев энергетической эффективности обобщенного МЭК на основе его математической модели, которая позволит обосновать область его эффективного применения; 4) принципы управления, а также принципы и способы интеграции МЭК в состав энергетических систем и изолированных энергорайонов для повышения надежности и эффективности их функционирования; 5) оригинальную комплексную имитационную сопряженную мультидоменную математическую модель поршневого ДВС для МЭК, включающую все его основные механизмы и системы, а при возможности - цифровой двойник ДВС; 6) методы оптимизации рабочих циклов в камере сгорания поршневых ДВС, работающих на альтернативных топливах, с применением трехмерных CFD-моделей, кинетических механизмов окисления альтернативных топлив и методы оптимизации режимов функционирования поршневого ДВС в составе МЭК для повышения топливной экономичности, снижения тепломеханической нагруженности и выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду. Научная новизна этой работы будет заключаться в разработке: - технологической схемы обобщенного МЭК, в том числе тягово-энергетической концепции развития средств механизации и электрификации растениеводства с множеством каналов передачи энергии к потребителям различной физической природы; - дифференцированного метода оценки энергетической эффективности использования различных видов топлив в многофункциональных энерготехнологических комплексах; - технологии имитационного моделирования поршневых двигателей внутреннего сгорания в составе многофункциональных энерготехнологических комплексов, включающей рациональные (с позиции соответствия имитационной модели решаемым практическим задачам) универсальные методы создания имитационных моделей с учетом особенностей конструкции, эксплуатации и целей создания; - принципов и способов интеграции МЭК в состав энергетических систем и изолированных энергорайонов. Реализация тягово-энергетической концепции развития мобильной техники предполагает ее переход на более высокий технический уровень. К наиболее высокому уровню развития такой техники можно отнести мобильные МЭК модульного типа. Под многофункциональностью следует понимать возможность подобного комплекса производить из местных топливно-энергетических ресурсов моторные топлива, электрическую и тепловую энергию. Использование местных энергоресурсов позволит решить многие вопросы энергоснабжения сельских поселений, обеспечения топливной независимости, улучшения социально-экономической и экологической обстановки среды обитания. Суть новой концепции развития мобильной техники заключается: - в разнесении сцепной массы по контактной поверхности взаимодействия машины с почвой; - реализации многофункциональности, многотопливности, модульного построения МЭК; - разработке и реализации единого обобщенного универсального унифицированного типового проекта, который отвечал бы современным техническим требованиям, предъявляемым к мобильным МЭК; - согласованности характеристик энергетических, технологических и тяговых модулей, в том числе ДВС, силовых генераторов, активных рабочих органов и электрических трансмиссий ходовых систем модулей, потребителя нагрузок и других модулей. Применение мобильных МЭК тягово-энергетической концепции обуславливает использование новой конструктивно-компоновочной схемы с многоканальным распределением энергетических потоков различной физической природы. Мобильный МЭК является той основой, которая позволит объединить все типы мобильных энергетических средств (МЭС), предназначенных для производства прежде всего электрической энергии и создания тяги. Это объединение должно выполняться в соответствии с мощностным рядом МЭС с использованием серийно выпускаемых энергоустановок и на основе оптимального согласования технических характеристик всех элементов МЭК по максимуму его полного КПД. В основу разработки предлагаемой концепции была положена математическая модель обобщенной автономной системы энергоснабжения с множеством каналов передачи энергии различной физической природы к потребителю, что позволит решить следующие задачи: 1) объединить на основе технологической схемы системы генерации и каналы передачи электрической энергии, тепла и механической мощности, а также потребителей электроэнергии, тепла и тяговой мощности в единую автоматизированную систему. 2) количественно и качественно оценить энергетический процесс производства, передачи и потребления электроэнергии, тепла и тяговой мощности в реальном масштабе времени на основе сквозного энергетического анализа; 3) управлять и оптимизировать режимы работы и показатели качества всех элементов мобильного МЭК, работающих на различных видах топлива: системы генерации электроэнергии и тепла; системы передачи и распределения электрической, тепловой и механической энергии; системы потребления электроэнергии, тепла и тяговой мощности в соответствии с критериями энергетической эффективности функционирования мобильного комплекса. 4) совершенствовать структуры и распределение мощностных потоков различной физической природы в распределенных системах генерации на основе использования математических моделей функционирования мобильного МЭК; 5) мониторить, контролировать и улучшать параметры и режимы работы мобильных МЭК в сельских поселениях России, принимая на этой основе оптимальные управленческие решения по повышению эффективности их функционирования, а также обосновывать их выбор на стадии проектирования в зависимости от местных условий эксплуатации энергоустановок. При разработке математической модели был применен разработанный нами дифференцированный метод оценки энергетической эффективности использования моторных топлив в мобильных МЭК. Его суть заключается в том, что мобильный МЭК может быть представлен в виде технологической схемы обобщенного многофункционального энерготехнологического комплекса со множеством каналов поступления и потребления энергии различной физической природы. В свою очередь, мобильный МЭК - это комплекс, состоящий из: - МЭС на базе многотопливной электростанции и электротрансмиссии с мотор-колесами; - технологического средства с набором активных рабочих органов и электронно-ионных технологий; - тяговых модулей, участвующих в создании тяги МЭК. При этом технологическая схема мобильного МЭК, построенная на основе логического анализа, состоит из трех подсистем: 1) факторов внешних условий; 2) общих конструктивно-компоновочных решений; 3) энергетических и эксплуатационных свойств мобильного МЭК. Между этими подсистемами и элементами системы установлены энергетические связи. Следует отметить, что к подсистеме факторов внешних условий относятся, прежде всего, климатические условия - температура, плотность и влажность воздуха, показатели качества энергоресурсов, в том числе теплота сгорания различных топлив, параметры почвы, размеры поля и др. К подсистеме общих конструктивно-компоновочных решений относятся типы МЭК и энергоустановок, элементы системы - ДВС, генераторы, редукторы, каналы передачи энергии и др. К подсистеме энергетических и эксплуатационных свойств относятся: показатели качества электрической и тепловой энергии; мощность системы, ДВС, технологического средства, тяговых модулей, системы утилизации тепла, силовых генераторов, электропривода, преобразователей частоты, накопителей энергии; частота вращения ДВС, силовых генераторов, трансмиссий электростанции, ходовых систем; момент ДВС и основных модулей; часовой и удельный расходы топлива ДВС, основных модулей и МЭК в целом; КПД мобильного МЭК, модулей и каналов передачи мощности к потребителям; тяговый КПД МЭК, коэффициент использования мощности МЭК и модулей; коэффициенты распределения мощности МЭК между модулями и потребителями; массогабаритные показатели МЭК и модулей и др. Особенность разработки данной модели мобильного МЭК заключается в представлении математического описания энергетических связей между элементами таким образом, чтобы оптимизация режимов работы системы происходила по максимуму ее полного КПД в зависимости от коэффициента распределения мощности на входе или на выходе этой системы. При этом оценка энергетической эффективности каждого элемента системы может быть представлена в виде его КПД в зависимости от распределения мощности между каналами ее передачи, режимов работы и его характеристик. Математическая модель обобщенного мобильного МЭК позволяет: - рассмотреть с единых позиций технологические и энергетические процессы при работе комплекса любого типа; - наметить и реализовать пути повышения эффективности мобильных МЭК благодаря обоснованию оптимальных общих конструктивно-компоновочных решений, оптимизации скоростных и силовых режимов; - дать комплексную оценку последствий принимаемых решений в части формирования эксплуатационных характеристик МЭК и определить качества комплексов и предпочтительные условия их использования. С ее помощью можно не только разработать методику по определению оптимальных параметров мобильных МЭК, но и создать основу для проектирования интеллектуальных мобильных МЭК. Достоинства такой модели заключаются, прежде всего, в том, что оптимальные параметры мобильных МЭК в целом и элементов системы в частности определяются в автоматическом режиме в реальном масштабе времени при наличии необходимых количественных характеристик внешних условий. Применение интеллектуальных мобильных МЭК обеспечит: - экономию топлива за счет оптимизации режимов работы ДВС на 10-20 % в зависимости от нагрузки и ее колебаний; - повышение коэффициента использования топлива с 0,4-0,45 до 0,8-0,9 за счет комплексной утилизации сбросового тепла ДВС; - согласованность характеристик энергетических и тяговых модулей, в том числе ДВС, генератора и потребителя нагрузок (повышение КПД ДВС-электростанции на 10-20 %); - высокое качество электрической и тепловой энергии независимо от колебаний нагрузки; - высокий коэффициент загрузки ДВС. Заключение Электрификация мобильных энергосредств АПК - важная составляющая комплексных интегрированных систем энергоснабжения. Она в значительной степени может повлиять на синтез энергетических систем. Решающим фактором в электрификации мобильных процессов в АПК является широкомасштабное внедрение мобильных МЭК в его отраслях. Применение мобильных МЭК в сельскохозяйственном производстве обуславливает его переход на электропривод рабочих органов и электротрансмиссию ходовой системы МЭС. Решение задачи по замене традиционных видов силовых приводов на электропривод имеет серьезное технологическое прорывное значение для повышения функциональной и энергетической эффективности мобильных энергетических средств и дальнейшей их роботизации, а также повышения производительности и рентабельности сельскохозяйственного производства. Применение автоматизированного силового электропривода позволяет повышать энергоэффективность (высокое КПД), экологическую безопасность и маневренность машины, отказаться от сложных кинематических схем трансмиссий, снижать уровень вибрации и шума, обеспечивать бесступенчатое регулирование скорости агрегата, а также

Об авторах

Юрий Федорович Лачуга

Отделение сельскохозяйственных наук РАН

Email: fic51@mail.ru
SPIN-код: 1128-3299

академик-секретарь ОСХН РАН, академик РАН, член Президиума РАН, д. т. н., профессор

Российская Федерация, 119334, Москва, Ленинский пр-кт, д. 32А

Дмитрий Семенович Стребков

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Email: fic51@mail.ru
SPIN-код: 2864-5630

главный научный сотрудник ФНАЦ ВИМ, академик РАН, д. т. н., профессор

Российская Федерация, 109428, Москва, 1-й Институтский пр-д, д. 5

Захид Адыгезалович Годжаев

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Автор, ответственный за переписку.
Email: fic51@mail.ru
SPIN-код: 1892-8405

заместитель директора ФНАЦ ВИМ, член-корреспондент РАН, д. т. н., профессор

Российская Федерация, 109428, Москва, 1-й Институтский пр-д, д. 5

Иван Яковлевич Редько

АО «Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского»

Email: fic51@mail.ru

заместитель генерального директора АО «ЭНИН», д. т. н., профессор

Российская Федерация, 119071, Москва, Ленинский пр-кт, д. 19

Список литературы