Рекуперативное торможение

Преимущества и недостатки

Избыток тепла не выветривается, а идет на подогрев входящего воздуха

Главный плюс этих устройств – возможность регулировать поступление и отход воздушных масс и их соотношение. Благодаря подогреву поступающего с улицы потока отработанными газами снижается количество энергии, затрачиваемой отопительными приборами на достижение нужной температуры воздуха в помещении. Это позволяет экономить на электроэнергии. Это относится к применению устройства в промышленном помещении, покупке недорогой модели для жилища или изготовлению ее своими руками. Приобретать дорогой рекуператор для дома экономически невыгодно.

Механизм позволяет снизить потери тепла при сохранении поступления свежего воздуха в помещение. Обеспечивается сочетание постоянного притока кислорода и поддержания оптимальной температуры. Когда на улице достаточно тепло, пользователь может не подключать обогреватели, что дополнительно помогает экономить электроэнергию. При этом обеспечивается эффективное удаление неприятных запахов и примесей, содержащихся в воздухе. К плюсам можно отнести небольшие размеры установок и простоту монтажа. Они выпускаются в большом числе вариантов – для размещения в санузле, встраивания в нишу и т.д.

К минусам относятся высокие цены на приборы (от 20 до 100 и более тыс. руб.), что побуждает умельцев создавать приспособления пластинчатого типа своими руками. Кроме того, модели с открытой конструкцией могут недостаточно эффективно справляться с удалением запахов и загрязнений из отработанных воздушных масс.

Использование в автомобилестроении

Использование на легковых и грузовых автомобилях

С развитием рынка гибридных и электроавтомобилей система рекуперации зачастую используется для увеличения дальности пробега автомобиля на электрическом заряде.
Наиболее распространенными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt, Honda Insight, Tesla Model S,3,X,Y, Audi e-tron

Есть отдельные случаи применения системы рекуперации в автомобиле с привычным бензиновым двигателем для сокращения расхода топлива. Такая система разрабатывалась на а/м Ferrari для обеспечения функционирования внутренних мультимедийных и климатических систем автомобиля от отдельной батареи, заряжаемой рекуперируемой энергией.

Система рекуперации энергии при торможении для электромобилей и электровелосипедов подвергается критике. Тормозной путь автомобиля очень мал по сравнению с проезжаемым путём и составляет от нескольких метров до несколько десятков метров (водитель обычно относительно резко тормозит у самого светофора или места назначения, или вообще подъезжает к месту назначения накатом). За такое короткое время аккумуляторы не успевают сколь-нибудь значительно зарядиться рекуперативным током, даже в городском цикле при частых торможениях. Экономия энергии за счёт рекуперации в лучшем случае составляет доли процента, и поэтому система рекуперативного торможения электромобиля неэффективна и не оправдывает усложнения конструкции. К тому же рекуперативное торможение не освобождает от необходимости обычной колодочной тормозной системы, так как на малых оборотах двигателя в режиме генератора его противо-ЭДС мала и недостаточна для полной остановки автомобиля. Также рекуперативное торможение не решает проблему стояночного тормоза (за исключением искусственного динамического удержания ротора на месте, на что расходуется значительная энергия). В современных электромобилях имеется возможность настройки педали «газа» — при её отпускании электромобиль либо продолжает двигаться по инерции накатом, либо переходит в режим рекуперативного торможения.

Однако рекуперация эффективна для электротранспорта с его частыми участками разгона-торможения, где тормозной путь большой и соизмерим с расстоянием между станциями (метро, пригородные электропоезда).

Использование в автоспорте

В сезоне 2009 года в Формуле-1 на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей и дальнейшие совершенствования данной системы.

Впрочем, у Формулы-1 с её мощным двигателем разгон на малых скоростях ограничивается сцеплением шин, а не крутящим моментом. На высоких же скоростях использование KERS не столь эффективно. Так что по результатам сезона-2009 оснащённые данной системой болиды не демонстрировали превосходства над соперниками на большинстве трасс. Однако это может объясняться не столько неэффективностью системы, сколько трудностью её применения в условиях строгих ограничений на вес машины, действовавших в 2009 году в Формуле-1.
После соглашения команд не использовать KERS в 2010 году для сокращения издержек, в сезоне 2011 года использование системы рекуперации было продолжено.

По состоянию на 2012 год на систему KERS налагаются следующие ограничения: передаваемая мощность не более 60 кВт (около 80 л.с.), ёмкость хранилища не более 400 кДж. Это означает, что 80 л.с. можно использовать не более 6.67 с на круг за один или несколько раз. Таким образом, время круга можно уменьшить на 0.1-0.4 с.

Техническим регламентом Формулы-1, утверждённым FIA на 2014 год, предусмотрен переход на более эффективные турбомоторы со встроенной системой рекуперации (ERS). Применение двойной системы рекуперации (кинетической и тепловой) в сезонах 2014—2015 годов стало гораздо более актуально из-за введения жёстких регламентных ограничений на расход топлива — не более 100 кг на всю гонку (в прошлые годы 150 кг) и мгновенный расход не более 100 кг в час. Неоднократно можно было наблюдать, как во время гонки при выходе из строя системы рекуперации машина начинала быстро терять позиции.

Рекуперативное торможение используется также в гонках на выносливость. Такой системой оснащены спортпрототипы класса LMP1 заводских команд Audi R18 и Toyota TS050 Hybrid, Porsche 919 Hybrid.

За и против подобной экономии

Стоит отметить, что не все так просто.

• Причина в том, что движение в режиме ускорение — торможение даже в городском цикле составляет малую часть от всего времени. Из-за этого рекуперация оказывается неэффективной и не обеспечивает в достаточной мере зарядку АКБ, а только вызывает усложнение машины.
• Тем не менее, на гибридных автомобилях рекуперация дает до тридцати процентов экономии энергии. В то же время надо учесть, что ведущими производителями – BMW, Audi, Kia Motors и другими, рекуперация достаточно широко внедряется в том или ином виде, в конструкции своих авто.

Очень широко рекуперация применяется на гоночных машинах, таких как Формула 1, на гибридных автомобилях, но и обычные авто, оснащенные подобными системами, позволяют более эффективно расходовать горючее и обеспечивают его экономию за счет использования энергии торможения и специальных режимов движения.

Мне нравится1Не нравится

Преимущества использования рекуператоров для вентиляции

Приточно вытяжная система – дорогое удовольствие. Не смотря на это, более примитивное оборудование не справится с задачами по:

• очистки воздуха;
• созданию естественного воздухообмена;
• экономии энергоресурсов;
• комфортному микроклимату.

Постоянство – вот чем характеризуется рекуператор, создавая воздухообмен в помещениях. На его работу не могут влиять климатические условия, время года, капризы погоды, температурные перепады. Главная цель рекуператора заключаются в том, чтобы в помещения поступал чистый воздух, комфортной температуры. Для задержки пыли на 90%, а также других частиц, помогут установленные фильтры.

Подобная техника имеет большой срок службы. Смена расходных элементов в блоке, а также регулярное обслуживание, помогут продлить ее эксплуатацию. За эти работы, обслуживающие компании могут выставить не маленький счет, но это стоит того.

Помимо множества преимуществ, система вентиляции с рекуперацией тепла, обладает недостатками:

• Потенциальные клиенты часто отказываются от прибора, по причине высокой стоимости. Но это окупается в течение 3-5 лет.
• При длительной эксплуатации, на стенках прибора может образоваться конденсат. Также минусовые температуры способствуют образованию ледяной корки на стенках прибора и его поломке.
• Некоторые модели теплообменников издают сильный шум при работе. Это приносит дискомфорт при концентрированной работе. Для решения этой проблемы, можно обзавестись оборудованием с хорошей звукоизоляцией.

Оправдается такая дорогостоящая система, благодаря эффективности, которую она приносит людям, а также экономии энергоресурсов.

Частные жилые строения, общественные здания, складские площади, производственные помещения, офисы и другие объекты – вот неполный список, где устанавливают приточно-вытяжные вентиляции, которые работают на основе рекуперации.

ПВР – это актуальная и современная техника, приносящая пользу людям. В нашей стране такое направление не получило широкого использования и распространения. Но в Европейских странах и в Москве, такие приборы устанавливают практически повсеместно.

В помещениях с установленным дровяным котлом или камином, возможно неполное сгорание топлива. Выделяется оксид углерода, имеющий ядовитое воздействие на организмы. При использовании системы воздуховода с рекуператорами, включается приточный вентилятор, улавливающий в воздухе это отравляющее вещество. Влажность поддерживается встроенным гидростатом. Практически каждый прибор оборудован ионизатором. Двухскоростные рекуператоры способны перерабатывать до 100 кубов воздуха в час.

КПД

Никакая машина не способна достичь коэффициента полезного действия в 100% (без нарушения законов физики), так как любая передача энергии неизбежно повлечет за собой потерю в форме тепла, света, шума и т. д. КПД процесса зависит от многих факторов, таких как двигатель, батарея и контроллер, но часто значение оценивается в районе 60-70%. По словам Tesla, их технология обычно теряет 10-20% кинетического потенциала при попытке его захватить, а затем еще 10-20% при преобразовании отложенных запасов обратно в ускорение. Это довольно стандартные числа для основной массы электрических транспортных средств, включая машины, грузовики, велосипеды, самокаты и т. д.

Отметим, что эти 70% не говорят нам, что регенеративное торможение даст 70% -ный рост пути от одного заряда. Технология не приведет к увеличению диапазона от 100 км до 170 км. Это лишь означает, что 70% кинетической энергии, потерянной во время торможения, может быть снова возвращено.

Поэтому рассмотрение лишь КПД системы мало что значит. Что должно нас больше заинтересовать, так это эффективность рекуперативного торможения.

Рекуперативное торможение

Частота вращения: формула

Один из видов торможения – это рекуперативное. При этом скорость вращения электродвигателя больше, чем заданная параметрами сети: напряжением на якоре и обмотке возбуждения в двигателях постоянного тока или частотой питающего напряжения в синхронных или асинхронных двигателях. При этом электродвигатель переходит в режим генератора, а выработанную энергию отдаёт обратно в сеть.

Основным достоинством рекуператора является экономия электроэнергии. Это особенно заметно при движении по городу с постоянно изменяющейся скоростью, пригородном электротранспорте и метрополитене с большим количеством остановок и торможением перед ними.

Кроме достоинств, рекуперация имеет недостатки:

• невозможность полной остановки транспорта;
• медленная остановка при малых скоростях;
• отсутствие тормозного усилия на стоянке.

Для компенсации этих недостатков на транспортных средствах устанавливается дополнительная система механических тормозов.

Как сохранить энергию торможения?

С сутью рекуперации мы, кажется, разобрались, теперь остаётся выяснить, как она реализована на практике. Есть несколько способов повернуть энергию, выделяющуюся при торможении, в нужное русло. Мне известны только два:

• электрический;
• механический.

Электрический метод

Электрическое рекуперативное торможение, с технологической точки зрения можно назвать самым доступным, и именно он наиболее точно подходит под определение этой системе.

Система рекуперативного торможения

Электрический метод актуален для автомобилей с гибридными моторами (ДВС + электропривод) или для электромобилей.

Главную роль тут играют электродвигатели, которые благодаря своим свойствам, могут не только крутить колёса, но и крутиться сами под воздействием внешних сил, превращаясь в генераторы.

В момент рекуперативного торможения, электромотор переключается в генераторный режим и создаёт дополнительное останавливающее усилие на осях. В этом случае он уже не потребляет энергию аккумулятора, а наоборот, подзаряжает его, и так повторяется каждый раз, когда вы нажимаете на тормоз.

Таким образом, по подсчётам автопроизводителей, подобная система рекуперации на гибридном авто экономит до 30% запасов топлива.

Необходимо отметить, что в зависимости от скорости машины, электроника сама выбирает как ей лучше оттормаживаться – с помощью электродвигателя или традиционными методами.

//www.youtube.com/watch?v=yfo6U3bUISM

Механический способ

Механическое рекуперативное торможение. По сути, это не система рекуперативного торможения, а система рекуперации кинетической энергии, так как она не способствует тому, чтобы автомобиль остановился, а просто накапливает часть энергии, выделяющейся во время снижения скорости.

В данном методе в качестве ключевого элемента используется маховик, который раскручивается во время торможения и затем отдаёт эту кинетическую энергию по мере дальнейшего движения авто.

Вращается маховик в вакуумной камере, а при торможении автомобиля раскручивается до 60000 об/мин. Конструкция такова, что она сохраняет энергию во вращательном маховике до 600 кДж, а при отдаче выдает мощность до 60 кВт, что составляет 80 л.с.

Такая система, получившая название KERS, несколько лет назад эксплуатировалась на гоночных машинах Формулы-1, где позволяла кратковременно добавить двигателю внутреннего сгорания ещё несколько десятков лошадиных сил.

В гражданской технике рекуперативное торможение пока является экзотикой и серийно не устанавливается.

Система KERS — рекуперация кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems)

Таким образом, наши дорогие читатели, мы видим, что игры с кинетической энергией, выделяющейся при торможении, могут давать вполне ощутимые результаты в виде экономии топливных ресурсов.

Но, справедливости ради, нужно заметить, что все эти системы довольно дорогое удовольствие, которое пока что очень осторожно становится массовым продуктом. //www.youtube.com/watch?v=IUo7k8KE6nk

//www.youtube.com/watch?v=IUo7k8KE6nk

На этом всё, спасибо за внимание и до новых встреч!

Использование в автомобилестроении

Использование на легковых и грузовых автомобилях

С развитием рынка гибридных и электроавтомобилей система рекуперации зачастую используется для увеличения дальности пробега автомобиля на электрическом заряде.
Наиболее распространенными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt, Honda Insight, Tesla Model S,X,M

Есть отдельные случаи применения системы рекуперации в автомобиле с привычным бензиновым двигателем для сокращения расхода топлива. Такая система разрабатывалась на а/м Ferrari для обеспечения функционирования внутренних мультимедийных и климатических систем автомобиля от отдельной батареи, заряжаемой рекуперируемой энергией.

Система рекуперации энергии при торможении для электромобилей и электровелосипедов подвергается критике. Тормозной путь автомобиля очень мал по сравнению с проезжаемым путём и составляет от нескольких метров до несколько десятков метров (водитель обычно относительно резко тормозит у самого светофора или места назначения, или вообще подъезжает к месту назначения накатом). За такое короткое время аккумуляторы не успевают сколь-нибудь значительно зарядиться рекуперативным током, даже в городском цикле при частых торможениях. Экономия энергии за счёт рекуперации в лучшем случае составляет доли процента, и поэтому система рекуперативного торможения электромобиля неэффективна и не оправдывает усложнения конструкции. К тому же рекуперативное торможение не освобождает от необходимости обычной колодочной тормозной системы, так как на малых оборотах двигателя в режиме генератора его противо-ЭДС мала и недостаточна для полной остановки автомобиля. Также рекуперативное торможение не решает проблему стояночного тормоза (за исключением искусственного динамического удержания ротора на месте, на что расходуется значительная энергия). В современных электромобилях имеется возможность настройки педали «газа» — при её отпускании электромобиль либо продолжает двигаться по инерции накатом, либо переходит в режим рекуперативного торможения.

Однако рекуперация эффективна для электротранспорта с его частыми участками разгона-торможения, где тормозной путь большой и соизмерим с расстоянием между станциями (метро, пригородные электропоезда).

Использование в автоспорте

В сезоне 2009 года в Формуле-1 на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей и дальнейшие совершенствования данной системы.

Впрочем, у Формулы-1 с её мощным двигателем разгон на малых скоростях ограничивается сцеплением шин, а не крутящим моментом. На высоких же скоростях использование KERS не столь эффективно. Так что по результатам сезона-2009 оснащённые данной системой болиды не демонстрировали превосходства над соперниками на большинстве трасс. Однако это может объясняться не столько неэффективностью системы, сколько трудностью её применения в условиях строгих ограничений на вес машины, действовавших в 2009 году в Формуле-1.
После соглашения команд не использовать KERS в 2010 году для сокращения издержек, в сезоне 2011 года использование системы рекуперации было продолжено.

По состоянию на 2012 год на систему KERS налагаются следующие ограничения: передаваемая мощность не более 60 кВт (около 80 л.с.), ёмкость хранилища не более 400 кДж. Это означает, что 80 л.с. можно использовать не более 6.67 с на круг за один или несколько раз. Таким образом, время круга можно уменьшить на 0.1-0.4 с.

Техническим регламентом Формулы-1, утверждённым FIA на 2014 год, предусмотрен переход на более эффективные турбомоторы со встроенной системой рекуперации (ERS). Применение двойной системы рекуперации (кинетической и тепловой) в сезонах 2014—2015 годов стало гораздо более актуально из-за введения жёстких регламентных ограничений на расход топлива — не более 100 кг на всю гонку (в прошлые годы 150 кг) и мгновенный расход не более 100 кг в час. Неоднократно можно было наблюдать, как во время гонки при выходе из строя системы рекуперации машина начинала быстро терять позиции.

Рекуперативное торможение используется также в гонках на выносливость. Такой системой оснащены спортпрототипы класса LMP1 заводских команд Audi R18 и , .

Виды

Согласно устройству и принципу действия, рекуператоры делятся на несколько видов. В настоящее время востребованными считаются 3 разновидности воздухоотвода.

Роторный

Приспособление роторного типа характеризуется наличием ротора в конструкции. Корпус изделия обычно изготовлен из нержавейки либо оцинкованного листа. Во вращение около горизонтали ротор приводит подача электрического питания. Одними из основных рабочих элементов рекуператора являются ленты гофрированного типа, сделанные из алюминия, которые намотаны на специально предназначенный вал.

Помимо множества преимуществ, среди минусов данного агрегата можно назвать крупные габариты и присутствие движущихся частиц, которые могут изнашиваться и нуждаются в периодической замене.

Пластинчатый

Пластинчатый коаксиальный рекуператор с подогревом входящего воздуха имеет ограждение входного и выходного воздуха при помощи алюминиевых пластинок. На этих деталях происходит образование конденсата. Если погода морозная, то можно заметить, что трубчатое приспособление покрывается льдом. Растопить льдинки поможет электронагреватель. В процессе отогревания не осуществляется теплообмена, поэтому показатель эффективности равен нулю. В этом случае также снижается работоспособность. После того как отогреется холодный воздух, режим отдачи увеличится до 90%.

Рециркуляционный водяной

Рециркуляционные рекуператоры или размещаемые на крыше передают энергию тепла в приточный теплообменник при помощи воды, антифриза. Данное устройство имеет непосредственное сходство в производительности с пластинчатыми рекуператорами. Главным отличием водяного устройства считается то, что функционирует оно как система водяного отопления. Недостаток агрегата заключается в невысоком КПД и необходимости частого технологического обслуживания. Рекуператор данного вида можно расположить на крыше, тем самым сэкономив пространство в помещении. Также ему не требуется частое техобслуживание.

Камерный

Встреча тепла и холода в данной модели рекуператора происходит в общей камере, что отделена заслонкой. Также данная конструкция имеет некоторые движущиеся детали. Через некоторое время заслонка может развернуться и поменять свое направление. Передача тепла происходит через камерные стенки.

После нагревания воздуха можно заметить повторение вышеописанной процедуры. Так как встроенные детали в рекуператоре подвижны, имеется вероятность смешивания двух воздушных потоков. По этой причине не исключается загрязнение чистого воздуха втягивание разнообразных ароматов снаружи. Камерному прибору свойственна эффективность от 50 до 70%.

Фреонный

В данном случае рекуператором выступают трубки фреона. Если воздух теплый, то происходит испарение фреона. Низкая температура среды способствует образованию конденсата. Расположение потоков сосредоточено в тепловых трубах под названием термосифоны.

Во время вытяжного потока происходит нагрев одного конца трубы, после этого содержащееся в ней вещество начинает кипеть и направляет тепло к другому окончанию трубы. Вследствие этого наблюдается конденсация фреона, который отдает тепло. Результатом всех вышеперечисленных мероприятий является повышение температуры. Эффективность фреонного рекуператора может составлять от 50 до 70%.

Система старт стоп с рекуперацией

Она реализована на машинах многих семейств – BMW, Audi и другие, успешно ее применяют в конструкции своих авто. Чаще всего ее назначение – экономия топлива, но зачастую при этом она работает совместно с режимом рекуперации энергии. Исследования показали, что до тридцати процентов времени, мотор работает на холостом ходу из-за остановок на светофорах, пробок и других помех движению. Вот в таких условиях применяется режим старт стоп.

Основой его является такой подход – при остановке (в пробке, на светофоре и т.д.) мотор глушится (стоп), а при необходимости начать движение запускается (старт). Все эти действия выполняет электроника, анализируя показания датчиков о режиме работы двигателя и выполняемых водителем действиях. В некоторых случаях этот процесс дополняется рекуперацией, торможение также способствует получению дополнительной зарядки АКБ.

Для того чтобы система, названная по используемому режиму старт стоп, работала успешно, необходимо наличие на машине усиленного стартера или стартер-генератора. В самом простом варианте система, принцип работы которой описан выше, позволяет экономить до восьми процентов топлива, а также снижает содержание вредных веществ в составе выхлопных газов. По оценкам специалистов, в ближайшем будущем не только машины BMW или Audi смогут работать в режиме старт стоп, но подобное станет чуть ли не обязательным для всех производителей.

Однако у ряда из них, система рекуперации энергии дополняет описанный подход. Да и не только рекуперация энергии торможения.