Aktuálne štatistiky ukazujú, že napríklad vodič v Bratislave strávi v kolóne približne 32 minút za deň. Ročne je to pritom až 122 hodín. V Košiciach vodiči strávili v kolóne približne 22 minút za deň a celkovo 85 hodín za rok [1]. Množstvo dopravných prostriedkov a hustá premávka vo veľkých mestách výrazne zaťažujú životné prostredie. Rozmýšľali sme, ako by sa táto záťaž na životné prostredie dala zmierniť. Jednou z možností je napríklad používanie autobusov mestskej hromadnej dopravy (MHD) na elektrický pohon. Zaujala nás myšlienka, či by bolo možné nahradiť zdroj energie - akumulátor v elektrobusoch, ľahšími a ekologickejšími kondenzátormi.
Pred tým, ako sa začneme zaoberať problematikou kondenzátorov, ich správania sa v elektrickom obvode a ich využitia v elektrotechnickom prostredí, by sme sa radi zamysleli nad tým, aké ďalšie využitie by takéto kondenzátory mohli mať. Aby sme sa mohli zaoberať inými novými spôsobmi využitia kondenzátorov, potrebujeme poznať ich najzákladnejšiu vlastnosť a tou je kapacita. Každý kondenzátor vo svojom obale obsahuje dve elektródy, medzi ktorými je vložené dielektrikum. Základnou vlastnosťou každého kondenzátora je schopnosť nabiť sa a udržať si elektrický náboj až do postupného vybitia. Jednotlivé kondenzátory sa líšia svojou konštrukciou, tvarom, kapacitou, maximálnou napäťovou hodnotou a tým aj svojím využitím v elektrotechnike. Každý typ kondenzátora má svoje využitie a týmto spejeme k otázke: „Dal by sa kondenzátor alebo sústava kondenzátorov využiť ako nový typ zdroja pre pohon v elektrických mestských autobusoch?“ Odpoveďou na túto otázku sme sa zaoberali v rámci našej práce.
Práca je rozdelená na dve časti: teoretickú a praktickú časť. V prvej časti sa venujeme problematike mestskej hromadnej dopravy, základným vlastnostiam kondenzátorov a ich možnému využitiu. Keďže sa kondenzátory dokážu nabiť na určité napätie a dokážu ho dodávať po určitú dobu, tak by celkom dobre mohli poslúžiť ako zdroj energie pre trakčný motor eklektického mestského autobusa. V rámci našej práce bolo našim cieľom navrhnúť, zostrojiť a otestovať model takéhoto elektrického autobusa mestskej hromadnej dopravy s inovatívnym ekologickým uskladnením energie v kondenzátoroch. Návrh, postup konštrukcie a vyhodnotenie testovacích jázd takéhoto modelu autobusa sú predmetom praktickej časti tejto práce.
Ako bolo spomenuté v Úvode, cieľom práce je navrhnúť, zostrojiť a otestovať model elektrického autobusa pre mestskú hromadnú dopravu, kde by ako zdroj energie slúžili kondenzátory. Snažili sme sa o výrobu takého modelu autobusa, ktorý by šetril životné prostredie a bol cenovo výhodný.
Jedným z cieľov našej práce bolo zistiť, ktorý typ kondenzátora bude svojimi parametrami a konštrukciou vhodný na pohon modelu autobusa a taktiež cieľom bolo nájsť aj vhodný spôsob uloženia a zapojenia kondenzátorov. Jednou z dôležitých úloh bola konštrukcia modelu autobusovej zastávky, ktorá slúži na dobitie kondenzátorov počas výstupu a nástupu „cestujúcich“ do modelu elektrického autobusa mestskej hromadnej dopravy s uskladnením energie v kondenzátoroch.
Rôznymi testovacími jazdami sme sa pokúsili zistiť funkčnosť modelu a odpovedať na otázku, či by bolo možné v reálnej praxi uskutočniť tento nápad.
Mestskú hromadnú dopravu v Košiciach prevádzkuje Dopravný podnik mesta Košice (DPMK), akciová spoločnosť. Čo je zaujímavé, DPMK, a.s., je pokračovateľom prevádzky najstaršej mestskej hromadnej dopravy na Slovensku. Už v roku 1891 bola v Košiciach prevádzkovaná koľajová doprava, ktorá bola plne elektrifikovaná v roku 1914. Od polovice 50-tych rokov sa začala prevádzka autobusov a od roku 1993 prevádzka trolejbusov [2]. V súčasnosti premávku zabezpečujú električky, trolejbusy (momentálne nie sú v prevádzke) a autobusy.
Mestská hromadná doprava má pre životné prostredie veľký význam. Stačí, keď sa zamyslíme nad tým, koľko ľudí môže cestovať jedným vozidlom hromadnej dopravy a koľko osobných áut by bolo potrebných, aby odviezli rovnaký počet cestujúcich. Podľa Výročnej správy 2015 DPMK, a.s. [3] bol počet prepravených osôb mestskou hromadnou dopravou v Košiciach za daný rok viac ako 80 miliónov.
Dopravné systémy MHD v Košiciach zahrňujú:
• autobusovú dopravu,
• trolejbusovú dopravu (momentálne mimo prevádzky),
• električkovú dopravu.
DPMK, a.s. zabezpečoval celkové výkony vo výške 15 019 tis vozkm, z toho podľa jednotlivých typov dopráv bola nasledovná [3]:
• električková doprava 13,7 %,
• trolejbusová doprava 0,4 %,
• autobusová doprava 85,9 %,
z toho: - elektrický pohon 0,8 %,
- plynový pohon 12,7 %,
- naftový pohon 72,4 %.
Z tejto štatistiky vyplýva, že najviac používaným dopravným systémom v meste Košice je autobusová doprava na naftový pohon.
Pri používaní trolejbusov v MHD najväčším problémom ostáva staré medené trakčné vedenie, ktoré je náročné na údržbu a nedá sa priviesť na všetky miesta a trasy. Linky neobsahujúce trakčné vedenie sú pokryté aj autobusmi jazdiacimi na CNG. Tieto autobusy síce vylučujú menej emisií obsahujúcich ťažké kovy, no napriek tomu pomerne dosť znečisťujú ovzdušie v meste a aj v jeho okolí. Postupne sa do vozového parku MHD začleňujú autobusy poháňané trakčnými akumulátormi, ktoré sú ale dosť ťažké, majú obmedzenú výdrž aj životnosť a ich nabíjanie trvá príliš dlho. Použitím trakčných akumulátorov na pohon autobusu sa zvyšuje jeho hmotnosť, čím jeho spotreba elektrickej energie stúpa a jeho rýchlosť a počet prepravovaných osôb klesá dôsledkom veľkých rozmerov a hmotnosti akumulátorov. Nabíjanie takýchto batérií ostáva stále problémom z dôvodu dĺžky nabíjania a výdrže samotnej batérie (dojazd autobusu).
V rámci našej práce sa zaoberáme myšlienkou použitia sústavy kondenzátorov ako inovatívneho ekologického zdroja elektrickej energie pre pohon elektrobusa. Výhody takéhoto prístupu sú opísané v nasledujúcej časti.
Kondenzátor je dvojpólová súčiastka konštruovaná tak, aby mala kapacitu požadovanej veľkosti. Je to pasívna elektronická súčiastka využívajúca efekt elektrostatického náboja vznikajúceho medzi dvoma odizolovanými vodivými plochami. Určujúcimi parametrami sú styčná plocha, druh izolácie a hrúbka izolácie. Konštrukčne sa kondenzátory riešia ako formy zvitkov. Stočené vodivé plášte môžu mať pomerne vysokú kapacitu. S rastúcou hodnotou kapacity rastú aj rozmery kondenzátora. Kvalita izolácie medzi vodivými plášťami určuje ako hodnotu, tak predovšetkým kvalitu kondenzátorov.
Ideálnym dielektrikom (izoláciou) je vákuum (aj vzduch), ale to spôsobuje nemalé konštrukčné problémy. Ako praktické dielektrikum sa u nižších kapacít používa sľuda, alebo keramika. Tá má dobré proti-prierezové vlastnosti. Hovoríme o suchých kondenzátoroch. U kondenzátorov s vyššou kapacitou sa používajú ako dielektriká tzv. elektrolyty. Hlavnou odlišnosťou týchto kondenzátorov je nutnosť dodržania polarity. Polarita spravidla nemá vplyv na funkciu obvodu, ale pri otočenej polarite sa rozkladá elektrolyt a znižuje sa životnosť kondenzátora.
V Tabuľke 1 sú zhrnuté základné rozdiely medzi akumulátormi a kondenzátormi. Z hodnôt uvedených v Tabuľke 1 vyplýva, že na pohon elektrobusa v MHD by bolo možné využívať ako zdroj energie kondenzátor. Medzi jeho výhody patrí nízka hmotnosť, cca 1/3 hmotnosti lítiových akumulátorov, vysoká účinnosť, až 98% a oveľa väčší počet cyklov nabitia a vybitia (viac ako 500 000 cyklov). V rámci použitia kondenzátorov v elektrických mestských autobusoch je ich prednosťou aj krátka doba nabíjania v porovnaní s akumulátormi. Predpokladáme, že túto prednosť by bolo možné využiť vybudovaním nabíjacích staníc v autobusových zastávkach, kde k nabíjaniu kondenzátorov dochádza počas výstupu a nástupu cestujúcich. Pričom je toto nabitie postačujúce na to, aby elektrobus prešiel vzdialenosť po nasledujúcu zastávku. Z ekonomického hľadiska je výhodou takéhoto elektrobusa aj jeho možná 24 hodinová prevádzka, na rozdiel od elektrobusov na akumulátory, ktoré vyžadujú niekoľkohodinovú odstávku na opätovné nabitie akumulátorov.
Podľa [4] je spotreba elektrobusa necelý 1kWh na 1km.
Keď prevedieme jednotky energie z kWh na Joule: 1 kWh = 3,6 MJ = 3 600 000 J
Nabíjanie kondenzátora:
Teda nabíjanie takého kondenzátora môže trvať v závislosti na nabíjacom prúde (Tab. 2):
Ako model bol použitý autobus na diaľkové ovládanie (Obr. 1), ktorý sme zakúpili v internetovom obchode.
Zdrojom energie pre tento autobus bol štvorčlánkový akumulátor s celkovým napätím 4,8 V (Obr. 2 (vľavo)). Z autobusu sme odstránili akumulátor a nahradili sme ich sústavou kondenzátorov (Obr. 2 (vpravo)). Použili sme vysokokapacitné elektrolytické kondenzátory s kapacitou 10 F a napätím 2,7 V (Obr. 3(vľavo)). Spolu 8 kusov bolo zapojených sériovo – paralelne (Obr. 3(vpravo)). Výsledná kapacita tohto zapojenia je 20 F a 5,4 V, čo je postačujúce pre jazdu modelu autobusu na približne 1 min.
Nahradenie pôvodných akumulátorov (vľavo) sústavou kondenzátorov (vpravo).
Použité kondenzátory s kapacitou 10 F a napätím 2,7 V (vľavo) a sériovo-paralelné zapojenie kondenzátorov (vpravo).
Pri návrhu tohto zapojenia sme vychádzali z predpokladu, že autobus má odber 0,5 A a požadovaná dĺžka jazdy je 1 minúta. Na tento účel je pri napätí 5 V potrebný kondenzátor s kapacitou 6 F.
Výpočet: 0,5 A x 60 s = 30 As = 30 C. Pri napätí 5 V, 30 C / 5 V = 6 F.
Táto hodnota predstavuje teoretickú kapacitu potrebnú pre pohon modelu autobusa. Testovacie jazdy ukázali, že nevieme využiť celú kapacitu kondenzátora: ako sa vybíja kondenzátor, pri poklese napätia na 3,5 V prestáva elektronika autobusa pracovať. Preto je v obvode zapojených 8 kondenzátorov s celkovou kapacitou 20 F. Následné vylepšenie by mohlo spočívať v navrhnutí meniča, ktorý využije celú kapacitu kondenzátorov.
Model bol doplnený o strešné zberače (Obr. 4), cez ktoré sa nabíja sústava kondenzátorov počas státia na autobusovej zastávke. Zberače sú vyhotovené z dvoch medených lankových vodičov farebne odlíšených: červená – kladný pól a čierna – záporný pól.
Strešný zberač
Model autobusovej zastávky (Obr. 5) je vyhotovený z plexiskla, pričom strecha je predĺžená a na izolátoroch sú umiestnené nabíjacie troleje vyhotovené z 0,3 mm nerezového plechu. Ku nabíjacím trolejom je privedený prúd pomocou vodičov pripojených na stabilizovaný zdroj prúdu. Na zdroji je nastavené napätie 5 V. Prúd je obmedzený na 5 A. Zastávka je vybavená lavičkou a cestovným poriadkom.
Model autobusovej zastávky
Počas testovacej jazdy model autobusa prešiel 26,5 m za 35 s na jedno nabitie (Pozn. Prvé nabitie trvalo 34 s). Po zastavení na zastávke opätovné nabíjanie kondenzátorov trvalo približne 20 s (Obr. 6), čo bolo možné sledovať na ampérmetri zdroja. Zvýšením nabíjacieho prúdu je možné tento čas skrátiť, ale môže dochádzať k zahrievaniu vodičov. Tento typ kondenzátorov môže byť nabíjaný maximálnym prúdom 12 A.
Model autobusa v autobusovej zastávke pri dobíjaní
Výsledkom našej práce je funkčný model autobusa s inovatívnym ekologickým uskladnením energie v sústave kondenzátorov. Výhodou voči akumulátorom je takmer nekonečný počet nabití a vybití a menšia hmotnosť v porovnaní s akumulátormi. Ak by sa využila rekuperácia pri brzdení, tak by sa zväčšil dojazd autobusu, prípadne by sa skrátil čas nabíjania a znížili prevádzkové náklady. Pri doplnení o výkonovú elektroniku by sa mohli použiť aj na trasách kde je vybudované trolejbusové vedenie ako hybridné vozidlo. Dôležitou výhodou kondenzátorov je aj ich ekologickejšia výroba. Návrh, konštrukcia a testovacie jazdy modelu autobusu naznačujú možné použitie takéhoto typu zdroja energie aj v reálnej praxi. Zavedenie tejto technológie do hromadnej výroby by znížilo cenu vstupných nákladov.
Využívanie elektrických mestských autobusov má pozitívny vplyv na ovzdušie v meste, ale svojím odberom prúdu a pomerne veľkým zaťažením elektrárni vplývajú na vyššiu produkciu emisií a tepla z jadrových elektrárni, ktoré zásobujú elektrickou energiou a aj elektrické trate pre električky a elektrické mestské autobusy. Samozrejme využitie elektrickej energie je obrovským prínosom pre mestské ovzdušie, pretože je vo vzduchu menej sadzí, ktoré produkujú dieselové motory takýchto autobusov, ktoré napriek spĺňaniu najnovších emisných noriem s využitím rôznych druhov katalyzátorov a DPF filtrov, ktoré pri procese svojej regenerácie, čiže spaľovaní nasádzaných sadzí vyprodukujú popolček, ktorý je zdraviu škodlivý. Využitím kondenzátorov resp. sústavy kondenzátorov na pohon elektrického mestského autobusa by sme tak eliminovali množstvo dieselových motorov využitých na pohon autobusov a aj nárazové zaťaženie elektrárni zásobujúcich energiou celé mesto aj elektrické trate MHD. Mesto by sa tak zabavilo neskutočne dlhých vedení, na ktorých vznikajú aj mnohé poruchy a obrovské napäťové straty. Keďže zastávky MHD sú za sebou v pomerne krátkych vzdialenostiach, kondenzátory by dokázali zásobovať autobus po najbližšiu zastávku, kde by sa počas nastupovania a vystupovania nabíjali pomocou nabíjačky alebo pomocou nabíjacích staníc zabudovaných v jednotlivých zastávkach. Po nabití kondenzátorov by sa autobus dokázal dostať na nasledujúcu zastávku s rezervou. Tým, že sa kondenzátory rýchlo nabíjajú, nedochádzalo by k žiadnym veľkým časových obmedzeniam. Návrhom, konštrukciou a otestovaním modelu autobusa s inovatívnym ekologickým uskladnením energie vo forme kondenzátorov sme ukázali funkčnosť takéhoto prístupu.
