бабулер83

Обзор применения солнечной энергетики на железнодорожном транспорте

А.В. ФРОЛКОВ, инженер I категории отдела высокоскоростного моторвагонного подвижного состава,
В.В. КОБЫЛЯНСКИЙ, заместитель директора,Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства — филиал ОАО «РЖД»

Данная статья посвящена обзору применения солнеч-
ной энергетики на подвижном составе. Речь пойдет о развитии применения солнечных панелей на железнодорожном транспорте в мире.


С каждым годом растет популярность применения фотоэлектрических модулей (солнечных батарей) в целях электроснабжения городской инфраструктуры, объектов транспорта, а также для бытового применения частными домовладениями. В настоящее время фотоэлектрические модули становятся неотъемлемой частью городских агломераций, исключают воздействие на окружающую среду, а также позволяют экономить бюджет.
Анализ зарубежного опыта также показывает растущий интерес у мирового научного сообщества к альтернативной промышленной энергетике, так как является чистым, возобновляемым источником энергии и в недалеком будущем может стать неотъемлемой частью энергетических систем.
На «Саммите Земли» в 1992 г. более чем 180 странами мира была подписана «Рамочная конвенция ООН об изменении климата» (РКИК ООН), предусматривающая развитие сегмента альтернативной энергетики. В 1997 г. в Киото был принят дополнительный документ к РКИК ООН «Киотский протокол», который вступил в силу с 2005 г. Основная цель, указанная в протоколе, это стабилизация уровня концентрации парниковых газов в атмосфере, при котором не допускается опасное антропогенное воздействие на климатическую систему планеты [1], а также снижение такого параметра как предельно допустимая концентрация ртути.
В 2015 г. было принято Парижское соглашение, которое является отдельным документом в РКИК ООН. Суть его заключается в снижении темпов глобального потепления. Страны-участники пересматривают свои индивидуальные вклады в достижение общей цели раз в 5 лет. Россия ратифицировала соглашение в 2019 г. и должна к 2030 г. достичь выбросов парниковых газов не более 70 % от уровня 1990 г. [2].

В 2020 г. была принята Энергетическая стратегия РФ, рассчитанная до 2035 г., которой устанавливается, что доля возобновляемых источников энергии в российской энергосистеме к этому году должна достичь 3 — 5 % [3]. Одним из источников альтернативной энергетики являются фотоэлектрические модули или солнечные батареи, именно об этих системах пойдет речь в данной статье.
В настоящее время существуют несколько разновидностей фотоэлектрических модулей, которые определяют их эффективность (КПД): поли- и монокристаллические, а также тонкопленочные, способные принимать относительно любую форму.
Эффективность электрогенерации солнечными панелями зависит от интенсивности облучения поверхностей солнечным светом (инсоляции). На рис. 1 представлена карта инсоляции Российской Федерации.
В странах или регионах с наибольшей инсоляцией осваивается эксплуатация солнечных электростанций (СЭС), повышается их мощность. Также увеличивается эффективность преобразования солнечной энергии и развитие технологии производства. Как следствие, стоимость солнечных батарей и преобразователей становится доступной как для промышленных корпораций, так и индивидуального потребительского рынка. Наша страна обширна и имеет опыт эксплуатации СЭС, а именно в Крыму, на Алтае, Ставропольском крае, Астраханской, Самарской и Оренбургской областях [4, 5].
С развитием стационарных технологий генерации солнечной энергии постепенно происходит расширение применения фотоэлектрических модулей в машиностроении, а именно: на автомобильном, морском и железнодорожном транспорте. Это связано со стремлением к повышению энергоэффективности транспорта. При современном уровне развития техники и технологий возможно создание дополнительных транспортных систем и устройств на основе альтернативной энергетики, реализация которых позволит прийти к декарбонизированной экономике, соблюдению требований охраны окружающей среды и позволит следовать энергетическим стратегиям.
Первая футуристичная концепция применения солнечной энергии на железнодорожном транспорте была представлена в 2010 г. во Франции для компании Bombardier от промышленного дизайнера Ф. Люпена. Он предложил идею экологичного поезда для серии ECO 4 (рис. 2) — концепт, представленный на европейской выставке «YouRail Train Interior Design Contest» в качестве перспективного городского транспорта [6].
Поезд примечателен своим дизайном, обусловленным применением солнечных панелей на городском транспорте. По замыслу Ф. Люпена, при изготовлении вагонов должны применяться легкие и прочные материалы, а сам состав может приводиться в движение энергией, получаемой от Солнца. При этом в целях повышения энергоэффективности поезда при передвижении на высокой скорости в нем применена технология магнитной левитации [7].
Солнечные панели, располагающиеся над потолком вагонов, способны не только вырабатывать энергию для силовой установки поезда, но могут освещать салон и обеспечивать энергией пассажиров для подзарядки своих устройств. Также концепт подразумевал такую
технологичность крепления панелей, которая бы позволяла автоматически поворачивать их в сторону Солнца для увеличения инсоляции и повышения эффективности [7].
Интересен опыт и других стран по применению фотоэлектрических модулей на железнодорожном транспорте. В 2015 г. в Индии был разработан поезд с применением фотоэлектрических модулей для питания собственных нужд. Разработкой занимались национальный Объединенный завод по производству вагонов Integral Coach Factory и филиал Индийского технологического института в Ченнаи (ПТ Madras).


Ожидалось, что на первом этапе солнечные панели смогут удовлетворить 15 % потребности поезда в электроэнергии. Помимо данного функционала, ожидалось, что в момент стоянки состава вырабатываемая электроэнергия будет подаваться в национальную сеть [8].
В 2017 г. был введен в эксплуатацию первый прототип гибридного поезда, оснащенного солнечными панелями (рис. 3). Фотоэлектрические модули могли генерировать 20 кВт-ч электроэнергии за сутки. По расчетам, один такой состав позволил экономить до 21 тыс. л дизельного топлива в год.

Состав состоит из шести вагонов с солнечными панелями, расположенными на крыше (рис. 4). На одном вагоне размещаются 16 солнечных батарей, мощность каждой из которых составляет 300 Вт. Движение поезда осуществляется при помощи дизельных двигателей, а электроприборы, система управления, системы открывания дверей и информационные табло получают электроэнергию, сгенерированную солнечными батареями [9].
Одновременно в 2017 г. в Австралии начал свою работу двухвагонный дизель-поезд Byron Bay Train (рис. 5), который представляет собой полностью восстановленный ретро-состав, переоборудованный под использование солнечной энергии для движения подвижного состава. Один из двух дизельных двигателей поезда был снят и заменен парой тяговых электродвигателей, а также тяговыми инверторами, добавлены блок литий-ионных аккумуляторов и дополнительное оборудование. На крыше каждого из вагонов установлены гибкие солнечные панели, которые генерируют до 6,5 кВт солнечной энергии для зарядки аккумуляторов поезда [10].
Зарядка аккумуляторов также осуществляется в депо приписки поезда Byron Bay Train {рис. 6). На крыше депо расположены фотоэлектрические панели, способные вырабатывать до 30 кВт электроэнергии.
Компания ОАО «РЖД» следует тренду, и подобный опыт применения фотоэлектрических модулей рассматривается, внедряется на стационарных объектах. Одними из примеров являются гибридная солнечная электростанция на железнодорожном вокзале Анапы, а на подвижном составе — разработанные в Проектно-конструкторском бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» (ПКБ ЦТ) Технические требования к маневрово-вывозным электровозам (локомотивам), утвержденные распоряжением ОАО «РЖД» от 27.01.2021 № 146р. [11], а также эскизный проект по дооснащению солнечными батареями маневрового тепловоза ТЭМ18ДМ.
Техническими требованиями предусмотрена модификация перспективного мультимодульного маневрового локомотива, оборудованного фотоэлектрическими модулями (рис. 7).


Эскизным проектом предусматривается установка на тепловоз ТЭМ18ДМ дополнительной бортовой системы электрогенерации, включающей в себя: установленные на боковые ограждения тепловоза поликристаллические солнечные модули с устройствами для их крепления, аккумуляторные батареи, контроллер широтно-импульсной модуляции, электрические кабели и соединения. Особенностью проекта являются разрабатываемые устройства крепления солнечных модулей, способных снижать уровень вибрации, возникающей во время работы локомотива, и обеспечивать оперативный сервис солнечных модулей (рис. 8).
Бортовая система электрогенерации предназначена для питания собственных нужд тепловоза: кондиционера, радиостанции, холодильника, прожекторов, буферных фонарей, освещения кабины, а также дополнительного оборудования для проведения путевых работ с различным уровнем напряжения. Серия локомотива выбрана исходя из географии эксплуатации и обеспечения наибольшего уровня инсоляции в пределах железных дорог, а именно: Дальневосточной, Забайкальской, Восточно-Сибирской и Западно-Сибирской.

Компания ОАО «РЖД» на системной основе развивает направления эффективного использования всех видов ресурсов для снижения антропогенного воздействия на окружающую среду. Существуют экологические и энергетические стратегии для реализации долгосрочных целей по достижению транспортно-экономического и экологического баланса. Развитие применения на железнодорожных инфраструктуре и транспорте систем
солнечной электрогенерации будет способствовать достижению данных целей.

Библиография
1. Киотский протокол от 11 декабря 1997 г.
2. Парижское соглашение от 12 декабря 2015 г.
3. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 г.
4. Информационный сайт «Recyclemag». Статья: «Аналитики компании «Neosun Energy» составили рейтинг самых крупных солнечных электростанций в России. Recyclemag публикует фотоподборку крупнейших российских СЭС». 04.08.2020, - URL: https://recyclemag.ru/ article/top-krupneishih-solnechnih-elektrostantsii-rossii.
5. Официальный сайт компании «Солар Систем». Карта инсоляции Российской Федерации - URL: http://solarsystems.msk.ru/about-company/.
6. Официальный сайт компании Bombardier. Статья: «Passengers Design Train Interiors: Bombardier Chooses Winners of the YouRail Design Contest at InnoTrans 2010», 20.09.2010, - URL: https://bombardier.com/en/media/news/passengers-design-train-interiors-bombardier-chooses-winners-yourail-design-contest.
7. Информационный ресурс по дизайну и экологии «Inhabitat». Статья: «Solar-Powered MagLev Concept Train is Sleek Alternative Transportation», 15.06.2010, - URL: https://inhabitat. com/solar-powered-maglev-concept-train-for-bombardier/bombardier-eco-4-concept-6/.
8. Сайт журнал «Naked Science». Статья: «Индия создаст поезд на солнечных батареях», 06.07.2015, - URL: https://naked-science.ru/article/hi-tech/indiya-sozdast-poezd-na-solnec.
9. Сайт журнала «Railway Supply». Статья: «Солнечная энергия — используем для нужд железнодорожного транспорта», 08.11.2020 , - URL: https://www.railway.supply/solnechnaya-energiya-ispolzuem-dlya-nuzhd-zheleznodorozhnogo-transporta/.
10. Официальный сайт компании и поезда «Byron Bay Railroad Company» - URL: https:// byronbaytrain.com.au.
11. «Маневрово-вывозной электровоз (локомотив). Общие технические требования». Распоряжение ОАО «РЖД» от 27.01.2021 №146/р