W środę 23 października br. na Politechnice Śląskiej – Wydział Mechaniczny Technologiczny odbyła się publiczna dyskusja nad rozprawą doktorską pracownika Instytutu KOMAG pana mgr. inż. Mariusza Woszczyńskiego. Promotorem rozprawy doktorskiej pod tytułem „Sterowanie zasilaniem elektrycznym maszyny górniczej z zastosowaniem układu rekuperacji energii” był prof. dr hab. inż. Jerzy Świder.
Rolę recenzentów powierzono: prof. dr. hab. inż. Januszowi Kowalowi z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie oraz dr. hab. inż. Gabrielowi Kost, prof. nzw. w Pol. Śl.
W toku prac podjęto działania prowadzące do utworzenia metod i technik badawczych umożliwiających opracowanie systemu odzyskiwania i przetwarzania energii cieplnej na elektryczną, szczególnie w odniesieniu do napędów spalinowych stosowanych w górnictwie. Przedstawiono ideę rozbudowy stanowiska do badania silników spalinowych o nowe możliwości badawcze. Prowadzono prace związane z analizą konstrukcji stanowiska, pod kątem możliwości przeprowadzenia odpowiednich modyfikacji i badań systemu odzyskiwania i przetwarzania energii cieplnej na elektryczną.
W ramach pracy opracowano model 3D rekuperatora, który umożliwił przeprowadzenie dalszych prac badawczych. Koncepcja rekuperatora utworzona na podstawie ogniw Peltiera zakłada wykorzystanie rdzenia w postaci komory ogrzewanej spalinami z silnika, na którego powierzchniach zewnętrznych zostaną zabudowane połączone ze sobą termoogniwa. Ogniwa Peltiera działają jako pompa ciepła, która po podaniu napięcia skutecznie odprowadza ciepło ze strony „zimnej” na stronę „gorącą”. Ogniwo termoelektryczne można jednak wykorzystać do zamiany energii cieplnej (różnica temperatur po obu stronach modułu) na elektryczną, zgodnie ze zjawiskiem Seebecka.
W celu zweryfikowania poprawności rozwiązań przyjętych w koncepcji oraz ze względu na ograniczone możliwości stosowania termoogniw należało ustalić odpowiednie warunki ich pracy. Przeprowadzono analizę rozkładu temperatur i przepływu ciepła w modelu rekuperatora, wykorzystując metodę komputerowej dynamiki płynów – CFD (Computational Fluid Dynamics).. Analiza miała również na celu obniżenie kosztów testowania i modyfikowania prototypowego urządzenia poprzez ograniczenie wystąpienia potencjalnych błędów projektowych i zakresu niezbędnych korekt. Etap wirtualnego prototypowania był również ważny ze względu na możliwości pozyskania dodatkowej wiedzy o zjawiskach cieplno-przepływowych i ograniczenia ewentualnych zmian w układzie wylotowym silnika. Przeprowadzone analizy pozwoliły na zidentyfikowanie cech, mogących powodować ograniczenie wydajności rekuperatora.
W ramach pracy zaprojektowano i wykonano stanowisko do badania efektywności oraz wyznaczania charakterystyk ogniw termoelektrycznych. W celu przystosowania mierzonych wartości napięcia i prądu do możliwości sterownika PLC opracowano odpowiedni przetwornik pomiarowy. Na stanowisku prowadzono badania laboratoryjne 5 typów ogniw termoelektrycznych. Po przeanalizowaniu wyników badań i opracowaniu charakterystyk prądowych, do budowy prototypu rekuperatora wytypowano 2 najbardziej wydajne modele termoogniw.
Opracowano szczegółową koncepcję modelu rekuperatora, na której podstawie wykonano dokumentację techniczną prototypu. Po zbudowaniu prototypu prowadzono jego badania na odpowiednio przystosowanym stanowisku do badań silników spalinowych, znajdującym się na wyposażeniu Komag-u. Przeprowadzone badania umożliwiły określenie maksymalnej generowanej mocy rekuperatora który był na bieżąco modyfikowany. Analizy wyników poszczególnych badań umożliwiły wprowadzenie zmian zwiększających wydajność rekuperatora. Ostateczny wariant rekuperatora generuje około 70W mocy elektrycznej.
Opracowano metodę współpracy układu sterowania z systemem zasilania maszyny, a następnie koncepcję systemu sterowania, którego zadaniem będzie integracja pracy trzech źródeł zasilania (akumulatora, prądnicy oraz rekuperatora). Zmontowano szafkę sterowniczą ze sterownikiem PLC oraz panelem HMI. Opracowano algorytm działania systemu sterowania, a także opracowano szkic interfejsu operatora na panelu HMI, przedstawiający parametry pracy systemu oraz wizualizację przepływu energii elektrycznej.
Wykorzystanie energii elektrycznej uzyskanej z termogeneratora wymaga odpowiedniego jej kondycjonowania do wymagań układu sterowania oraz do ładowania akumulatora. W tym celu stosowane są przetwornice i kontrolery ładowania. Z uwagi na nierównomierne ogrzewanie powierzchni termogeneratora (zjawiska związane z ochładzaniem spalin na długości rdzenia) poszczególne wiersze termoogniw osiągają różną wydajność. W przypadku równoległego połączenia poszczególnych wierszy termoogniw, uzyskiwana z nich moc jest uśredniana. W związku z powyższym konieczne stało się zastosowanie urządzeń, zapewniających jak największy odzysk energii (sumowanie). W ramach zadania opracowano i wykonano prototyp innowacyjnego kontrolera z wbudowanym algorytmem śledzenia maksymalnego punktu mocy (MPPT – maximum power point tracking). Przedstawiono stanowisko laboratoryjne oraz przebieg i wyniki badań laboratoryjnych zbudowanego kontrolera MPPT. Badania laboratoryjne umożliwiły wyznaczenie szeregu wartości umożliwiających określenie takich parametrów jak sprawność kontrolera oraz spodziewany wzrost wydajności przy jego zastosowaniu.
Układ MPPT poddany został również badaniom w docelowym rozwiązaniu (system sterowania energią elektryczną) podczas prób przeprowadzonych na stanowisku do badania parametrów silnika spalinowego. Zaprezentowano budowę stanowiska pomiarowego oraz strukturę systemu sterowania, w którym zaimplementowano kontrolery MPPT. Przetestowano szereg wariantów podłączenia termoogniw do systemu sterowania. Najkorzystniejsze wyniki uzyskano przy połączeniu 2:1 (dwa wiersze termoogniw do osobnego kontrolera MPPT). Uwzględnienie wyników badań laboratoryjnych oraz badań termogeneratora prowadzonych w zakresie innej pracy statutowej umożliwiło wyznaczenie wpływu zastosowania układu z algorytmem MPPT na wydajność termoogniw. Zastosowanie tego typu układów zwiększyło wydajność o około 15%.
Wyniki prowadzonych badań potwierdziły przydatność systemu do zastosowania w maszynach z silnikami spalinowymi, jak również w innych obiektach, w których występuje źródło strat cieplnych, z jednoczesną możliwością zapewnienia odpowiedniej różnicy temperatur.