Повышение качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии

Аннотация Выпускная квалификационная работа посвящена вопросу повышения качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии.

В работе анализируется состояние современной троллейбусной системы, состояние вопроса в области беспроводной передачи энергии, исследуются возможности модернизации троллейбусной системы, а так же рассматривается инновационная технология передачи электрической энергии конечному потребителю без использования проводов.

Используя литературные источники, автор излагает уровень существующей проблемы, а так же актуальность научно-исследовательской работы.

Большое место в работе уделено инновационной технологии передачи электрической энергии без проводов. Главное внимание обращается на эффективность, уникальность и простоту внедрения системы. Подробно описывается устройство системы передачи энергии без проводов.

Работа представляет интерес с точки зрения эффективности инновационной системы в сравнении с известной системой.

Пояснительная записка содержит 73 страницы машинописного текста, в том числе 31 рисунок, 3 таблицы, 17 формул, 26 источников. Графическая часть выполнена на 8 листах формата А3.

The summary

Final qualifying work is devoted to improving the quality of trolleybus passenger traffic based on wireless technology.

The paper analyzes the state of modern trolleybus system, the state of matter in the field of wireless transfer of energy, possibilities of a cart-researched modernization of the trolleybus system, as well as examines the innovative technology of electric energy transmission to the end user without the use of wires.

Using literary sources, the author presents the level of the problem, as well as the relevance of the research.

A great place is paid to innovative transmission of electrical energy without wires. The main focus is on efficiency, uniqueness and ease of deployment of the system. Details discloses a device power transmission system without wires.

The work is of interest in terms of the effectiveness of the innovation system in comparison with the known system.

The explanatory note contains 73 typewritten pages, including 31 figures, 3 tables, 17 formulas, 26 source. Graphic part is made of 8 sheets of A3.

Содержание Введение

1. Описание современного состояния системы троллейбусных пассажирских перевозок

1.1 Показатели качества троллейбусных перевозок

1.2 Подвижной состав троллейбусов

1.3 Система питания тяговых сетей

1.4 Контактная сеть

1.5 Разворотные пункты

1.6 Преимущества троллейбусной системы

1.7 Недостатки троллейбусной системы

1.8 Попытки устранения недостатков троллейбусной системы

2. Состояние вопроса в области беспроводной энергетики

2.1 Трансформатор Николы Тесла

2.1.1 Использование трансформатора Тесла

2.1.2 Влияние на организм человека

2.2 Космические электростанции

2.3 Передача энергии с помощью лазерных технологий

2.4 Ректенна

2.5 Технология Аскарьяна

2.6 Индукционная зарядка

2.7 Беспроводная технология «WiTricity»

2.8 Беспроводная технология «PowerBeam»

3. Разработка мероприятий по повышению качества троллейбусных пассажирских перевозок

3.1 Устройство системы беспроводной передачи электрической энергии

3.1.1 Передатчик

3.1.2 Модулируемая частота

3.1.3 Приемник

3.2 Показатели качества троллейбусных пассажирских перевозок с использованием ТТЭЭ

3.3 Преимущества системы беспроводной передачи электрической энергии

3.4 Перспективы развития беспроводной передачи электрической энергии

4. Расчет затрат на проведение исследований и разработки

4.1 Амортизация оборудования, относящегося к основным фондам

4.2 Отчисления на социальные нужды

4.3 Расчет затрат на материалы

4.4 Капитальные вложения на приобретение или изготовление специального оборудования и приборов

4.5 Расчет затрат на энергоресурсы

4.6 Расчет затрат на использование помещений

4.7 Накладные расходы

4.8 Сметная стоимость проведения НИР

4.9 Определение цены НИР

5. Безопасность труда

5.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда

5.1.1 Теоретические основы охраны труда

5.1.2 Характеристики элементов предлагаемого решения

5.1.3 Меры безопасности

5.2 Расчет искусственного освещения лаборатории по методу светового потока

5.3 Возможные чрезвычайные ситуации

5.3.1 Конструктивные и технические решения по технике безопасности

6. Анализ экологического воздействия

6.1 Классификация загрязнений. Физические загрязнения

6.2 Экологическое воздействие ТТЭЭ на окружающую среду Заключение Список использованных источников

Введение

Внедрение электротяги, т. е. применение электрической энергии для передвижения транспортных средств, началось в тридцатые годы прошлого столетия. Русский ученый, академик Б. С. Якоби в 1834 г. изобрел первый в мире электродвигатель, пригодный для практического применения. Дальнейшие работы привели Якоби к созданию мощного двигателя, использованного в 1838 г. впервые в мире на р. Неве для лодки с пассажирами на борту. Гребной механизм лодки приводился в действие электродвигателем, получавшим энергию от батареи гальванических элементов. Это был первый в мире электроход. Испытание продолжалось до 1842 г. Широкого распространения этот способ питания электродвигателя не получил из-за большой массы батареи, ее малой мощности, ограниченного радиуса действия, низкого коэффициента полезного действия и малой рентабельности.

Однако заманчивая идея применения электрического транспорта с источником энергии, находящимся на подвижном составе, используется и сегодня. Для перевозки на небольшие расстояния грузов и пассажиров используются электрокары и электромобили, электродвигатели которых питаются от аккумуляторных батарей.

Для городского электротранспорта и магистральных железных дорог такой способ питания электродвигателей в силу указанных выше причин оказался неприемлемым. Поиск новых возможных решений был направлен прежде всего на устранение аккумуляторных батарей с электроподвижного состава. Оптимальным оказался способ питания от стационарной электростанции с передачей энергии подвижному составу через дополнительное звено, получившее название электротяговая сеть. В нее входят питающие кабели или воздушные линии положительной и отрицательной полярностей, опорные устройства, контактная и рельсовая сеть.

Трамваи и электрические железные дороги используют для электроснабжения контактный провод и ходовые рельсы в качестве обратного провода.

Система электроснабжения с двумя контактными проводами нашла применение для безрельсового электрического транспорта — троллейбуса.

Контактные сети трамвая и троллейбуса представляют собой сложное техническое сооружение.

Контактные сети подвержены, воздействию атмосферных явлений, связаны с работой расположенных рядом сооружений, принадлежащих разным организациям, нередко повреждаются при дорожно-транспортных происшествиях. Их обслуживание затруднено из-за больших потоков транспорта и пешеходов.

Безаварийная работа системы электроснабжения трамвая в первую очередь зависит от надежности контактной сети. Поэтому перед персоналом, обслуживающим контактные сети трамвая и троллейбуса, стоит ответственная задача — постоянно содержать устройства контактной сети в исправном состоянии.

1. Описание современного состояния системы троллейбусных пассажирских перевозок В связи с интенсивным развитием легкового автомобильного транспорта возникают сложности в формировании городских территорий. Кроме того, в стесненных условиях городского движения на поездку на легковом автомобиле затрачивается значительное время. Поэтому в последние годы правительства ряда стран, где индивидуальный автомобильный транспорт получил большое развитие, издали законопроекты, акты и решения по государственному финансированию развития общественного транспорта.

В настоящий момент значительно увеличилось количество индивидуального автомобильного транспорта, что существенно отразилось на работе систем общественного пассажирского транспорта: увеличились сезонные, месячные и суточные колебания пассажиропотоков, уменьшается общий объем перевозок на нем. Это обстоятельство необходимо учитывать при планировании перевозок массовым пассажирским транспортом.

Троллейбусный пассажирские перевозки являются неотъемлемым атрибутом динамично развивающегося города. Данный вид общественного транспорта является лучшим решением для мегаполисов. Троллейбус, в отличие от пассажирского транспорта на ДВС, не производит вредных выбросов в атмосферу, в качестве источника питания использует электрический ток, который в разы дешевле нефтепродуктов, не требует подавления звукового воздействия силовых агрегатов. Кроме того обслуживание троллейбуса заключается лишь в проверке состояния присоединительных элементов. Т. е. отсутствует потребность в использовании любого типа нефтепродуктов для работы силовых агрегатов (моторное масло, трансмиссионное масло, охлаждающее масло).

Однако, троллейбус не столь идеален. К весомым недостаткам троллейбуса можно отнести высокую энергоемкость силовых агрегатов, зависимость от проводной системы и самое главное: низкий КПД системы в целом. Помимо выше перечисленного стоимость троллейбусной системы в разы превышает аналогичные пассажирские автопарки. В итоге, суммарный коэффициент рентабельности троллейной системы не превышает 20%.

Внутригородские перевозки осуществляются в основном средствами массового пассажирского транспорта: автобусом, троллейбусом, трамваем и метрополитеном, в отдельных случаях — частично железнодорожным и водным транспортом. Роль легкового автомобильного транспорта — такси, ведомственных, личных автомобилей и других транспортных средств — незначительна, на их долю приходится около 5% всех перевозок.

Развитие городского транспорта тесно связано с развитием городов. В настоящее время разрабатываются комплексные схемы развития всех видов городского пассажирского транспорта для городов с численностью населения более 250 тыс. чел. При их разработке учитывается, что пассажирский транспорт будет развиваться в условиях интенсивного роста городов и насыщенности улично-дорожной сети средствами транспорта.

Троллейбусы по своим эксплуатационным показателям немногим отличаются от автобусов, однако для их движения требуется устройство тяговых подстанций и оборудование линий двухпроводной контактной сетью. Троллейбусы используются на внутригородских линиях, имеющих пассажиропотоки средней мощности.

При проектировании троллейбусной сети стремятся до минимума сократить число пересечений линий между собой и с линиями трамвая, т.к. пересечения и воздушные стрелки снижают скорость движения троллейбуса, а иногда вызывают его остановку из-за соскакивания токосъемника. Вместимость подвижного состава троллейбуса 74−139 пассажиров. По условиям надежности токосъема трассы троллейбусных линий прокладывают только по улицам с усовершенствованным капитальным покрытием. Продольный уклон троллейбусной линии не должен превышать 0,07.

По маневренности троллейбусы уступают автобусам, что особенно ощутимо в условиях старых городов с улицами недостаточной ширины. Основное преимущество троллейбуса по сравнению с трамваем в том, что посадки и высадка пассажиров осуществляется непосредственно с тротуара. Кроме того, троллейбус при движении может отклоняться от оси контактного провода до 4,2 метра, что позволяет эксплуатировать его на улицах с интенсивным движением.

Для движения по коротким участкам пути, не оборудованным контактной сетью, а также для поддержания движения при перерывах энергоснабжения на троллейбусах могут быть установлены вспомогательные агрегаты, например, аккумуляторы, суперконденсаторы или двигатели внутреннего сгорания.

Для повышения провозной способности троллейбусных линий применяется подвижной состав с большим количеством пассажиро-мест, например, двухэтажные и сочлененные машины. Провозная способность обычной троллейбусной линии близка к провозной способности автобусной линии и составляет около 5000 пас/ч. На рисунке 1.1 представлен двухэтажный троллейбус, курсирующий на улицах Лондона.

1.1 Показатели качества троллейбусных перевозок Показатель качества (продукции) — это количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, входящих в её качество, рассматриваемая применительно к определённым условиям её создания и эксплуатации или потребления.

Каждая продукция обладает своей номенклатурой показателей, которая зависит от назначения продукции, условий её производства и эксплуатации и многих других факторов. Показатель качества может выражаться в различных физических единицах измерения (например, секунда, метр, кв. метр, куб. метр, км/ч, грамм, вольт, ватт, и др.), условных единицах измерения (балл, рубль, FLOPS, процент избирателей и др.), а также быть безразмерным (вероятность наступления ожидаемого события, и др.). В виде технических требований показатели входят в состав технического задания на разрабатываемую продукцию и технических условий.

Стремление учесть как можно больше показателей в желании максимально полно охарактеризовать продукцию делает задачу проектирования практически нерешаемой. Важно выделять главные показатели, отражающие наиболее существенные потребительские свойства объекта. Также следует иметь в виду, что для определённых условий производства и эксплуатации существуют обязательные к учёту показатели. В основном это касается безопасности, когда минимально приемлемый уровень требований устанавливают нормативные документы федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих контроль за качеством и безопасностью товаров, такие как Госгортехнадзор, Роспотребнадзор и другие. Также, если продукция предназначается для реализации отдельным гражданам или каким-то образом может быть им продана, то она должна удовлетворять дополнительным требованиям, устанавливаемыми Законом Российской Федерации «О защите прав потребителей» .

Рисунок 1.1 — Лондонский двухэтажный троллейбус К показателям предъявляются следующие требования:

1. монотонная связь с качеством при условии постоянства остальных показателей;

2. простота определения, измерения и контроля;

3. наглядность отображения свойств объекта или процесса;

4. соответствие рассматриваемым свойствам;

5. хорошая чувствительность к изменению этих свойств;

6. устойчивость к случайным помехам.

Классификация показателей Для наглядности и удобства все показатели обычно делят на две группы, условно называемые «цена» и «качество». Первая группа объединяет экономические требования, вторая — технические. С другой стороны, при решении практических задач это облегчает использование методов оптимизации и выбор целевой функции.

В соответствии с ГОСТ 51 004–96 на основе номенклатуры показателей качества устанавливают перечень наименований характеристик потребительских свойств пассажирских перевозок, составляющих их качество, количественные показатели и методы (методики) их оценки.

Выбор номенклатуры показателей качества обосновывают:

— видом транспорта и сообщения;

— классом или категорией перевозки;

— используемым подвижным составом;

— требованиями, предъявляемыми к перевозочному процессу;

— задачами управления качеством транспортных услуг;

— составом и структурой свойств, характеризующих качество;

— основными требованиями к показателям качества.

Показатели качества должны отвечать следующим требованиям:

— обеспечивать безопасность услуг по пассажирским перевозкам;

— способствовать обеспечению соответствия качества пассажирских перевозок передовому мировому опыту и требованиям потребителей;

— характеризовать все свойства пассажирской перевозки, обусловливающие ее пригодность удовлетворять определенные потребности потребителей в соответствии с ее назначением;

— быть стабильными;

— способствовать систематическому повышению качества пассажирских перевозок;

— исключать взаимозаменяемость показателей при комплексной оценке уровня качества пассажирских перевозок;

— учитывать современные достижения науки и техники, основные направления научно-технического прогресса на транспорте и в сфере транспортных услуг.

ГОСТ 51 004–96 устанавливает следующую номенклатуру основных групп показателей качества по характеризуемым ими потребительским свойствам пассажирских перевозок:

— показатели информационного обслуживания;

— показатели комфортности;

— показатели скорости;

— показатели своевременности;

— показатели сохранности багажа;

— показатели безопасности.

Приоритетными показателями качества в отношении пассажирских перевозок на троллейбусе являются показатели скорости, своевременности и безопасности.

Показатели скорости характеризуют свойства пассажирских перевозок, обусловливающие продолжительность пребывания пассажира в поездке или полете. К показателям скорости относят:

— продолжительность поездки;

— среднюю скорость движения транспортного средства;

— частоту остановок транспортного средства.

На сегодняшний день потребитель, исходя из существующих вариантов перемещения с помощью общественного городского транспорта, останавливает свой выбор в пользу скорости движения. Маршрутные такси двигаются с достаточно высокой среднестатистической скоростью, что является весьма приоритетным значением. Однако техническое состояние 80 процентов таких машин оставляет желать лучшего.

Альтернатива маршрутному такси — ПАЗ. Данный вид транспорта более вместителен, однако скоростные характеристики такого транспорта не уступают маршрутному такси.

Троллейбус находится на последнем месте по показателям скорости городского общественного транспорта. Продолжительность поездки по маршруту номер 10 на троллейбусе, одного из самых коротких маршрутов г. Оренбурга, займет не менее 35 минут. В то время как маршрутное такси номер 42 преодолеет тот же участок пути за 15 минут.

Показатели своевременности характеризуют свойства пассажирских перевозок, обусловливающие движение транспортных средств в соответствии с объявленным расписанием или другими установленными требованиями по времени их движения.

К показателям своевременности относят:

— долю транспортных средств, отправляемых по расписанию;

— долю транспортных средств, прибывающих по расписанию;

— средний интервал движения транспортных средств;

— максимальный интервал движения транспортных средств.

Так, например, маршрутное такси номер 42 имеет интервал движения в 3−5 минут. Интервал движения троллейбуса номер 10 составляет не менее 20 минут. Важную роль во времени ожидания играет дорожная ситуация, исправность троллейбуса, а так же состояние контактной цепи и количество вспомогательных механизмов.

Показатели безопасности характеризуют особенности пассажирских перевозок, обусловливающие при их выполнении безопасность пассажиров. К показателям безопасности относят показатели:

— надежности функционирования транспортных средств;

— профессиональной пригодности исполнителей транспортных услуг;

— готовности транспортного средства к выполнению конкретной перевозки (укомплектованность экипажем, спасательными средствами, обеспеченность нормативной документацией, маршрутными картами, инвентарем, приспособлениями и др.).

Показатели комфортности как часть эргономических показателей в пределах троллейбусной системы, является приоритетным для постоянных пользователей троллейбусных пассажирских перевозок. Так, например, низкопольный троллейбус имеет обновленный дизайн, однако посадочные места для пассажиров рассчитаны неверно, в связи с чем возникает дискомфорт, который в последствии негативно сказывается на уровне использования троллейбуса. В тоже время ЗиУ-682Г-016.02 и ЗиУ-682Г-016.03, а так же ЗиУ-9 не являются ультрасовременными и сверхтехнологичными троллейбусами. Однако посадочные места организованны лучше, чем у низкопольного.

1.2 Подвижной состав троллейбусов Механическое оборудование троллейбуса состоит из шасси с силовой передачей, рессорной или пневматической подвеской, передним и задним мостом и рулевым управлением, кузова, тормозного оборудования с механическим или пневматическим приводом.

В состав электрического оборудования входят тяговый двигатель, высоковольтная аппаратура управления и защиты, низковольтная аппаратура управления и токосъемник.

Шасси с механическим оборудованием по конструкции сходны с автобусными шасси, но отличаются более низким положением рамы, что создает удобства для монтажа и обслуживания двигателя и электрической аппаратуры.

Ведущие колеса приводятся в действии тяговым двигателем через карданный вал, снабженный с обоих концов шарнирными соединениями. Вращение вала якоря тягового двигателя передается карданному валу через переднее шарнирное соединение. Через задний шарнир кардана вращающий момент передается редуктору с дифференциалом, который приводит во вращение полуоси с насаженными на них задними колесами. Шарнирные соединения карданного вала позволяют изменять угол его наклона в вертикальной плоскости.

Кузова троллейбусов строят цельнометаллическими вагонного типа. Планировка салона троллейбуса должна предусматривать необходимое число мест для сидения при расстоянии между сиденьями не менее 735 мм.

Для подсобных целей троллейбус имеет низковольтное оборудование (генератор 250−350 Вт, аккумуляторную батарею из двух 6-вольтных аккумуляторов, соединенных последовательно и реле-регулятор). Потребителями тока низкого напряжения являются фары, цепи управления, габаритные фонари, стоп-сигнал, запасное освещение в кузове, звонок и сигнал.

Тормозная система троллейбуса представляет собой сложное устройство. Троллейбусы типа ЗИУ и МТБ снабжены двумя механическими и двумя электрическими видами торможения. Оба механических тормоза имеют самостоятельные приводы. Центральный тормоз, приводимый в действие ножной педалью, передает усилие через силовую передачу на тормозные колодки и осуществляет торможение задних ведущих колес. Этот тормоз создает замедление 3,5 м/с², что соответствует тормозному пути 10 метров при скорости движения 30 км/ч и полной нагрузке. Колесный колодочный тормоз, расположенный на каждом из четырех колес, работает от пневматического привода и создает замедление около 2,5 м/с², что соответствует тормозному пути 14 метров при тех же условиях.

Электрическое торможение, возникающее при переводе тягового двигателя на генераторный режим, характеризуется двумя стадиями торможения:

— рекуперативное торможение с отдачей вырабатываемой энергии в контактную сеть

— реостатное торможение с поглощением энергии пусковыми реостатами.

Для отопления салона используется тепло, выделяемое пусковыми сопротивлениями. Специальный вентилятор забирает воздух из верхней части пассажирского помещения, прогоняет его через пусковые сопротивления и снова, уже нагретый подается по воздуховодам в нижнюю часть кузова. В летнее время воздух после прохода через пусковые сопротивления выбрасывается в нижней части кузова в атмосферу.

В последнее время развитие технологий играет ключевую роль в развитии троллейбусной системы. Так, для снижения энергоемкости ряда агрегатов используют разработки из области нанотехнологий. Например, освещение салона в современном троллейбусе осуществляется с помощью светодиодных плафонов и лент, представленных на рисунке 1.2, энергопотребление которых в разы ниже ламп накаливания.

Новые конструкционные решения позволяют создать троллейбус на базе рамной конструкции, что позволяет играть с формой и дизайном. Рессорная подвеска троллейбусов заменена на многорычажную с элементами повышенного комфорта, такие как газо-масляные стойки, работающие совместно с пневматическими подушками. Данная система позволяет достичь плавного хода даже на достаточно серьёзных дефектах дорожного покрытия. Такая подвеска представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.2 — Освещение салона с помощью светодиодной ленты Рисунок 1.3 — Подвеска современного низкопольного троллейбуса

1.3 Система питания тяговых сетей Городской электротранспорт работает на постоянном токе напряжением 600 В для трамваев и троллейбусов и 825 В для метрополитена, т.к. тяговые двигатели допускают частое изменение режима работы, обладают высоким КПД и имеют небольшую массу.

Выбор величины напряжение для передачи электрической энергии — один из наиболее важных и принципиальных вопросов, оказывающих влияние на технические и экономические показатели, капиталовложения и эксплуатационные расходы электрохозяйства городского электротранспорта. Например, при постройке метрополитена в Москве было принято напряжение 750 В. Повышение напряжения до 825 В дало значительную экономию цветных металлов, привело к сокращению числа тяговых подстанций и увеличению мощности существующих ртутных выпрямителей на 20−25%.

Источником электроснабжения городского электротранспорта является общая энергосистема города, входящая в районную энергетическую систему. Производство электроэнергии в современных энергосистемах сосредотачивается на мощных электрических станциях — тепловых и гидроэлектрических. Источники энергии, как правило, удалены от потребителей.

Электрические станции вырабатывают трехфазный переменный ток напряжением 6,3 и 10,5 кВ при частоте 50 Гц. Передача электроэнергии от станций, расположенных далеко от потребителей, производится напряжением 35, 110 и 220 кВ и выше. Для получения такого напряжения строят повышающие подстанции. Передаваемая энергия принимается понижающими подстанциями, расположенными в районах ее потребления. На понижающих подстанциях напряжение понижается до 6−10 кВ.

Так как на подвижном составе городского электротранспорта устанавливают электродвигатели постоянного тока, то для получения постоянного тока должны строится подстанции с установками, преобразующими трехфазный ток, поступающий из энергосистемы, в постоянный ток нужного напряжения. Такие установки называются тяговыми преобразовательными подстанциями.

Преобразовательным агрегатом подстанции являются ртутные выпрямители. Ртутный выпрямитель представляет собой аппарат, пропускающий ток только в одном направлении. Работа ртутного выпрямителя основана на особом свойстве электрической дуги в сосуде выпрямителя — гореть между ртутным катодом м только тем анодом, который имеет положительный потенциал по отношению к катоду. Процесс горения дуги в выпрямителе протекает следующим образом. При включении выпрямителя в цепь переменного тока между анодом и катодом возникает электрическое поле. На поверхности ртутного катода под воздействием тока образуется раскаленное пятно, излучающее большой поток электронов, движущихся в одном направлении.

Ртутные выпрямители обладают высоким коэффициентом полезного действия, который остается почти постоянным даже при значительных изменениях нагрузки. Это имеет большое практическое значение, т.к.на подстанциях городского электротранспорта нагрузка в течение рабочего дня изменяется в широких пределах.

Электрическая энергия передается троллейбусам по контактным проводам через токосъемники, представленные на рисунке 1.4, установленные на подвижном составе.

Рисунок 1.4 — Токосъемники, подключенные к контактной сети

1.4 Контактная сеть Контактная сеть — совокупность устройств, служащих для подачи электрической энергии подвижному составу. Основные требования, которым должно удовлетворять устройство контактной сети городского электротранспорта, следующее:

— надежность и бесперебойность передачи электрической энергии, безупречный токосъем при любых атмосферных условиях и любых скоростях движения;

— механическая и электрическая прочность в сложных метеорологических условиях;

— обеспечение максимальной безопасности пешеходов и обслуживающего персонала, а также наилучшее соответствие архитектурному облику городских улиц и площадей;

— простота конструкции и возможность быстрейшего устранения повреждений;

— минимальная трудоемкость при монтаже и эксплуатации;

— наименьшая строительная стоимость при небольшом расходе дефицитных материалов.

Системы подвеса контактного провода могут быть простыми (жесткими), цепными и полигонными.

При скольжении токосъемника провод подвергается механическому износу и подгоранию вследствие появления электрической дуги между проводом и токосъемником (при отрыве его от провода). Износ провода и искрение зависят от скорости движения и типа токосъемника, стрелы провеса провода и величины нажатия токоприемника на контактный провод. Нормальная высота подвеса контактного провода над уровнем головки рельса или проезжей части на городских улицах с учетом габаритов подвижного состава составляет 5500−6300 мм. Минимальная высота подвеса контактного провода под мостами и путепроводами 4200 мм. В местах пересечений линий электротранспорта с железнодорожными путями высота подвеса контактного провода от железнодорожного релься должна быть не меньше 5750 мм.

Подвесная арматура контактной сети должна позволять головке токоприемника беспрепятственно проходить через точки подвеса. Применяемый четырехвинтовой зажим, представленный на рисунке 1.5, состоит из двух обтекаемых щечек (основной 3 и прижимной 1), скрепляемых винтами 2 с потайными головками. Верхняя часть одной из щечек имеет прилив с резьбой для крепления подвесного болта, а нижние части щечек — грани 4, входящие в вырезы контактного провода 5 и удерживающие его в необходимом положении.

Рисунок 1.5 — Четырехвинтовой зажим Соединение контактных проводов осуществляется стальным «стыковым зажимом, представленным на рисунке 1.6. Зажим представляет собой цельный конструктивный элемент, имеющий продольный паз, соответствующий профилю контактного провода. Концы проводов удерживаются тремя вертикальными винтами, расположенными с обоих концов зажима. Вертикально расположенные в верхней части зажима винты фиксируют положение провода в зажиме. В соответствии с техническими условиями эксплуатации контактных сетей, количество стыковых зажимов на участке сети ограничено. Однако отсутствие финансирования вынуждает руководство троллейбусных депо увеличивать количество стыковых зажимов до неограниченного количества. Ярким примером такого грубого нарушения являются цеха технического осмотра депо. Обрыв происходит в местах наибольшего износа контактной сети. Цех технического осмотра ежедневно должен проводить технический осмотр каждой машины, выпускаемой на маршрут. Поэтому троллейбусы всех маршрутов, так или иначе, проходят по контактной линии цеха технического осмотра, что и является причиной максимального износа контактной сети. В результате такого нарушения увеличивается нагрузка на контактную сеть, а значит и на тяговую подстанцию.

Рисунок 1.6 — Стыковой зажим Б12 (а) и обхватный (б) Подвеска контактной сети осуществляется различными по конструкции подвесами, представленными на рисунке 1.7. Цифрами обозначены следующие элементы:

1 — места крепления контактного провода;

2 — изоляторы из дельта-древесины;

3 — пряжечные изоляторы.

Они обеспечивают надежное крепление и изоляцию проводов как между собой, так и с натяжными тросами.

Рисунок 1.7 — Конструкции подвеса контактной сети Контактная сеть делится на отдельные участки с помощью секционных изоляторов, имеющих воздушный промежуток. Конструкция секционного изолятора представлена на рисунке 1.8. При прохождении токоприемника через этот изолятор возникает электрическая дуга, которая способна перекрыть воздушный промежуток между двумя изолированными участками и тем самым полностью разрушить изолятор. Поэтому в контактной сети троллейбуса применяется устройство для «гашения» электрической дуги — секционный изолятор.

Рисунок 1.8 — Секционный изолятор К специальным частям контактной сети относятся кривые держатели, пример которого представлен на рисунке 1.9, стрелки, крестовины и пересечения троллейбусных линий как друг с другом, так и с линиями трамвая. Чтобы не создавать в местах поворота контактной сети сложной системы подвеса, которая ухудшит условия токосъема, и для создания на контактных проводах плавной кривой поворота устанавливают кривые держатели. Они помогают головке токоприемника пройти участок кривой и могут изменять направление контактного провода до 45°.

Для перевода токоприемника на одну линию контактной сети в местах слияния двух трасс устанавливают сходную стрелку, представленную на рисунке 1.10. Она проста по конструкции. Контактные провода сходящихся трасс оканчиваются на плите стрелки направляющими. При входе с любой трассы на стрелку головка токоприемника скользит обоймой вдоль специальных направляющих, установленных на плите стрелки, которые выводят головку токоприемника на новое направление трассы, уходящей со сходной стрелки.

Конструктивные элементы сходных стрелок выполнены с постепенно меняющейся высотой, благодаря чему головка токоприемника плавно переходит со скольжения угольной вставкой по контактному проводу на скольжение обоймами головки по направляющим плиты стрелки.

При необходимости перевода токоприемника с одной линии на ветвь разветвляемой трассы устанавливают расходную (управляемую) стрелку, пример которой представлен на рисунке 1.11. Конструкция расходных стрелок значительно сложнее сходных. Механизм привода этих стрелок должен направлять движение головки токоприемника в одно из двух направлений. В троллейбусных системах стран СНГ применяется управление по току с движением налево под нагрузкой.

Рисунок 1.9 — Кривой держатель типа КД-5

Рисунок 1.10 — Сходная стрелка Рисунок 1.11 — Расходная стрелка Перевод направления движения головки токоприемника осуществляется пером (4), которое может занимать одно из двух фиксированных положений. Подвижное перо (4) стрелки постоянно удерживается пружиной (не указана) в положении для движения троллейбуса направо. Механизм включения перевода стрелки состоит из электромагнита (3), связанного рычагом с подвижным пером (4). При нахождении головки токоприемника (2) на участке контактного провода (1), ток, потребляемый троллейбусом, проходит через катушку электромагнита (3). Если его величина превышает 10−15 А (ток, идущий на вспомогательные цепи троллейбуса), т. е. троллейбус движется с включенным силовым приводом, электромагнит срабатывает и переводит перо в положение, разрешающее движение башмака токоприемника в левом направлении. После проезда стрелки ток через катушку электромагнита прекращается и под действием возвратной пружины перо возвращается в исходное положение. Для увеличения надежности срабатывания механизма перевода стрелки в троллейбусе могут быть предусмотрены переключатели режима проезда. Выключатель проезда стрелки вправо для уменьшения потребления тока отключает отопители и двигатель компрессора. Выключатель проезда влево для увеличения тока подключает в силовом электроприводе дополнительную нагрузку, не влияющую на скорость троллейбуса. В заключение можно отметить, что идея использования отдельных участков контактной сети, подключенных через токовое реле, может быть применена для автоматизации некоторых процессов. К примеру, в троллейбусном депо г. Гродно установлены и успешно эксплуатируются системы автоматического открытия и закрытия ворот депо, управляемые троллейбусом.

На сегодняшний день проводится модернизация и улучшение показателей качества контактной сети как отдельного структурного элемента троллейной системы. Так, например, с целью диагностики состояния и защиты тяговой сети используют систему диагностики тяговой сети СДТС-1, предназначенную для установки в распределительных устройствах постоянного тока до 1000 В.

Функциональные возможности СДТС-1:

1. Измерение величины и формы тока и напряжения тяговой сети в различных режимах, в том числе при коротком замыкании в тяговой сети.

2. Передачу измеренных значений тока и напряжения в систему высокого уровня (систему телеизмерения, сигнализации, центральный пульт дистанционного управления и т. д.).

3. Фиксацию и передачу (при запросе) амплитудных значений измеренных величин.

4. Защиту тяговой сети от токов короткого замыкания, в том числе от малых токов к.з.

4.1 Защита осуществляется путём моделирования нагрева и остывания контактного провода. Исходя из уравнения теплового баланса и параметров контактного провода, СДТС рассчитывает температуру и строит график нагрева провода в зависимости от времени протекания различных токов. Текущая температура передаётся в систему высокого уровня.

4.2 Система позволяет реализовать дополнительную защиту путем введения электронной установки по току тяговой сети и температуре контактного провода. При превышении значений установки и температуры, подается выходной сигнал на отключение быстродействующего выключателя постоянного тока, и сопровождается индикацией на сигнальных светодиодах СДТС.

5. Измерение скорости нарастания и спада тока и напряжения в тяговой сети. С целью увеличения вероятности обнаружения удаленного к.з., вводится установка срабатывания защиты по величине предельного тока, позволяющая реализовать защиту тяговой сети по нескольким параметрам.

6. Обеспечение точного (0.5ч1% от необходимой величины установки) контроля и дублирование установки быстродействующего выключателя постоянного тока с выдачей сигнала о ее несоответствии.

7. Осциллографирование и запоминание величины и формы токов и напряжений при к.з., их последующая передача в систему высокого уровня для статистического анализа с целью корректировки токовой установки.

8. Гальваническую развязку цепей, находящихся под потенциалом до 1000 В Развязка обеспечивается через высокочастотный трансформатор с испытательным напряжением изоляции 5 кВ (АС, 50 Гц). Цепи передачи данных реализуются по волоконно-оптической связи, обеспечивающей изоляцию более 60кВ. Выходные реле для управления внешними устройствами обеспечивают изоляцию 10 кВ.

1.5 Разворотные пункты Конечные пункты троллейбусов имеют оборотные кольца. В первых троллейбусных системах на конечных пунктах устраивались треугольники. Обычно есть разветвления контактной сети для возможности отстоя троллейбусов, обгона различных маршрутов. Иногда обустраиваются пункты контроля технического состояния, диспетчерские пункты. В пунктах контроля технического состояния производится прежде всего проверка сопротивления изоляции, состояния штанг, тормозов и прочих узлов, от которых зависит безопасность движения. На рисунке 1.12 представлен пример оборотного пункта троллейбусов.

Рисунок 1.12 — Разворотный пункт троллейбусов

1.6 Преимущества троллейбусной системы Преимущества перед другими видами транспорта представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Преимущества троллейбусной системы

1.7 Недостатки троллейбусной системы

1. Первоначальные затраты на развёртывание троллейбусной системы выше, чем для автобусной, так как требует строительства тяговых подстанций и контактной сети.

2. Троллейбус потребляет больше электроэнергии, чем трамвай.

3. Провозная способность троллейбусной линии не превышает таковую у автобусной линии и всегда ниже чем у трамвайной линии.

4. Троллейбус очень чувствителен к состоянию дорожного покрытия и контактной сети. При необходимости проехать повреждённый участок дороги приходится значительно снижать скорость, чтобы избежать схода штанг с проводов контактной линии.

5. Троллейбусная сеть отличается сравнительно низкой гибкостью из-за привязки к контактной сети. Тем не менее, применение систем автономного хода и дуобусов отчасти решает эту проблему.

6. В отличие от трамвая, кузов троллейбуса не заземлён, поэтому требуется принятие дополнительных мер обеспечения электробезопасности: контроль тока утечки, обеспечение двойной изоляции электроцепей, регулярные проверки состояния изоляции.

7. Конструкция спецчастей контактной сети (изгибов на поворотах, пересечений, стрелок, разделяемых соединений на разводных мостах) требует проходить их на пониженной скорости (иногда до 5 км/ч). Кроме того, существует опасность остановки на обесточенном участке на пересечении и троллейбусной стрелке, например при «подрезании» другим транспортом. Существуют спецчасти, свободные от этих недостатков, но в постсоветских странах есть только единичные случаи применения таких спецчастей, например, в Вологде.

8. Фактически невозможен обгон одного троллейбуса другим, если это не предусмотрено контактной сетью — для этого необходимо опускать штанги на одном из троллейбусов.

9. Троллейбус чувствителен к обледенению контактных проводов. Плохой контакт приводит к быстрому износу контактных вставок, которые в этом случае приходится менять несколько раз за рабочую смену.

10. Контактная сеть троллейбуса загромождает улицы и площади городов, путаница проводов и подвесных тросов выглядит неэстетично и портит исторический облик города.

11. Троллейбус, не оснащённый системой автономного хода, не может отклониться от контактной сети более, чем на 4,5 метра, что иногда приводит к затруднениям при объезде дорожных заторов и повреждений контактной сети. Также при значительном отклонении от контактной сети необходимо снижать скорость во избежание схода штанг с проводов контактной сети.

1.8 Попытки устранения недостатков троллейбусной системы Указанные недостатки можно устранить использованием усовершенствованных троллейбусов — троллейбус с блоком аккумуляторов. Такая модификация троллейбуса позволяет отклоняться от контактной сети, но время движения сильно ограничено зарядом блока аккумуляторов. Итогом такой модификации является повышение рентабельности на 2−5% и эффективности на 1−2%. Один из таких троллейбусов используется в Братском троллейбусном депо, пришедший в январе 2014 года из Новосибирска. По утверждениям инженеров, Новосибирский модифицированный троллейбус способен пройти 60 км без подзарядки.

Так или иначе, троллейбусу требуется контактная сеть. Через определенный промежуток времени заряд аккумуляторных батарей иссякнет и троллейбус остановится. Если такая ситуация произойдет в месте отсутствия контактной сети, троллейбус потребуется транспортировать до ближайшей точки подзарядки, либо контактной сети. В итоге, даже блок аккумуляторных батарей не способен достаточно высоко поднять качество пассажирских перевозок на троллейбусе.

2. Состояние вопроса в области беспроводной энергетики Когда речь заходит о беспроводной передаче энергии, необходимо сделать важную оговорку. С точки зрения физики выпущенный из орудия линкора снаряд, который топит другой корабль, тоже переносит на расстояние энергию — кинетическую и химическую. Так что, когда речь идет о беспроводной передачи энергии, мы имеем в виду только передачу электроэнергии.

Причем передача эта должна осуществляться достаточно эффективно, чтобы энергию имело смысл использовать в повседневных целях. Человечество уже сотню лет успешно передает электроэнергию при помощи радиоволн. Передатчик их излучает, приемник снова переводит в электричество, и мы слушаем, к примеру, джаз. Однако КПД этой передачи ничтожно мал. Принятой по радио энергии не хватает даже для работы наушников, из-за чего нам приходится регулярно менять батарейки в приемниках. Энергия радиоволн способна донести информацию с границ Солнечной системы, от летящего там зонда «Вояджер», но ей не под силу зажечь даже обыкновенную лампочку.

Среди проблем беспроводной передачи энергии выделяются две существенно различные задачи: первая — избавится от проводов, вторая — передать энергию туда, куда тянуть кабель экономически невыгодно, а то и просто невозможно.

Рисунок 2.1 — Эксперимент NASA по передаче энергии без проводов

На рисунке 2.1 представлен эксперимент, проводимый американской корпорацией NASA в 2002 году. Прожектор передает энергию для пропеллера радиоуправляемой модели самолета. Но из нескольких киловатт мощности прожектора солнечная батарея принимает и пускает в дело лишь десятки ватт.

Год спустя вместо прожектора уже использовался лазер, благодаря чему удалось повысить КПД и сократить размер солнечной батареи.

2.1 Трансформатор Николы Тесла Никола Тесла — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891 году получил гражданство США. По национальности — серб.

Широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем и электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции.

Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Однако наибольшую популярность получил за счет изобретения трансформатора, названного в честь изобретателя.

В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успех можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приемниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной эксклюзивности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учетом физических свойств нашей планеты» .

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приемников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приемной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1 119 732, Аппарат для передачи электрической энергии, 18 января 1902 г.). Тесла предложил установить более тридцати приемо-передающих станций по всему миру. В этой системе приемная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приемной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.

Трансформатор Тесла — резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала» .

Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы — в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства).

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как «выход»). Принципиальная схема представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — принципиальная схема трансформатора Тесла Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферримагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферримагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.

Разрядник, в простейшем случае обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.

На данный момент существуют:

1. SGTC (Spark Gap Tesla Coil) — генератор колебаний, выполненный на искровом промежутке.

2. VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) — ламповая катушка Тесла. В качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы.

3. SSTC (Solid State Tesla Coil) — генератор выполнен на полупроводниках. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы)

4. DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) — за счет двойного резонанса, разряды у такого вида катушек значительно больше, чем у обычной SSTC. Для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах — IGBT или MOSFET транзисторах.

В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла.

2.1.1 Использование трансформатора Тесла Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в частоте минимальной электрической прочности воздуха способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Пример такого разряда приведен на рисунке 2.3. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие.

Никола Тесла использовал трансформатор для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. В начале XX века трансформатор Тесла также нашёл популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые, протекая по тонкому слою поверхности кожи, не причиняли вреда внутренним органам, оказывая при этом «тонизирующее» и «оздоравливающее» воздействие.

Рисунок 2.3 — Электрический разряд трансформатор Тесла

Неверно считать, что трансформатор Тесла не имеет широкого практического применения.

Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни — познавательно-эстетическое.

В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.

Пожалуй, самым наглядным примером использования трансформатора Тесла является высоковольтный испытательный стенд ВНИЦ ВЭИ в Истринском районе Подмосковья. Огромный генератор представляет собой универсальный комплекс для исследования и испытания различных технических объектов на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей искусственного и естественного происхождения.

Составные части комплекса:

1) каскад трансформаторов с коммутационной приставкой;

2) генератор импульсных напряжений;

3) установки постоянного напряжения;

4) подземный бункер;

5) вышка и прочие конструкции.

На данный момент генератор не функционирует и заброшен, но круглосуточно охраняется сторожами и собаками. Масштабы конструкции представлены на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Внешний вид тороидальных накопителей электрической энергии

2.1.2 Влияние на организм человека Как и любой источник высокого напряжения, трансформатор Тесла смертельно опасен.

Существует мнение, касающееся некоторых видов трансформаторов Тесла. Так как высокочастотное высокое напряжение имеет скин-эффект, а сила тока чрезвычайно мала и ток значительно отстает по фазе от напряжения, то, несмотря на потенциал в миллионы вольт, разряд в тело человека не может вызвать остановку сердца или другие серьёзные повреждения организма, не совместимые с жизнью.

В противоположность этому другие высоковольтные генераторы, например преобразователь для люстры Чижевского, высоковольтный умножитель телевизора и иные бытовые высоковольтные генераторы постоянного тока, имеющие несравненно меньшее выходное напряжение — порядка 25 кВ — являются смертельно опасными. Всё это потому, что электричество в трансформаторе Тесла и в бытовых преобразователях разное по своей сути и природе. Высокие напряжения в бытовых преобразователях совпадают по фазе с токовой составляющей, а в трансформаторе Тесла токовая составляющая отстает по фазе от составляющей напряжения. Несколько другая картина со статическим электричеством, которое может очень чувствительно ударить током при разряде (при прикосновении к металлу). Объясняется эта разница тем, что в статическом электричестве токовая составляющая ближе к составляющей напряжения, чем в трансформаторе Тесла, поэтому при статическом разряде чувствуется «сила» разряда.

Кроме опасности природы тока трансформатора Тесла, существует опасность поражения сверхвысокочастотным электромагнитным полем трансформатора.

2.2 Космические электростанции Вопрос энергетической безопасности стоит довольно остро. Запасы угля, нефти и даже урана с торием сокращаются. Перспективы термоядерной энергетики пока туманны. Между тем есть прекрасный и совершенно бесплатный термоядерный реактор, рассеивающий энергию направо и налево, — Солнце, и гелиоэнергетика развивается очень бурно. Однако на Земле, где бы ни построить солнечную электростанцию, есть как минимум одна проблема — ночь, а еще облака, пыль и прочие неудобства.

Логичный вывод — перенести электростанции в космос на геостационарную орбиту Земли, как представлено на рисунке 2.5. Впервые идея была выдвинута американцем Питером Глейзером в 1968 году. В 2009 году корпорация Solaren подписала с калифорнийской энергетической компанией контракт о поставке 200 мегаватт электроэнергии космического производства с начала 2016 года. В том же 2009 году шестнадцать японских компаний, включая Mitsubishi, подписали контракт о поставке той же электроэнергии в размере 1 гигаватта до 2030 года.

Самый сложный вопрос — доставка электроэнергии на Землю. Единственно возможный способ — беспроводная передача электроэнергии. Однако потери при таком способе происходят трижды: при переводе электричества в излучение, при прохождении излучения через атмосферу и при обратном преобразовании.

2.3 Передача энергии с помощью лазерных технологий Лазерный луч идеально подходит для передачи энергии: когерентный свет, почти не расходящийся пучок света с большой плотностью света. Однако именно высокая энергетическая концентрация делает эту технологию небезопасной.

Проблемы с безопасностью можно решить, если лазер мог эффективно передавать энергию. Не так давно японцы добились КПД 42% в преобразовании солнечного света в лазерное излучение. Однако эффективные передатчики и приемники, преобразующие лазерную энергию в электричество, работают в разных спектральных диапазонах и совместно применяться не могут.

Рисунок 2.5 — электростанция на геостационарной орбите Земли Рисунок 2.6 — Прототип «космического лифта» компании LaserMotive

Прототип космического лифта, представленного на рисунке 2.6, получает по лазерному лучу около киловатта энергии и с КПД 20% использует ее для подъема по свисающему с вертолета километровому тросу. В ноябре 2009 года на пятых ежегодных гонках космических лифтов этот аппарат, созданный компанией Laser Motive из Сиэтла, преодолел зачетный 900-метровый отрезок за 3 минуты 48 секунд (со средней скоростью 3,95 м/с), вы играв приз 900 000 долларов. Беспроводное питание — принципиальное условие соревнований, проводимых под эгидой Spaceward Foundation и NASA.

2.4 Ректенна Другой способ доставки энергии — радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) в диапазоне от 2,45 до 5,8 ГГц. Они почти не поглощаются атмосферой, не отражаются ионосферой и эффективно преобразуются в электричество. Выполняет это преобразование так называемая ректенна — от английского rectifying antenna (выпрямляющая антенна). К обычной дипольной антенне размером нескольких сантиметров (порядка длины волны излучения) подключают быстродействующий диод Шоттки. Множество таких антенн, представленных на рисунке 2.7, собирают в решетку, покрывающих достаточно большую площадь, и соединяют между собой, чтобы суммировать выработанный в них электрический ток. Обычный радиоприемник можно сравнить с качелями. Он настраивается на частоту крайне слабого сигнала, чтобы тот, попав в резонанс, «раскачал» переменный ток в антенной цепи. Затем этот ток усиливается за счет внешнего источника энергии, аккумулятора, например, и из него извлекается информация. Ректенна, напротив, рассчитана на сильный сигнал. Американский физик Уильям Браун смог передать с помощью такой технологии 30 кВт на расстояние в одну милю с КПД 84%.

Рисунок 2.7 — СВЧ-ректенны Главная проблема такого способа — капризность диодов Шоттки. Диод такого типа не выдерживает больших токов. Поэтому для создания мощного канала нужны большие площади ректенн с большим числом диполей. В итоге экономический эффект берет верх и возвращает к использованию солнечных батарей.

2.5 Технология Аскарьяна Попытки преобразовать «концентрированные» потоки СВЧ в электроэнергию делались постоянно. Однако КПД был не выше 0,1%. Удача улыбнулась группе исследователей из Физического института им. Лебедева (ФИАН) под руководства Гургена Аскарьяна, одного из самых оригинальных и интересных российских физиков.

Экспериментаторы использовали в качестве антенны помещенный в вакуум металлический стержень, вблизи которого с помощью искры или лазера создавалась плазма. Через окно вакуумной камеры подавались короткие, но мощные импульсы СВЧ, порождавшие между стержнем и корпусом камеры электрический ток, от которого даже удалось зажечь лампочку. Роль хрупких диодов Шоттки здесь играла плазма, окружающая стержень. Она не разрушалась сильными токами до 200 ампер и напряжениями до 1500 вольт. «Показана возможность эффективного преобразования радиоволн в энергию тока с КПД>10%» — цитата из академического ежемесячника «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики» от 1979 года.

Но Советский Союз распался, и проект остался нереализованным. Конечно, результат, полученный группой Аскарьяна, еще нельзя назвать технологией, но обнаруженный эффект вполне может лечь в основу будущей системы беспроводной передачи энергии — по ряду параметров он еще никем не превзойден.

2.6 Индукционная зарядка Все выше описанные способы касаются глобальных масштабов переброса электроэнергии без проводов на большие расстояния. Иное дело — повседневная жизнь, в которой не требуются мощности в мегаватты, а то и киловатты. Ноутбуки, смартфоны, цифровые камеры и прочие гаджеты периодически нужно заряжать или вовсе постоянно питать энергией.

Развитие эта система получила недавно. А сам прародитель такой системы — электрическая зубная щетка, заряжающаяся индукционными токами.

На рисунке 2.8 представлен пример такой панели, позволяющей беспроводным способом заряжать аккумуляторы мобильных устройств. Абсолютно идентичная система стоит в «голове» — промышленный прожектор, способный совершать неограниченное количество оборотов вокруг своей оси во всех плоскостях, используемый на массовых мероприятиях, в клубах, на танцполах.

При использовании проводной системы такое устройство имело бы ограниченные возможности и крайне малый ресурс, т.к. постоянное изменение проводов приводит к их разрыву.

Рисунок 2.8 — Индукционная зарядная панель

2.7 Беспроводная технология «WiTricity»

По словам авторов, уже сейчас можно достичь того, чтобы ноутбук начинал заряжаться при вносе в комнату, оборудованную системой, которую они назвали WiTricity. Подобные технологии стали анонсировать гиганты мировой электроники. В октябре 2009 года SONY продемонстрировала 22-дюймовый ЖК-телевизор, который питается беспроводным способом на расстоянии 50 сантиматров от передатчика. «Если использовать специальные „пассивные расширители“, то можно и все 80 сантиметров» — говорится в пресс-службе SONY. Правда, тут же сноска мелким шрифтом о том, что с телевизором эти самые расширители не тестировались. В ближайшем будущем технология пророчит расширение радиуса действия до 5 метров.

2.8 Беспроводная технология «PowerBeam»

Не секрет, что сегодня пользователи электробытовых и электронных приборов все чаще испытывают большие неудобства из-за нехватки электрических розеток — наиболее «продвинутые» пользователи ощущают потребность в электрических розетках или других источниках питания едва ли не на каждом квадратном метре площади. Новая разработка американских ученых и инженеров предоставляет им такую возможность, обеспечивая подачу энергии в виде пучков излучения, беспрепятственно проникающих в помещениях от одной точки к другой вдоль любого из лучей зрения и предоставляющих потребителю полную свободу действий, позволяя ему обходиться вообще без проводов.

Речь идет о продукции американской компании «PowerBeam» (Солнечная Долина, штат Калифорния), которая представила на выставке и конференции по передовым технологиям «E-Tech 2009», прошедшей в марте прошлого года в калифорнийском городе Сан-Хосе, опытный образец новой системы для беспроводной передачи электроэнергии.

Как утверждается на сайте компании (power-beaminc.com), система основана на использовании «пучков энергии», передаваемых как обычные пучки излучения в традиционных оптических системах. С помощью этих пучков, как утверждают разработчики, уже можно передавать электричество из одного конца комнаты в другой, скажем, от розетки к компьютеру, телевизору, колонкам стереосистемы, цифровой фоторамке, торшеру и т. д.

По заверениям представителей «PowerBeam», эта технология позволит удалить из комнат почти все провода, повысив комфорт и эстетическую привлекательность наших жилищ. Вообще же, по словам разработчиков, данный способ передачи энергии пока оправдывает себя на расстояниях 10−100 м.

Утверждается, что с системой «PowerBeam» пользователю больше не нужно задумываться о таких наскучивших проблемах, как:

— подчас непростое и недешевое электрическое подключение приборов;

— ограниченное расстояние приборов от источников питания (например, от электрических розеток в доме);

— путающихся под ногами и свисающих клубков электрических проводов;

— ограничение зоны действия мобильных устройств (из-за привязки к розеткам мобильные устройства по сути уже давно перестали быть таковыми);

— наконец, главное — отпадает необходимость постоянно заботиться о зарядке мобильных устройств.

С системой «PowerBeam» пользователи мобильных устройств могут вообще забыть об их зарядке, так что все эти устройства будут работать непрерывно, не создавая владельцам никаких неудобств из-за энергетических потерь.

Принцип работы «PowerBeam» довольно прост. Где-то неподалеку от источника электропитания размещается передатчик энергии, названный разработчиками Powmitter и содержащий некоторое число инфракрасных лазерных светодиодов с выходной мощностью луча 1—5 Вт каждый (это немало — пучок лазерного излучения мощностью в 0,5 Вт может прожечь пластинку из пластика или серьезно повредить сетчатку глаза). Система формируемых ими лазерных пучков направляется, в частности, на расположенный на потребляющем электроэнергию устройстве приемник, где предусмотрена решетка из линз и высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, которые и преобразуют невидимый оптический луч в электричество.

Безопасность и надежность работы системы обеспечиваются сразу несколькими оригинальными решениями. Первое — выходные лучи лазерных светодиодов при помощи оптики слегка расфокусируются, чтобы плотность потока в них не превышала 10 мВт/мм² (хотя, как отмечают очевидцы, подставлять даже руку под них не рекомендуется — ожог может быть довольно сильным, и ощущения будут сродни тем, что испытываешь, схватив горячую чашку кофе или чаю). В то же время расхождение пучка остается достаточно малым, чтобы при удалении (скажем, до 10 м) передать значительную часть энергии по назначению. Второе и главное — приемник постоянно посылает передатчику слабый ответный сигнал, который служит индикатором исправной работы всей системы. Если он прерывается (например, из-за того, что человек или животное прервали распространение оптического пучка), электроника тут же прекращает излучение лазерных светодиодов, которые возобновляют свою работу лишь после того, как «канал» снова окажется свободен. На время подобных прерываний устройство-потребитель работает от аккумуляторов, спрятанных в приемнике, так что, перемещаясь по комнате, пользователь никаких сбоев в его работе заметить не должен. Но долго стоять на пути луча, конечно, не стоит.

Ранее в Массачусетском технологическом институте (МТИ) был предложен другой принцип беспроводной передачи электроэнергии, получивший название магнитно-связанного резонанса. Авторы этого открытия предложили интерпретировать его также как безызлучательный эффект в электромагнитном поле.

Но есть у новой системы беспроводной передачи энергии и серьезный недостаток — сравнительно невысокий КПД. У лазерных диодов он колеблется в диапазоне 30—60%, а у ИК-приемников — 40—50%, так что итоговый КПД, образуемый произведением КПД приемопередающей аппаратуры, составляет 15—30% (в зависимости от настроек, используемых компонентов, расстояния и величины передаваемой мощности). В будущем разработчики обещают довести эту величину до 35%, считая, что это вполне удовлетворит тех, для кого важнее отсутствие проводов в комнате, чем итоговое потребление электроэнергии. Но при этом они предпочитают не упоминать о том, что у конкурирующих систем беспроводной передачи электроэнергии на основе магнитного резонанса, предложенных учеными из МТИ, в последних версиях КПД уже превышает 75%.

3. Разработка мероприятий по повышению качества троллейбусных пассажирских перевозок В данном дипломном проекте в качестве приоритетных показателей используются показатели скорости, своевременности и безопасности. На основе анализа современного состояния троллейбусных пассажирских перевозок, а так же анализа состояния вопроса в области беспроводной передачи энергии группой студентов предпринята попытка изменения принципа питания транспорта на электрической тяге, предназначенного для пассажирских перевозок. Известный принцип заключается в передаче энергии потребителю по проводам электрической сети. Это влечет за собой использование тонн проводов, увеличенные затраты электроэнергии и т. д.

Новый принцип питания исключает все недостатки известной системы, сохраняя ее преимущества.

3.1 Устройство системы беспроводной передачи электрической энергии Принцип работы системы технологии трансляции электрической энергии (ТТЭЭ) заключается в трансляции специального радиосигнала в пределах fm-диапазона, его прием и последующее преобразование в электрическую энергию.

Таким образом, ТТЭЭ состоит всего из двух основных элементов: радиопередатчика и приемника. Принцип работы системы представлен на рисунке 3.1. ТТЭЭ работает следующим образом: сначала электрическая энергия преобразуется в определенную частоту с помощью генератора частот, модулятор преобразует этот сигнал в электромагнитную волну, ретранслятор усиливает эту волну и передает в эфир. Расположенные в пределах зоны покрытия электромагнитного сигнала антенны приемников, детектируют электромагнитную волну; после детектирования начинается процесс преобразования, подробно описанный в разделе «3.1.3 Приемник» .

Рисунок 3.1 — Принцип работы ТТЭЭ

3.1.1 Передатчик С технической точки зрения, радиопередатчиком может выступать любая городская вышка, ретранслятор и т. д. Передача сигнала с радиопередатчика начинается с создания требуемой электромагнитной волны с заданными параметрами. После ее создания, в блоке преобразования сигнал обрабатывается и отправляется в блок трансляции. В общем случае процесс создания требуемой частоты с заданными характеристиками можно представить, как показано на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Процесс создания электромагнитной волны с заданными характеристиками

3.1.2 Модулируемая частота Как правило, звук в эфирном радиовещании модулируют несущую частоту передатчика одним из способов модуляции: амплитудным (АМ) или частотным (ЧМ). Частотная модуляция позволяет осуществлять высококачественное (как правило стереофоническое) вещание в диапазоне частот 66−108 МГц. В других диапазонах с более длинными волнами (ДВ, СВ, КВ) используется АМ и цифровое радиовещание в формате DRM. Попытки использования однополосной модуляции (SSB) в радиовещании особого успеха не имели.

Модулируемая частота напрямую влияет на характеристики детектирования и последующую обработку входящего сигнала системой. Для достижения максимально высокого КПД системы необходимо знать, какая частота, или ряд частот, наилучшим образом запускает лавинообразный процесс выделения энергии. Для определения частоты проведен эксперимент, графически подтверждающий необходимость использования ведомой (модулированной) частоты в пределах от 47 до 62 Hz.

Для эксперимента использовались следующие устройства:

1) генератор частот;

2) передатчик;

3) приемник;

4) вольтметр.

Целью настоящего эксперимента являлось определение наиболее эффективной ведомой волны. Эксперимент проводился в два этапа:

1) минимальный частотный шаг составляет 25 Гц (начало отсчета — 25 Гц);

2) частотный шаг составляет 2 Гц (начало отсчета — 25 Гц).

При проведении эксперимента, используемое оборудование собирается в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 — Схема подключения оборудования В таблице 3.1 представлены результаты проведенного эксперимента.

Таблица 3.1 — Результаты эксперимента

На рисунке 3.4 представлен результат эксперимента, наглядно иллюстрирующий эффективность электромагнитного сигнала низких частот. На рисунке 3.5 уменьшен шаг изменения частоты электромагнитного сигнала для наилучшего отображения результатов эксперимента.

В таблице 3.2 представлены диапазоны частот для радиовещания, принятые в России.

Рисунок 3.4 — Зависимость напряжения приемника от частоты электромагнитного сигнала Рисунок 3.5 — Участок, на котором обнаружено выделение максимального количества энергии Таблица 3.2 — Диапазоны частот для радиовещания, принятые в России

Во время проведения экспериментов использовался модернизированный передатчик, сделанный на базе автомобильного fm-модулятора. На рисунке 3.6 представлен модернизированный модулятор, использованный в проведении экспериментов. Мощность такого модулятора составляет 1 мВт. С помощью модернизации удалось поднять мощность до 5 мВт.

Рисунок 3.6 — Экспериментальный fm-модулятор В качестве генератора использовалась программа Frequency Sound Generator, распространяемая бесплатно на платформе Android 4.4.2 OC. На рисунке 3.7 представлены параметры и внешний вид генератора.

Данная программа позволяет использовать такие виды сигнала, как синусоидальный, квадратный (импульсный) и треугольный.

Кроме того, наличие встроенных регуляторов изменения уровня электронного шума, импеданса и гармоник позволяет создать практически любую форму сигнала.

Возможна регуляция сигнала от 0 до 22 050 Гц.

Рисунок 3.7 — Внешний вид программы Frequency Sound Generator

3.1.3 Приемник Теперь, когда в эфире есть электромагнитная волна с заданными параметрами, требуется ее детектировать и преобразовать для питания троллейбуса. Для этого служит приемник электрической энергии, как раз и предназначенный для преобразования транслируемого сигнала в аналоговый. Для преобразования сигнала используется детекторный приемник. Схема рассчитана таким образом, что для детектирования транслируемого сигнала не требуется дополнительная энергия. После детектирования сигнал проходит стадию обработки с помощью разработанных авторами радиоэлектронных систем.

Выходной сигнал преобразователя представляет собой стабилизированное напряжение 12 вольт. Это напряжение заряжает аккумуляторы, используемые в качестве стабилизаторов напряжения питающей сети. Процесс преобразования представлен на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 — Процесс преобразования электромагнитной волны Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. Длинноволновый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго. Эффективность генерации и детектирования в области больших длин волн тем меньше, чем больше длина волны. Для получения колебаний очень высоких частот требуется очень высокая концентрация энергии, а регистрация этих колебаний затруднена из-за большой проникающей способности коротковолнового излучения, а, следовательно, и его незначительного поглощения.

Во время проведения научно-исследовательской работы был создан прототип приемника, представленный на рисунках 3.9, 3.10, 3.11 и 3.12.

Блок приемника является сложным электронным устройством, в котором происходит двойное преобразование Фурье. Технологически блок состоит из детектора, усилителя, индукционной развязки и конечного преобразователя. Причем все элементы соединены таким образом, что запуск системы осуществляется с помощью двух 12-вольтовых аккумуляторных батарей малой емкости. В промышленном варианте аккумуляторы выступают в качестве стартера системы. Т. е. блок АКБ сначала запускает систему, а после заряжается с ее помощью.

Рисунок 3.9 — Прототип блока приемника; общий вид Рисунок 3.10 — Прототип блока приемника; панель управления Рисунок 3.11 — Прототип блока приемника; принудительная система охлаждения Рисунок 3.12 — Прототип блока приемника; колодка подключения антенны

Блок приемника выполняется в металлическом корпусе с радиаторами на торцевых сторонах для отвода тепла, электронная модель которого представлена на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 — Внешний вид блока приемника На верхней крышке блока расположены вентиляторы охлаждения системы и вентиляции блока, а так же разъем для диагностики и подключения КИП, представленные на рисунке 3.14. На одной из торцевых сторон устанавливается разъем для подключения антенны приемника, как на рисунке 3.15. С другой — штекеры подключения силовых проводов для зарядки аккумуляторных батарей потребителя.

Рисунок 3.14 — Расположение колодки КИП и системы охлаждения Рисунок 3.15 — Разъем подключения антенны блока приемника Управляющая система выполнена на отдельной плате, с подключением типа «шлейф». Она предназначена для контроля параметров входных и выходных сигналов силовой платы. Соединена плата с разъемом диагностики и КИП. Силовая плата установлена на радиаторах охлаждения с подключением типа «шлейф». В корпусе приемника установлены 2 аккумулятора-стартера, емкостью 7,2 ампер-часа и напряжением 12 вольт, подключенных к силовой плате, для запуска двух контуров приемника. Силовая плата производит преобразование сигнала. Первоначальный процесс — детектирование электромагнитной волны. После выделения ведомой частоты, сигнал передается в усилитель. Усилитель увеличивает амплитуду сигнала и отправляет в блок рекуперации, который так же служит индукционной развязкой двух контуров. С блока рекуперации забирается минимальное количество энергии, необходимое для работы силовой платы. С того же блока рекуперации забирается сигнал, используемый для зарядки аккумуляторов конечных потребителей.

Допускается установка дополнительного водяного принудительного охлаждения блока. Аппаратная часть выполняется из SMD или DIP компонентов. Класс защиты электроприбора IP68, обслуживаемый.

После запуска блока начинается зарядка аккумуляторов. Основывается процесс работы блока приемника на принципе резонанса. Для достижении незатухающих колебаний системы достаточно небольшое количества энергии, выделяемого из электромагнитной волны, для поддержания резонансных колебаний.

Размер блока приемника номинальной мощностью 1 кВт и предельной — 1,5 кВт имеет металлический корпус с радиаторами, габариты которого 100*600*200 мм. В процессе разработки блока и его модернизации габаритные размеры уменьшаются за счет использования современных композитных материалов, что позволяет создавать более компактные устройства. Масса такого блока составляет не более 10 кг. Основную массу (около 85%) составляют стартерные аккумуляторы, а так же суперконденсаторы, необходимые для бесперебойной работы блока приемника. В блок встроено два вентилятора системы охлаждения, преобразователь, детектор, блок рекуперации, инвертор, накопители и аккумуляторы. Слаженная работа электронной системы заключается в настройке системы. Процесс работы контролирует управляющая система.

Стоимость данного блока составляет 14 000 рублей (стоимость приведена без учета передатчика), мощностью 10 кВт — 30 000 рублей, 50 кВт — 50−100 000 рублей. Цена блока приемника может отличаться в зависимости от наличия дополнительного оборудования контроля и охлаждения. Стоимость радиоточки трансляции составляет около 100 000 рублей. Суммарная стоимость технологии рассчитывается из стоимости передатчика, способного создать радиоволну, способную полностью покрыть территорию города.

Для сравнения, стоимость электромобиля Nissan Leaf составляет 33 720 $. Электромобиль требует подзарядки аккумуляторных батарей для непрерывного движения. Даже несмотря на систему рекуперации, аккумуляторы быстро разряжаются. При встраивании блока, мощностью 50 кВт можно полностью избавиться от процесса зарядки. Пока автомобиль движется — аккумуляторы заряжаются, однако часть энергии тут же возвращается через стандартную систему рекуперации электромобиля, а так же от непрерывно работающего блока приемника, как только автомобиль остановился — начинается полноценная зарядка. Процесс восстановления заряда будет продолжаться до тех пор, пока не отключится транслятор, либо аккумуляторы полностью не зарядятся.

На данном этапе научных изысканий в области ТТЭЭ важно учитывать, что разработанный авторами детекторный приемник пока не способен напрямую передавать энергию электродвигателю без использования аккумулятора. Приемник способен в пиковом состоянии отдать не более 5 кВт, в то время как тяговый электродвигатель, например, электромобиля на базе ЗАЗ-1102 «Таврия» потребляет 12 кВт, а троллейбус ЗиУ-682 В не менее 110 кВт. Однако уже такая организация системы питания позволит поддерживать работоспособность троллейбуса в течение длительного времени.

Так или иначе, полностью отказаться от аккумуляторных батарей пока нельзя, поскольку они необходимы для бесперебойного обеспечения двигателя электроэнергией. При отключении, сбое или диагностических работах, связанных с системой передачи энергии без проводов, троллейбус продолжит движение благодаря заряду аккумуляторных батарей.

Большая часть энергосистемы троллейбуса (оснастки) представляет собой мощные агрегаты, с большим потреблением энергии. При внедрении ТТЭЭ необходимо снизить уровень нагрузки на приемник и блок аккумуляторов путем использования более «легких» в энергетическом смысле агрегатов. Так или иначе, главным потребителем является тяговый двигатель. Мощность тягового двигателя составляет 180 кВт. На ряд моделей устанавливается двигатель мощностью 120 кВт. Управлением оборотами такого двигателя занимается широтно-импульсный модулятор. Такая организация системы позволяет экономить электрическую энергию.

В отличие от транспортного средства, использующего двигатель внутреннего сгорания, троллейбусу необходимо специальное оборудование. Так, например, обогреватель салона требует дополнительные энергозатраты. Ввиду необходимости снижения энергозатрат необходим поиск аналога, имеющего меньший уровень потребления электроэнергии при равном количестве выделяемого тепла. Следует пересмотреть имеющееся оборудование, установленное в троллейбусе и оценить стоимость более энергоемких аналогов на рынке.

Двигатель компрессора требуется для поддержания работы тормозной системы в работоспособном состоянии, привода распашных дверей. В современном троллейбусе используется крупногабаритный компрессор совместно с ресивером. При использовании модернизированной системы в виде двух меньших компрессоров и увеличенного ресивера с газовым редуктором позволит сэкономить около 20% электроэнергии.

Двигатель насоса требуется для поддержания работоспособности гидроусилителя. Применение низковольтного высокоскоростного редукторного электродвигателя снизит энергозатраты на гидроусилитель до 50%.

Нагрузку на освещение салона можно снизить с помощью использования современных осветительных приборов на основе светодиодных элементов.

В настоящий момент разработанная система проходит стадию защиты интеллектуальной собственности. Регистрационный номер заявки на патент № 2 015 100 415, от 12 января 2015 года. Ведется усовершенствование блока приемника с использованием современных электронных элементов. В ближайшее время группой разработчиков запланирована модернизация всей системы, сборка конечного продукта и прохождение сертификации устройства.

3.2 Показатели качества троллейбусных пассажирских перевозок с использованием ТТЭЭ В соответствии с ГОСТ 51 004–96 на основе номенклатуры показателей качества устанавливают перечень наименований характеристик потребительских свойств пассажирских перевозок, составляющих их качество, количественные показатели и методы (методики) их оценки.

Выбор номенклатуры показателей качества обосновывают:

— видом транспорта и сообщения;

— классом или категорией перевозки;

— используемым подвижным составом;

— требованиями, предъявляемыми к перевозочному процессу;

— задачами управления качеством транспортных услуг;

— составом и структурой свойств, характеризующих качество;

— основными требованиями к показателям качества.

Показатели качества должны отвечать следующим требованиям:

— обеспечивать безопасность услуг по пассажирским перевозкам;

— способствовать обеспечению соответствия качества пассажирских перевозок передовому мировому опыту и требованиям потребителей;

— характеризовать все свойства пассажирской перевозки, обусловливающие ее пригодность удовлетворять определенные потребности потребителей в соответствии с ее назначением;

— быть стабильными;

— способствовать систематическому повышению качества пассажирских перевозок;

— исключать взаимозаменяемость показателей при комплексной оценке уровня качества пассажирских перевозок;

— учитывать современные достижения науки и техники, основные направления научно-технического прогресса на транспорте и в сфере транспортных услуг.

ГОСТ 51 004–96 устанавливает следующую номенклатуру основных групп показателей качества по характеризуемым ими потребительским свойствам пассажирских перевозок:

— показатели информационного обслуживания;

— показатели комфортности;

— показатели скорости;

— показатели своевременности;

— показатели сохранности багажа;

— показатели безопасности.

Как указано в первом разделе, приоритетными показателями качества в отношении пассажирских перевозок на троллейбусе являются показатели скорости, своевременности и безопасности.

Показатели скорости характеризуют свойства пассажирских перевозок, обусловливающие продолжительность пребывания пассажира в поездке или полете. К показателям скорости относят:

— продолжительность поездки;

— среднюю скорость движения транспортного средства;

— частоту остановок транспортного средства.

В результате внедрения ТТЭЭ среднестатистическая скорость движения троллейбуса увеличится. Следовательно — снизится время поездки. Главной причиной является отказ от использования контактной сети. Элементы с повышенным износом, сходные и расходные стрелки, соединительные элементы, т. е. все те элементы, которые используются в контактной сети, больше не будут влиять на скорость движения троллейбуса.

Продолжительность поездки от одной до другой конечной остановки снизится. Это обусловлено отсутствием контактной сети.

При указанных выше условиях, частота остановок не снизится, т.к. на количество остановок во время движения влияет характер маршрута движения троллейбуса. Другими словами, троллейбус обязан останавливаться на обозначенном месте остановки, независимо от наличия входящих или выходящих пассажиров.

Показатели своевременности характеризуют свойства пассажирских перевозок, обусловливающие движение транспортных средств в соответствии с объявленным расписанием или другими установленными требованиями по времени их движения.

К показателям своевременности относят:

— долю транспортных средств, отправляемых по расписанию;

— долю транспортных средств, прибывающих по расписанию;

— средний интервал движения транспортных средств;

— максимальный интервал движения транспортных средств.

При внедрении ТТЭЭ интервал движения можно снизить и приблизить к интервалу движения маршрутных такси. Кроме того, на маршруте сможет находиться большее количество троллейбусов.

Показатели безопасности характеризуют особенности пассажирских перевозок, обусловливающие при их выполнении безопасность пассажиров. К показателям безопасности относят показатели:

— надежности функционирования транспортных средств;

— профессиональной пригодности исполнителей транспортных услуг;

— готовности транспортного средства к выполнению конкретной перевозки (укомплектованность экипажем, спасательными средствами, обеспеченность нормативной документацией, маршрутными картами, инвентарем, приспособлениями и др.).

С точки зрения безопасности, троллейбус использующий ТТЭЭ наиболее безопасен, чем его современник. Контактная сеть передает электроэнергию тяговому двигателю с помощью силовых проводов. Поэтому, во время движения образуется магнитное поле в пределах силовых кабелей. Во время начала движения возникает скачек напряжения и резкое нарастание силы тока, что приводит к возникновению переменного поля. Это поле негативно влияет на здоровье человека и на окружающую среду в целом. С помощью ТТЭЭ возникновение переменного электромагнитного поля можно полностью исключить.

3.3 Преимущества системы беспроводной передачи электрической энергии Касаемо троллейбусной системы преимущества очевидны:

1. отказ от тонн проводов, связывающих концы маршрутов электрического транспорта.

2. увеличение мобильности и маневренности транспорта

3. отказ от узлов транспорта с повышенным износом.

4. полная мобильность агрегата.

5. возможность изменения маршрута в зависимости от обстановки на дороге.

Одним из главных преимуществ новой системы является полное отсутствие проводников между источником энергии и конечным потребителем. Данное устройство вполне реализуемо для комнаты, квартиры, частного дома, здания, квартала, района города, либо для предприятий и частных лиц. Данную систему можно встроить в частном доме, или квартире в стену для питания традиционных энергопотребителей. В настоящий момент команда разработчиков придерживается 3-его пункта формулы заявки на изобретение № 2 015 100 415, который гласит:

" Способ беспроводной передачи электрической энергии по п. 1, или 2, отличающийся тем, что в качестве потребителей используют накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации" .

Учитывая большую область применения эта система имеет высокий экономический эффект, что является важным показателем.

На сегодняшний день проводник — главное препятствие в решении многих задач. В развитии данной технологии ставится ряд конкретных задач, решение которых позволит в корне изменить представление человека об электрификации.

Первый шаг — избавить электрический наземный транспорт от проводов, сохранив экологически чистые виды транспорта. Второй шаг — преобразование всей электронной системы города для использования ТТЭЭ. Третий — самый сложный шаг — беспроводная передача энергии из города в близ лежащие поселки без проводов.

Другой очевидной проблемой беспроводной передачи энергии является безопасность технологии. Во 2 главе данной работы указывается небезопасность разработанных систем на основе СВЧ и лазерных технологий. В совокупности с низким уровнем КПД, подобную технологию вовсе нецелесообразно использовать.

В отличие от конкурирующих технологий, ТТЭЭ полностью безопасна, имеет высокий КПД и не требует больших капиталовложений.

3.4 Перспективы развития беспроводной передачи электрической энергии Перспективой развития ТТЭЭ является повсеместное использование системы. Начиная от мобильного телефона, заканчивая промышленными 200-киловаттными двигателями производственных машин. В данном случае мобильный телефон больше не будет разряжаться, автомобиль никогда не остановится, кофеварку можно будет использовать и дома, и в чистом поле. Один из возможных вариантов организации работы системы: для работы электромобилей используется несущая частота 70 МГц, для снабжения электроэнергией общественных и жилых зданий 80 МГц, для дорожного освещения 65 МГц.

Ярким примером внедрения ТТЭЭ является внедрение в систему освещения дорожного покрытия. На сегодняшний день используется две системы освещения:

1. столбы с плафонами, соединенные проводами над землей;

2. столбы с плафонами, соединенные проводами под землей.

Определенно, проводка, проложенная под землей наиболее безопасна, т.к. в аварийной ситуации — будь то природный катаклизм, или авария с участием дорожно-транспортных средств — система продолжит работать. Кабель проложенный под землей не оборвется при падении столба, а значит качество такой системы выше, нежели у системы с проводкой, установленной над землей.

Так или иначе, обе системы подвержены одному существенному недостатку — трудоемкая модернизация. На сегодняшний день даже самый маленький город, с развитой инфраструктурой, быстро развивается, а значит и растет численность населения, увеличивается поток дорожно-транспортных средств. В результате пропускная способность дороги уменьшается, что со временем ведет к необходимости расширения дорожного полотна. Вот здесь мы натыкаемся на серьезную проблему: перенос столбов из одной точки в другую. Этот процесс трудоемкий и требует серьезных капиталовложений. Уменьшить капиталовложения, увеличить мобильность столбов, снизить их стоимость, а так же повысить качественный уровень всей системы позволяет ТТЭЭ.

Новые столбы сделаны из полимерных материалов, с металлическим фланцем в нижней части. В столб встроена индукционная катушка приемника, достаточных размеров, чтобы обеспечить энергией светодиодный блок освещения. Такая конструкция позволит расширить сферу использования столбов, а так же устанавливать их в труднодоступных местах.

4. Расчет затрат на проведение исследований и разработки троллейбусный электроэнергия беспроводной сеть Таблица 4.1 — Структура и трудоемкость этапов научно-исследовательской работы

При определении затрат труда, необходимых для создания научно-технической продукции, следует учитывать степень новизны разработки и неопределенность.

Неопределенность (несовершенное значение) касается затрат, сроков и результатов научных исследований и разработок. В силу действия фактора неопределенности величина затрат труда может быть указана лишь в пределах какого-то интервала.

Для оценки трудоемкости исследований и разработок можно использовать экспертные, опытно-статистические или аналитические методы. Экспертные методы оценки трудоемкости предстоящих работ основываются на оценках, данных экспертами. Экспертные методы используются при определении трудоемкости работ, отличающихся принципиальной или значительной новизной.

Для расчета основной заработной платы требуется значение дневной ставки i-го исполнителя, которая определяется по формуле:

(1)

где Сдн. i — дневная ставка научного сотрудника i-го разряда, руб.;

Омесячн. i — месячный оклад научного сотрудника i-го разряда, руб.;

N — количество рабочих дней в месяце, N=21 день.

Основной фонд заработной платы определяется по формуле:

(2)

где — трудоемкость проведения i-го вида научно-исследовательской работы; чел-дн.

— среднедневная тарифная ставка, руб.

В научных учреждениях дополнительная заработная плата составляет от 8 до 20% от основной заработной платы и определяется по формуле:

ФЗПдоп = (0,08…0,20) • ФЗПосн, (3)

ФЗПдоп = 0,10 • ФЗПосн=8998, руб.

Общий фонд заработной платы определяется по формуле:

(4)

где — основной фонд заработной платы, руб.;

— дополнительный фонд заработной платы, руб.;

— районный коэффициент к заработной плате,

= 1,15.

Таблица 4.2 — Расчет затрат на основную заработную плату

4.1 Амортизация оборудования, относящегося к основным фондам При использовании в исследованиях универсального оборудования, которое относится к основным фондам (лабораторного оборудования, компьютерного оборудования, оргтехники, связь и т. д.) затраты определяются исходя из норм амортизации и балансовой стоимости по видам оборудования по формуле:

(5)

где Соб. i — балансовая стоимость i-го вида оборудования, руб.;

На. — норма амортизации оборудования, %.

— время использования данного оборудования при выполнении НИР, час;

— годовой фонд времени работы оборудования, час.

Балансовая стоимость i-го вида оборудования определяется по формуле:

(6)

где — балансовая стоимость i-го вида машин и оборудования, руб.;

— цена единицы i-го вида машин и оборудования, руб.;

— коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы (принимается 0,07−0,1);

— коэффициент, учитывающий затраты на строительство и устройство фундамента (принимается 0,08−0,1);

— коэффициент, учитывающий затраты на монтаж и освоение оборудования (принимается 0,05−0,08).

Результаты расчетов балансовой стоимости целесообразно представлять в форме таблицы 4.3.

Таблица 4.3 — Балансовая стоимость оборудования

Результаты расчетов амортизационных отчислений на оборудование целесообразно представлять в форме таблицы 4.4.

Таблица 4.4 — Амортизационные отчисления на оборудование

4.2 Отчисления на социальные нужды Процент отчислений на социальные нужды определяется по формуле:

(7)

где — норматив отчислений на социальные нужды, %,

— норматив страховых взносов по обязательному страхованию от несчастных случаев и профзаболеваний, %.

Для научно-исследовательских учреждений принимается = 0,2%.

Отчисление на социальные нужды определяются по формуле:

(8)

где — процент отчислений на социальные нужды.

4.3 Расчет затрат на материалы Расчет затрат на основные и вспомогательные материалы ведется на основе потребности и покупной цены с учетом транспортно заготовительных расходов. Потребность в материалах для исследований и разработок определяется исходя из норм расхода. Если есть возвратные отходы, то стоимость их вычитается из общих затрат на материалы.

К материалам при выполнении тематических работ относятся бумага, электронные носители информации, картриджи, канцелярские товары (ручки, карандаши, линейки, штрих, клей и др.).

Затраты на i-ый вид материалов Змат, руб., определяются по формуле:

Змат.i = Цi · Ni · kтр, (9)

где Ni — потребное количество материалов i-ого вида;

Цi — цена за единицу материалов i-го вида, р.;

kтр — коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы.

Результаты расчетов затрат на материалы целесообразно представлять в форме таблицы 4.5.

Таблица 4.5 — Расчет затрат на материалы

4.4 Капитальные вложения на приобретение или изготовление специального оборудования и приборов Капитальные вложения включают стоимость приобретения или изготовления специальных установок, приборов и оборудования, предназначенных только для проведения данного исследования или разработки. Эти затраты учитываются по рыночной стоимости с учетом затрат на транспортировку и монтаж. Результаты расчетов капитальных вложений на приобретение или изготовление специального оборудования целесообразно представлять в форме таблицы 4.6.

Таблица 4.6 — Капитальные вложения на приобретение специальных установок

4.5 Расчет затрат на энергоресурсы Затраты на электроэнергию определяются по формуле:

(10)

где Ц1кВтч — цена 1кВтч электроэнергии;

W — общий расход электроэнергии, кВтч.

(11)

Общий расход электроэнергии определяется по формуле:

(12)

где N — мощность оборудования (определяется по таблицам 3 и 6);

— время использования данного оборудования при выполнении НИР, час.

kзагр — коэффициент загрузки оборудования, kзагр = 0,7;

kмаш.вр — коэффициент использования машинного времени, kмаш. вр = 0,5;

kпот. — коэффициент, учитывающий потери, kпот. = 0,92.

Таблица 4.7 — Расчет стоимости энергоресурсов

4.6 Расчет затрат на использование помещений Расчет затрат на аренду помещения определяются по формуле:

Апом = Цпомуд• Sпом (14)

где Цпомуд — удельная стоимость аренды помещения, руб./м²;

Sуч — площадь помещения для проведения работ, м².

Апом = 300 * 48 = 14 400, руб

4.7 Накладные расходы Накладные расходы включают затраты на оплату труда административно-управленческого персонала, командировочные и прочие расходы. В научных учреждениях накладные расходы составляют от 50 до 100% от общего фонда заработной платы и определяются по формуле:

(15)

4.8 Сметная стоимость проведения НИР На основе проведенных расчетов затрат составляется смета затрат на НИР, приведенная в таблице 4.8.

Таблица 4.8 — Сметная стоимость проведения НИР

4.9 Определение цены НИР Для фундаментальных и поисковых НИР, а также в случае невозможности по объективным причинам рассчитать величину экономического эффекта по прикладным НИР договорная цена Цд, руб. устанавливается по формуле:

(16)

где: Сп — сметная стоимость проведения НИР, руб.;

ФЗПобщ — заработная плата сотрудников, непосредственно участвующих в выполнении НИР, руб.;

Нр — нормативная рентабельность, Нр = 30%;

k — коэффициент, учитывающий зарплату обслуживающих и управленческих подразделений, k = 1,5.

5. Безопасность труда

5.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда

5.1.1 Теоретические основы охраны труда Понятие охраны труда содержится в ст. 1 Федерального закона «Об основах охраны труда в РФ» от 17 июля 1999 г.№ 181-ФЗ и сформулировано следующим образом: «Охрана труда — система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационнотехнические, санитарногигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные мероприятия» .

Под иными мероприятиями следует понимать мероприятия, направленные на выполнение требований пожарной безопасности, промышленной безопасности и т. п., в ходе трудовой деятельности работников.

Необходимо отметить, что охрану труда нельзя отождествлять с техникой безопасности, производственной санитарией, гигиеной труда, так как они являются элементами охраны труда, её составными частями.

Отсутствие недопустимого риска, связанного с возможностью нанесения ущерба является безопасностью.

Безопасные условия труда представляют из себя такие условия, при которых воздействие на работающих вредных или опасных производственных факторов исключено, либо уровни их воздействия не превышают установленные нормативы.

Условия труда формируются совокупностью факторов производственной среды и трудового процесса, оказывающих влияние на работоспособность и здоровье работника.

Вредный производственный является фактором, воздействие которого на работника может привести к его заболеванию.

Опасный производственный фактор является фактором, воздействие которого на работника может привести к его травме.

В основном законе Конституции Российской Федерации принцип охраны труда определен в статье 37: «…Каждый имеет право на труд в условиях, отвечающих требованиям безопасности и гигиены…»

В Трудовом кодексе РФ отражены следующие вопросы:

— «Охрана труда» ;

— «Труд женщин» ;

— «Труд молодежи» .

Основные принципы государственной политики в области охраны труда представлены в ФЗ «Об основах охраны труда в РФ» от 23 июля 1999 года.

— признание приоритета жизни и здоровья работника по отношению к результатам производственной деятельности;

— государственное управление и координация деятельности в области охраны труда, государственный контроль и контроль над соблюдением требований охраны труда;

— установление единых нормативных требований по охране труда для предприятий всех видов собственности;

— обеспечение общественного контроля соблюдением законодательства в области охраны труда;

— обязательность расследования несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваниях;

— обучение безопасным методам труда и подготовка специалистов в области охраны труда;

— гарантирование компенсации за вред, причиненный работникам другие принципы.

Дополнительные условия охраны труда рассматриваются при составлении коллективного договора и контракта, т. е. индивидуального трудового договора.

5.1.2 Характеристики элементов предлагаемого решения Как было указано в 3 разделе настоящей дипломной работы, технология трансляции электрической энергии представляет собой совместное использование передатчика, либо ретранслятора, и приемника. Исходя из технического оснащения технологии, а также непосредственного назначения устройств, уровень безопасности труда для различных элементов системы будет отличаться. Подробное описание характеристик элементов технологии представлено ниже.

а) характеристики передатчика;

Передатчик предназначен для трансляции радиосигнала в эфир и устанавливается на открытом пространстве в самой высокой точке плоскости для покрытия наибольшей площади. Передатчик использует переменное напряжение бытовой сети 220 В, 50 Гц, класс защиты IP68. Вспомогательным элементом передатчика является ретранслятор.

Ретранслятор предназначен для усиления радиосигналов сетей и устанавливается внутри жилых, офисных и других помещениях изолированных от прямого воздействия окружающей среды. Применение ретранслятора исключает наличие «мёртвых» зон прилегающих территорий, площадью до 1500 м². Ретранслятор использует переменное напряжение бытовой сети 220 В, 50 Гц. Класс защиты IP30.

б) приемник;

Приемник предназначен для детектирования и последующего преобразования радиосигнала из эфира для использования в качестве аналога бытовой сети. Запуск приемника осуществляется с помощью 2 аккумуляторов напряжением 12 В, емкостью 7,2 А•ч.

В процессе работы приемника происходит многократное преобразование электрического сигнала. Первый контур приемника преобразует электромагнитную волну в электрический ток, второй контур производит усиление электрического тока для запуска лавинообразного процесса выделения энергии, третий контур усиливает показатели сигнала, производя незатухающие колебания внутри блока приемника. В пределах блока приемника работают контура переменного (12 В) и постоянного тока (220 В, 50 Гц).

Блок приемника в минимальной комплектации является электроприбором, защищенным от инструментов, проводов или подобных им объектов диаметром более 1 мм и от небольших инородных тел диаметром более 1 мм, класса защиты IP30. Максимальная комплектация, используемая при установке в автомобили на электрической тяге, подразумевает максимальную защищенность прибора от влаги и пыли, а также полную герметичность. Класс защиты IP68.

5.1.3 Меры безопасности а) передатчик;

Установка и регулировка передатчика должна осуществляться только квалифицированными специалистами. Неверная регулировка передатчика может нарушить работу совместно работающих систем и быть причиной выхода из строя совместно работающих систем.

При установке передатчика необходимо соблюдать правила техники безопасности при работе с электроприборами.

Перед установкой убедитесь в наличии и исправности защитного заземления.

Убедитесь, что значение напряжения сети переменного тока соответствует требуемому.

Так как устройство является источником СВЧ излучения, необходимо соблюдать соответствующую технику безопасности.

Во избежание выхода передатчика из строя следует использовать шнуры питания, а также каналов связи только из комплекта поставки.

Запрещено:

1. Вскрывать корпус передатчика

2. Дотрагиваться до разъемов радиочастотных кабелей передатчика

3. Устанавливать передатчик вблизи отопительных приборов (не менее 4 метров)

4. Снимать и устанавливать предохранители во включенном состоянии.

5. Производить влажную уборку во включенном состоянии, а так же в течение 10 минут после полного отключения.

6. Преграждать поток воздуха естественной вентиляции корпуса.

б) ретранслятор;

Установка и регулировка ретранслятора должна осуществляться только квалифицированными специалистами.

При установке ретранслятора необходимо соблюдать правила техники безопасности при работе с электроприборами.

Перед установкой убедитесь в наличии и исправности защитного заземления.

Убедитесь, что значение напряжения сети переменного тока соответствует требуемому.

Так как устройство является источником СВЧ излучения, необходимо соблюдать соответствующую технику безопасности.

Во избежание выхода ретранслятора из строя следует использовать шнуры питания, а также каналов связи только из комплекта поставки.

При работе с ретранслятором запрещено:

1. Вскрывать корпус ретранслятора

2. Дотрагиваться до разъемов радиочастотных кабелей ретранслятора

3. Устанавливать ретранслятор вблизи отопительных приборов (не менее 2 метров)

4. Снимать и устанавливать предохранители во включенном состоянии.

5. Производить влажную уборку во включенном состоянии.

6. Преграждать поток воздуха естественной вентиляции корпуса.

в) приемник.

Установка и регулировка блока приемника (БП) должна осуществляться только квалифицированными специалистами.

При установке БП необходимо соблюдать правила техники безопасности при работе с электроприборами.

Во избежание выхода из строя БП, следует использовать шнуры питания, а также каналов связи только из комплекта поставки.

При работе с БП запрещено:

1. Вскрывать корпус ретранслятора.

2. Преграждать поток воздуха естественной вентиляции корпуса.

3. Менять конфигурацию режимов работы неквалифицированным специалистом.

4. Снимать и устанавливать предохранители во включенном состоянии.

Блок приемника должен находиться в технически исправном состоянии, обеспечивающем безопасные условия труда.

Работники, занимающиеся установкой и регулировкой блока приемника, обязаны проходить обучение безопасным методам и приемам выполнения работ в электроустановках.

Работники должны проходить обучение по оказанию первой помощи пострадавшему на производстве до допуска к самостоятельной работе.

5.2 Расчет искусственного освещения лаборатории по методу светового потока Производственное освещение — неотъемлемый элемент условий трудовой деятельности человека. При правильно организованном освещении рабочего места обеспечивается сохранность зрения человека и нормальное состояние его нервной системы, а также безопасность в процессе производства. Производительность труда и качество выпускаемой продукции находятся в прямой зависимости от освещения.

Видимый свет — это электромагнитные волны с длиной волны от 770 до 380 нм. Он входит в оптическую область электромагнитного спектра, который ограничен длинами волн от 10 до 340 000 нм. Кроме видимого света в оптическую область входит ультрафиолетовое излучение (длины волн от 10 до 380 нм) и инфракрасное (тепловое) излучение (от 770 до 340 000 нм).

Производственное освещение характеризуется количественными и качественными показателями. К количественным относятся световой поток Ф, сила света I, освещенность Е, яркость поверхности Я и коэффициент отражения с. Качественные показатели характеризуют условия зрительной работы. Это такие понятия, как фон, величина контраста объекта с фоном К, видимость V, показатель ослепленности Р и др.

Световой поток Ф — это лучистая энергия, вызывающая световое ощущение. Единица измерения — люмен (лм). Люмен представляет собой световой поток от эталонного точечного источника в 1 международную свечу, помещенного в вершине телесного угла в 1 стерадиан (ср).

Световой поток принято оценивать в пространстве и на поверхности.

В первом случае характеристикой служит сила света I — пространственная плотность светового потока:

I=dФ/dw

(здесь dw — телесный угол, в пределах которого распространяется световой поток, ср);

во втором — освещенность Е= dФ/dS

(здесь dS— площадь поверхности, на которую падает световой поток, м²).

Единица измерения силы света — кандела (кд) (лат. candela — свеча): 1 кд = 1 лм/ср. Единица измерения освещенности — люкс (лк): 1 лк = 1 лм/м².

Естественное и искусственное освещение нормируется СНиП 4−79 в зависимости от характеристики зрительной работы, наименьшего размера объекта различения, фона контраста объекта с фоном. Для естественного освещения нормируется коэффициент естественного освещения, причём для бокового освещения нормируется минимальное значение КЕО, а для верхнего и комбинированного — среднее значение.

Нормы освещенности рабочих мест регламентируются СНиП 23−05−95. При установлении нормы освещенности необходимо учитывать: размер объекта различения, контраст объекта с фоном и характер фона. На основании этих данных по таблицам СНиП 23−05−95 определяется норма освещенности.

На практике используются два вида источников освещения: лампы накаливания и газоразрядные. Лампы накаливания просты по конструкции, обладают быстротой разгорания. Но световая отдача их (количество излучаемого света на единицу потребляемой мощности) низкая- 13−15 лм/вт; у галогенных — 20−30 лм/вт, но срок службы небольшой. Газоразрядные лампы имеют световую отдачу 80−85 лм/вт, а натриевые лампы 115−125 лм/вт и срок службы 15−20 тыс. часов, они могут обеспечить любой спектр. Недостатками газоразрядных ламп является необходимость специального пускорегулирующего аппарата, длительное время разгорания, пульсация светового потока, неустойчивая работа при температуре ниже 0 °C.

Для освещения производственных помещений используются светильники, представляющие собой совокупность источника и арматуры. Назначением арматуры является перераспределение светового потока, защита персонала от ослепленности, а источника от загрязнения.

Расчет искусственного освещения производственного помещения ведется в следующей последовательности:

1. Выбор типа источников света. В зависимости от конкретных условий в производственном помещении (температура воздуха, особенности технологического процесса и его требований к освещению), а также светотехнических, электрических и других характеристик источников, выбирается нужный тип источников света.

2. Выбор системы освещения. При однородных рабочих местах, равномерном размещении оборудования в помещении принимается общее освещение. Если оборудование громоздкое, рабочие места с разными требованиями к освещению расположены неравномерно, то используется локализованная система освещения. При высокой точности выполняемых работ, наличии требования к направленности освещения применяется комбинированная система (сочетание общего и местного освещения).

3. Выбор типа светильника. С учетом потребного распределения силы света, загрязненности воздуха, пожаровзрывоопасности воздуха в помещении подбирается арматура.

4. Размещение светильников в помещении. Светильники с лампами накаливания можно располагать на потолочном перекрытии в шахматном порядке, по вершинам квадратных полей, рядами. Светильники с люминесцентными лампами располагают рядами. При выборе схемы размещения светильников необходимо учитывать энергетические, экономические, светотехнические характеристики схем размещения. Так, высота подвеса (h) и расстояние между светильниками (I) связаны с экономическим показателем схемы размещения (лэ), зависимостью лэ =l/h.

С помощью справочных таблиц выбирается целесообразная схема размещения светильников. На основании принятой схемы размещения светильников определяется их потребное количество.

5. Определение потребной освещенности рабочих мест. Нормирование освещенности производится в соответствии со СНиП 23−05−95, как это было изложено выше.

6. Расчет характеристик источника света. Для расчета общего равномерного освещения применяется метод коэффициента использования светового потока, а расчет освещенности общего локализованного и местного освещения производится с помощью точечного метода.

В основу метода светового потока заложена формула:

(17)

где Фл — световой поток одной лампы, лм;

Ен — нормируемая минимальная освещенность, лк;

S — площадь освещаемого помещения, м²;

Кз — коэффициент запаса;

Z — коэффициент минимальной освещенности;

N — число светильников в помещении;

n — число ламп в светильнике;

? — коэффициент использования светового потока лампы.

5.3 Возможные чрезвычайные ситуации Одной из наиболее распространенных чрезвычайных ситуаций является пожар. Причиной возникновения может быть неисправная электропроводка, неправильно расположенные электроприборы, неправильно расположенные нагревательные приборы. При возникновении пожара необходимо все взрывоопасные предметы перенести в безопасное место, немедленно покинуть помещение, а так же незамедлительно вызвать пожарную службу. В лаборатории, соответствующей технике безопасности на открытом месте у входной двери должен располагаться порошковый огнетушитель.

По возможности, необходимо оказать первую помощь пострадавшим до приезда спецслужб.

5.3.1 Конструктивные и технические решения по технике безопасности Передатчик совместно с ретрансляторами устанавливаются в определенные точки города. Эта часть аппаратного устройства ТТЭЭ является стационарной и может управляться автоматическими системами контроля.

По сравнению с передатчиком и ретрансляторами, блок приемника является элементом повышенной опасности. По большей части это обусловлено условиями эксплуатации. В связи с этим при работе с блоком требуется соблюдать технику безопасности. Приоритетными задачами при постройке блока приемника является вибрационная и ударная защищенность, а так же возможность эксплуатации в агрессивных средах.

Конструкция блока приемника класса защиты IP68 представляет собой герметичный, водонепроницаемый корпус, выполненный из металла. Подобная конструкция позволяет свести к минимуму вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций во время работы устройства. Корпус полностью изолирован от токоведущих частей устройства, что позволяет использовать его в агрессивных средах.

В пределах герметичного корпуса находится предварительно осушенный воздух. Данное технологическое решение полностью исключает возможность возникновения конденсатов на токоведущих частях устройства. Данное же решение позволяет сэкономить средства на изоляции микросхем.

Охлаждение блока осуществляется с помощью вентиляторов, индукционно питающихся от блока приемника. В случае невозможности передачи СВЧ сигнала сквозь толщу металла, на корпусе выполняется дополнительная влагозащищенная колодка подключения внешнего вентилятора.

6. Анализ экологического воздействия Для обеспечения одного человека необходимыми предметами жизнедеятельности используется ежегодно около 20 тонн природных ресурсов Земли, из них 98% бесполезно превращаются в отходы, которые сложно рассеиваются в биосфере, загрязняя ее и нарушая эволюционно сложившиеся биогеохимические циклы. Выбрасываемые в атмосферу, почву и гидросферу «загрязнения», попадают в растения и живые организмы, оказывая на них вредное воздействие и накапливаясь в них. При этом человек подвергается не только непосредственно воздействию загрязнений, но и становится потребителем загрязненных растений и животных. Это приводит к увеличению числа людей, страдающих различными болезнями. Особенно велика заболеваемость людей в городах, где экологический кризис ощущается острее.

6.1 Классификация загрязнений. Физические загрязнения Выбрасываемые техногенные загрязнения и вредные воздействия можно разделить на четыре большие группы:

1. физические загрязнения (энергетические);

2. химические загрязнения;

3. биологические загрязнения;

4. эстетический вред.

Физический загрязнитель приводит к изменению физических параметров среды. К физическим загрязнениям относятся шум, вибрацию, электромагнитные поля, ионизирующие излучения радиоактивных веществ, тепловое излучение, возникающее в результате антропогенной деятельности.

Химический загрязнитель приводит к изменению естественных химических свойств среды, выражаемый в повышении концентраций или в проникновении веществ, которые отсутствовали в среде ранее.

Биологическим загрязнителем являются организмы, привнесение и размножение которых несет нежелательный характер как для человека, так и для экосистем в целом. Проникновение может идти естественным путем, а в некоторых случаях является следствием деятельности человека.

Эстетический вред проявляется в нарушении целостности пейзажей за счет урбанизации, строительства промышленных объектов на территории природных заповедников и т. д.

В зависимости от того, какие именно параметры превышают норму, различают следующие виды физического загрязнения:

— тепловое

— световое;

— шумовое;

— электромагнитное;

— радиоактивное;

— радиационное.

На рисунке 6.1 представлена схема взаимодействия промышленного предприятия с окружающей средой, которая в общем виде отражает ресурсы, поступающие на производство и образованные в процессе производственной деятельности предприятия отходы различных видов.

Рисунок 6.1 — схема взаимодействия промышленного предприятия с окружающей средой

Большую долю загрязнений занимают энергетические выбросы. По своей природе энергетические загрязнения можно разделить на 3 группы:

1. механическая;

2. электростатическая;

3. электромагнитная.

Классификация энергетических загрязнений представлена на рисунке 6.2.

К первой группе относятся загрязнения, представляющие собой колебательно-волновое движение частиц упругой среды газовой, жидкой и твердой фаз: различные шумы, вибрации, инфразвук и ультразвук.

Ко второй и третьей группам относятся техногенные загрязнения, представляющие собой постоянные и переменные электромагнитные поля различных длин волн, от промышленной частоты до сверх высоко частотных колебаний.

Рисунок 6.2 — Классификация энергетических загрязнений

6.2 Экологическое воздействие ТТЭЭ на окружающую среду Технология трансляции электрической энергии состоит из двух основных элементов: передатчика и приемника. Наиболее вероятными видами загрязнения новой технологии могут быть электромагнитное и шумовое загрязнения.

Вероятное электромагнитное загрязнение окружающей среды заключается в превышении электромагнитного фона в процессе генерации электромагнитной волны. Ряд сигналов при модуляции на ряд электромагнитных волн переходят в резонанс. Этот момент наступает при совпадении фронта модулируемого сигнала и частоты несущей электромагнитной волны. В связи с описанным выше процессом резонанса необходимо проводить контроль электромагнитного фона.

В России разработаны и приняты санитарные нормы, являющиеся по ряду параметров самыми жесткими в мире. В качестве предельно допустимого уровня облучения населения принимаются такие значения электромагнитных полей, которые при ежедневном облучении в свойственных для данного источника излучения режимах не вызывают у населения без ограничения пола и возраста заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в период облучения или в отдаленные сроки после его прекращения. Основной критерий безопасности для населения установлен Минздравом РФ и составляет не более 500 В/м при частоте 50 Гц в местах постоянного пребывания людей. Магнитные поля для населения в России не нормируются [6.1].

Для оценки воздействия электромагнитных полей на человеческий организм с целью выбора способа защиты производится сравнение фактических уровней с нормативными. Оценка уровней электромагнитного поля средств радиовещания производится в соответствии с указаниями Минздрава № 3850−85.

Второй вероятный вид загрязнения: шумовое загрязнение. Данный вид загрязнения связан с системой принужденного охлаждения как передатчика и вспомогательного оборудования, так и систем блока приемника.

При воздействии на человека шумов имеют значение их уровень, характер, спектральный состав, продолжительность действия и индивидуальность чувствительности. При продолжительном воздействии интенсивных шумов могут быть вызваны значительные расстройства деятельности нервной и эндокринной систем и т. д. Вредное воздействие шумов проявляется и в нарушении функций вестибулярного аппарата, резком снижении производительности труда.

В связи с тем, что шум является вредным производственным фактором, а в ряде случаев и опасным, предельно допустимые уровни для шумов разных видов сравнивают с эквивалентными уровнями непрерывных шумов.

Нормирование шумовых характеристик машин имеет целью обеспечение безопасных условий труда за счет разработки и изготовления оборудования, шумовые характеристики которого не превышают нормативные значения.

Основными шумовыми характеристиками, для которых устанавливают предельно допустимые значения, являются:

— корректированный уровень звуковой мощности, дБ (А);

— уровень звуковой мощности в октавных полосах частот, дБ.

Допускается нормировать уровень звука излучения и уровень звукового давления излучения в октавных полосах частот на рабочем месте и в других характерных точках.

Уровень звуковой мощности в октавных полосах частот и уровень звукового давления излучения в октавных полосах частот нормируют в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц.

Если статистические значения уровня шума, дБ (А), единичных машин или машин конкретного типа, определенные по ГОСТ 27 408–87, не превышают нормативных значений, рассчитанных для всех предусмотренных типовых условий эксплуатации, в качестве ПДШХ таких единичных машин или машин данного типа принимают значения и соответствующие им значения уровней в октавных полосах частот.

При разработке или выборе методов защиты окружающей среды от шумов принимается целый комплекс мероприятий, включающий:

— проведение необходимых акустических расчетов и измерений, их сравнение с нормированными и реальными шумовыми характеристиками;

— определение опасных и безопасных зон; разработка и применение звукопоглощающих, звукоизолирующих устройств и конструкций;

— выбор соответствующего оборудования и оптимальных режимов работы;

— снижение коэффициента направленности шумового излучения относительно интересующей территории;

— выбор оптимальной зоны ориентации и оптимального расстояния от источника шума;

— проведение архитектурно-планировочных работ;

— организационно-технические мероприятия по профилактике в части своевременного ремонта и смазки оборудования;

— запрещение работы на устаревшем оборудовании, производящих повышенный уровень шума и т. п.

На рисунке 6.3 представлена схема коллективной защиты от шума.

Рисунок 6.3 — Схема коллективной защиты от шума Инновационные технологии контроля электромагнитного излучения, а так же разработки в области систем принудительного охлаждения позволяют снизить риск шумового загрязнения окружающей среды до минимума.

Заключение

Целью настоящей выпускной квалификационной работы являлось повышению качества пассажирских троллейбусных перевозок на основе разработанного принципа снабжения конечного потребителя электроэнергией беспроводным способом.

Для достижения цели настоящей выпускной квалификационной работы был выполнен ряд задач, позволивший успешно завершить работу. Было проанализировано состояние современной троллейбусной системы, проанализированы возможные способы передачи энергии без проводов, проведена работа в области патентной чистоты разработанных мероприятий.

В процессе разработки организационно-технических мероприятий были созданы:

— принципиальная модель предлагаемого решения;

— действующие модели элементов предлагаемого решения;

— проведены эксперименты и испытания моделей, подтверждающие эффективность предлагаемого решения;

— расчет экономического эффекта от проведения научно-исследовательской работы.

Результатом настоящего дипломного проекта является новый способ передачи электрической энергии конечному потребителю и устройство для его осуществления (заявка на патент № 2 015 100 145).

Список использованных источников

1. Афанасьев А. С. Контактные сети трамвая и троллейбуса: учебник для СПТУ / А. С. Семенов. — М.: Транспорт, 1988. — 264 с.

2. Юдин В. Д. Городской транспорт: учебник для ВУЗов / В. Д. Юдин, Д. С. Самойлов — М.: Стройиздат, 1975. — 287 с.

3. Заводоуковский городской округ Тюменской области [Электронный ресурс] / Режим доступа:

http://zavodoukovsk.admtyumen.ru/mo/Zavodoukovsk/index.htm — 18.03.2015.

4. Городской транспорт: проектирование транспортных сетей [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://gorodtransport.ru/ - 10.03.2015.

5. ГОСТ 51 004–96: Услуги транспортные. Пассажирские перевозки. Номенклатура показателей качества. — Изд. лиц. № 21 007 от 10.08.95 — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 3 с.

6. Мои Лекции.ру [Электронный ресурс] / Режим доступа:

http://mylektsii.ru/1−83 408.html — 10.03.2015.

7. Гродненское троллейбусное управление [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://grodnotu.by/index.php — 18.03.2015.

8. Электростанции [Электронный ресурс] / Режим доступа:

http://elektro-dox.ru/index.htmlа — 18.03.2015.

9. Коган Л. Я. Устройство и эксплуатация троллейбуса: учебное пособие / Л. Я. Коган, Е. Е. Корягина, И. А. Белостоцкий — М.: Транспорт, 1977. — 208 с.

10. Энергия: научно-производственное предприятие [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.npp-energy.ru — 18.03.2015.

11. VII Международная студенческая электронная научная конференция: «Студенческий научный форум» — 2015 [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.scienceforum.ru/2015/ - 20.04.2015.

12. Вокруг свет: ежемес. журн. / учредитель ООО «Издательство «Вокруг света». — 1861, январь, № 1 — 2010.

13. Википедия: свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ - 24.04.2015.

14. Академик: электронный справочник [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/17 687 — 24.04.2015.

15. Всероссийский электротехнический институт имени В. И. Ленина: высоковольтный научно-исследовательский центр «ВНИЦ ВЭИ» [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.vei-istra.ru/ - 24.04.2015.

16. Интелектинвест [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://firstline.com.ua/ - 21.04.2015.

17. Наука и образование XXI века: сборник статей Международной научно-практической конференции (15 ноября 2014 г., г. Уфа) // Сукиасян А. А. — в 2 ч. ч. 1. // - Уфа: Аэтерна, 2014 — 266 с.

18. Гражданская радиосвязь [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.27kb.ru/ - 24.04.2015.

19. Куклев Ю. И. Физическая экология: учебное пособие / Ю. И. Куклев — М.: Высшая школа, 2001. — 357 с.

20. Заявка 2 015 100 415, Российская Федерация, МПК7 В 64 G 1/00. Способ беспроводной передачи энергии и устройство для его осуществления / заявитель А. А. Рузанов / авторы А. А. Рузанов, А. Л. Воробьев, Г. Г. Эрленбуш.

21. Оценка экономической эффективности научно-технических решений в дипломном проектировании: методические указания к экономической части дипломных проектов научно-исследовательского направления [Электронный ресурс] / Л. М. Стрельникова; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. проф. образования «Оренбург. гос. ун-т», Каф. экономики и орг. пр-ва. — Оренбург: ОГУ. — 2014.

22. Гарант — информационно-правовой портал [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://base.garant.ru/180 691/ - 24.04.2015.

23. Русак О. Н. Безопасность жизнедеятельности: учебное пособие / О. Н. Русак, К. Р. Малаян, Н. Г. Занько; под общ. ред. О. Н. Русака. — Изд. 6-е стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2003. — 448 с.

24. Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие. ч. 2 / Е. А. Резчиков, В. Б. Носов, Э. П. Пышкина, Е. Г. Щербак, Н. С. Чверткин / Под редакцией Е. А. Резчикова. М.: МГИУ, — 1998.

25. Кнорринг Г. М. Справочная книга для проектирования электрического освещения Г. М. Кнорринг. — Ленинград: Энергия, 1976. — 384 с.

26. Строительные нормы и правила СНиП 23−05−95 «Естественное и искусственное освещение»: утв. постановлением Минстроя РФ от 2 августа 1995 г. № 18−78 / ИПК издательство стандартов: — 2002.

27. Ротфельд М. В. Методические указания к решению задач по курсу БЖД / М. В. Ротфельд, А. М. Елин. М.: — 2010.

28. Охрана окружающей среды: учебное издание / 2-е изд. Под ред. С. В. Белова. — М.: Высшая школа, 1991. — 319 с.

29. Киттель Ч., Берклеевский курс физики. Том 1. Механика / Ч. Киттель, У. Найт, М. Рудерман — М.: Наука, 1983. — 448 с.

30. Казанский Ю. Д., Введение в экологию: учебное издание / Ю. Д. Казанский, — М.: Издат, 1992 — 112 с.

31. Кок, У. Звуковые и световые волны / У. Кок, — М.: «МИР», 1966. — 157 с.

32. ГОСТ 27 409–1997. Шум. Нормирование шумовых характеристик стационарного оборудования. Основные положения. — Введ. 1999;01−01. — Минск: Изд-во стандартов, 1999. — 8 с.

33. Белов С. В. Средства защиты в машиностроении / С. В. Белов — М.: «Машиностроение», 1989. — 356 с.