Апстракт: Сè додека не се направи барем груб споредбен енергетски биланс за превозот на патници во градски услови, може само да се нагаѓа која опција е поекономична. Во предвид ги имам потребите за трајно решение на градскиот превоз на патници во Скопје и оваа стручна студија треба да фрли светло, барем оквирно и на ниво на меѓусебни односи за потрошената енергија за иста извршена работа на класичен автобус и трамвај. Резултатите се многу значајни и никако не можат да бидат заобиколени, т.е. игнорирани. Всушност, тие се основна навигација за добра одлука!
Ќе биде пресметан енергетскиот биланс за превоз на патници во градски услови на една имагинарна линија во хоризонтална рамнина на потегот од Ѓорче Петров до Ново Лисиче. Разгледувана е опцијата за превоз на патници со градски автобус и трамвај. Појдовните услови за двете опции се изедначени. Резултатите ќе бидат претставени преку три табели за подобар преглед, а пресметката ќе биде изведена помеѓу табелите. Секако, трудов ќе изобилува со објаснувања и заклучок при што се надевам дека ќе биде од корист за сите заинтересирани.
ВОВЕДНИ НАПОМЕНИ И ПОЈДОВНИ ПАРАМЕТРИ
Структурата на пресметкава е следна: на хоризонтална подлога на релација во должина од 15 километри со 25 постројки треба да бидат превезени патници како корисен товар. Треба да се пресмета колку енергија ќе се потроши за оваа линија ако превозот се врши со автобус и со трамвај. Бидејќи при истражувањето дојдов до податок дека најмалиот трамвај е со максимален капацитет од 200 патници, за да ги изедначам појдовните услови еквивалентот на трамвајот го заменив со три автобуси на спрат со капацитет од по 70 патници при што пресметката станува коректна во појдовните услови.
Прво што пресметав е потрошената енергија целосно полното превозно средство да ја помине оваа релација без застанување на постројките. На таа енергија ја додадов потрошената енергија од инерцијалните сили при забрзување на превозните средства напуштајќи ја постројката за симнување и качување на патници. И на крај, со оглед дека тролејбусот има можност за регенерациско кочење (кочење преку повраток на енергијата) од билансот на енергија на трамвајскиот превоз ја одзедов оваа енергија при што остана чистата потрошената енергија.
Пресметкава е оквирна, се однесува за идеален случај и е елементарна. За неа се искористени сознанијата од ТЕОРИЈА НА ДВИЖЕЊЕ НА ВОЗИЛА и некои основни релации од Механика, поточно ДИНАМИКА.
ПОЈДОВНИ ПОДАТОЦИ
Во Табела 1 ќе бидат поместени појдовните податоци во расчленета форма, а во следната табела, Табела 2 ќе бида поместени средените податоци кој ќе бидат повикани во текот на пресметката. Во пресметката податоците ќе бидат повикувани само од Табела 2.
Во потсетникот од универзитетското предавање по предметот ВЛЕЧНИ ОТПОРИ од проф. д-р Жељко Деспотовиќ на страна 8 поместени се податоци за силата на отпорите од тркалањето за повеќе моторни возила. Ќе ги наведам како следува:
- Железнички сообраќај 10 – 12 [N/t]
- Трамвај и лесен шински транспорт 50 – 70 [N/t]
- Друмски сообраќај (автомобили, автобуси, камиони) 200 – 300 [N/t]
Јас за мојава пресметка усвоив Сила на отпор од тркалање за трамвај од 60 [N/t], а за автобус од 250 [N/t]. Точните вредности за конкретниот избор на превозно средство ќе е наведено во неговата Техничка документација и завршната пресметка со тие податоци само ќе се уточни, но секако, тоа се нијанси кои не влијаат на генералните заклучоци од оваа студија.
ПРЕСМЕТКА НА ЕНЕРГЕТСКИ БИЛАНС
а) Автобус
Во предвид го имам автобусот на спрат од кинескиот производител YUTONG – Double Decker City Bus. Тоа се познатите даблдекери кои се користат во Скопје од ЈСП. Податоците за него се превземени од Референца [1]. Потребата за енергија ќе ја пресметам за трите автобуси заедно: значи ги разгледувам во пакет како еден автобус (фиктивно) при што е изедначен со трамвајот во стартните услови.
1) Потребната моќност во kW (без застанување) е:
Pb = Fotb * V (потребна моќност)
Fotb = 250 * 54,3 = 13 575 [N] (сила на отпор од тркалање на автобусот)
V = 4,2 [m/s] (брзина на автобусот)
Pb = 13 575 * 4,2 = 57015 [W] = 57,015 [kW]
Eb1 = Pb * T = 57,015 * 1 = 57,15 [kWh] (потрошена енергија без застанување)
T = L/V = 15/15 = 1 [h] (време за да се помине релацијата од 15 километри)
L (должина на релацијата)
2) Потребна моќност за совладување на инерцијалните сили при забрзувањето во моментот на напуштање на постројката.
За едно застанување:
Ekb = 0,5 * mb * V2 = 0,5 * 54 300 * 4,22 = 478 926 [J] = 0,133 [kWh] (кинетичка енергија на автобусот за едно забрзување при тргнувањето)
За 25 тргнувања:
Екb25 = Екb * 25 = 0,133 * 25 = 3,325 [kWh] (кинетичка енергија на автобусот за 25 поаѓања)
Вкупна енергија за совладување на линијата при полн автобус е:
Eb = Eb1 + Ekb25 = 57,15 + 3,325 = 60,475 [kWh]
ПРЕСМЕТКА НА ЕНЕРГЕТСКИ БИЛАНС
б) Трамвај
Како модел за мојава пресметка го земам трамвајот кој сообраќа во Град Билбао и е со капацитет од 196 патници (заокружив 200 патници) и има декларирана нето маса од 1 тон на метар должински, а е долг 24 метра (види Референца [2]).
Пресметката ќе ја поделам на три дела. Првиот е пресметка за потрошена енергија за совладување на растојанието на линијата без застанување на трамвајот на постројките, па ќе ја пресметам потребната енергија за сите 25 забрзувања при поаѓањето на трамвајот од постројките а потоа од таа збирна енергија ќе ја одземам енергијата добиена од регенеративното кочење при 25те застанувања на постројките за влез и излез на патници.
1) Потребната моќност во kW (без застанување) е:
Pt = Fott * V (потребна моќност)
Fott = 60 * 40 = 2 400 [N] (сила на отпор од тркалање)
V = 4,2 [m/s] (брзина на автобусот)
Pt = 2 400 * 4,2 = 10 080 [W] = 10,08 [kW]
Et1 = Pt * T = 10,08 * 1 = 10,08 [kWh] (потрошена енергија без застанување)
T = L/V = 15/15 = 1 [h] (време за да се помине релацијата од 15 километри)
L (должина на релацијата)
2) Потребна моќност за совладување на инерцијалните сили при забрзувањето на трамвајот во моментот на напуштање на постројката
За едно застанување:
Ekt = 0,5 * mt * V2 = 0,5 * 40 000 * 4,22 = 325 800 [J] = 0,0905 [kWh] (кинетичка енергија на трамвајот за едно тргнување)
За 25 застанувања:
Екt25 = Ек * 25 = 0,0905 * 25 = 2,262 [kWh] (кинетичка енергија за трамвајот за 25 тргнувања)
Вкупна енергија за совладување на линијата при полн трамвај е:
Et = Et1 + Ekt25 = 10,08 + 2,262 = 12,342 [kWh]
3) Поврат на енергија од регенеративното кочење
За едно застанувње:
(Ektr = Ekt * 0,3 = 0,0905 * 0,3 = 0,02715 [kWh] (повраток на кинетичка енергија од едно застанување)
0,3 = 30% ефикасност на повратот на електричната енергија во напојниот систем
Ektr25 = Ektr * 25 = 0,678 [kWh] (повраток на кинетичка енергија од 25 застанувања)
Вкупна енергија за совладување на линијата при полн трамвај вклучително и застанувањата и поаѓањата од постројките:
Et = Et1 + Ekt25 – Ektr25 = 10,08 + 2,262 – 0,678 = 11,664 [kWh]
ЗАКЛУЧОК
- За техничките лица и познавачите на оваа проблематика пресметкава во својата суштина е скоро непотребна затоа што односите на потрошената енергија со голема точност се наѕираат уште при анализата на силата на отпорите на тркалање од проектантско/конструктивните машински таблици. Меѓутоа, за понеупатените во оваа проблематика оваа пресметка е добредојдена оти на едно место е прикажан енергетскиот биланс на овие две опции за градски превоз на патници со увид и коментари за целата комплексност во изведувањето на енергетскиот биланс.
- Заклучокот што треба да биде изведен од овај стручен труд е да се има релевантен увид на односот на потрошена енергија при превозот со автобус и трамвај. Доколку пресметката се уточнува со сите реални параметри и финеси, нивните резултати во иста насока ќе влијаат и врз енергетскиот биланс на автобусот и врз енергетскиот биланс на трамвајот, но нема да го нарушат нивниот меѓусебен однос. И тука е вредноста на оваа пресметка иако е груба и ориентациона. Од ова следува дека резултатите како меѓусебен однос на енергии за двата видови на превоз сосема слободно можат да се прифатат за кредибилни.
- Да нема забуна во воведувањето на кинетичката енергија вo пресметкава. Промената на кинетичката енергија на телото (значи промена на неговата брзина, не е битно во која насока) е еквивалентна на работата на тоа тело. Значи:Ek1 – Ek2 = Ai [Nm] или [J]. Со оглед дека при застанување или при поаѓање од постојка за патници секогаш едниот член на оваа равенка е нула, тогаш во игра останува само Кинетичката енергија од максималната брзина на превозното средство и со самото тоа пресметката е математички коректна со тоа што треба да се внимава на додавањето и одземањето на добиената кинетичка енергија.
- Во очи паѓа многу малиот поврат на електрична енергија кај трамвајот при регенеративното (реверзибилното) кочење. Енергијата е мала оти максималната брзина е релативно мала. Потоа, повратокот на електричната енергија е уште помал (само околу 30%) затоа што толкава е ефикасноста на системот за поврат на електричната енергија во енергетскиот систем. Но ова не се моменти на обесхрабрување со оглед дека регенеративното кочење првенствено треба да се форсира не заради заштеда на енергија туку заради поедноставување на системот за кочење доколку тој биде класичен (механички, хидрауличен, воздушен или некоја нивна комбинација). Класичните системи на кочење се исклучително сложени мехатронички системи подложни на скапо одржување и скапи поправки кои ја одбиваат нивната примена. Регенеративното кочење е елегантно решение оти е едноставно како решение бидејќи се користи веќе инсталираниот погонски електромотор кој ќе биде премостен при кочењето во мод (опција) за кочење. Не се расипува, бара минимално одржување и е долговечен. Како ориентација: Просечен (стандарден) сервис за одржување и поправка на автомобили има застапеност од 40-50% на поправки и одржување на системот за кочење (види Референца [3]). За превозните средства на градскиот патнички превоз овој процент е многу поголем оти тие постојано кочат.
- Стручнава студија докажа дека трамвајскиот градски превоз е 5 пати поефтин (500%) од автобускиот градски превоз на патници. Ова е аргумент на кој не може да му се спротивстави ниеден друг противаргумент во залагањата за автобуски или тролејбуски превоз на патници во градот вклучително и релативно големите инфраструктурни иницијални трошоци. Во однос нa влечната пресметка и отпори сеедно е дали разгледуваме автобуски или тролејбуски превоз на патници. Едноставно, трамвајскиот превоз е супериорен и единствено трајно, економично и одржливо решение за густонаселените градови како Скопје и за најоптеретените градски линии.
- Еден важен момент во оваа пресметка во однос за автобусите со мотори со внатрешно согорување, т.е. дизелски мотори!, е следниот момент: Како ЕНЕРГИЈА во пресметка пресметав дека автобусот ќе потроши (сметам) околу 60 [kWh]. Но, ако оваа МЕХАНИЧКА енергија се добие од фосилно гориво, т.е од согорување или од мотор со внатрешно согорување каде ефикасноста на термодинамичкиот процес е 30% (цирка) тогаш овие 60 [kWh] треба да се наголемат за 70%, т.е. 60 да се подели со 0,3 и ќе се добие енергија од 200 [kWh]. Е сега, треба да се пресмета цена на оваа енергија кога ќе се претвори во нафта и потоа таа вредност да се споредува со енергија од 60 [kWh] добиена од струја. За тролејбус не важи оваа напомена.
- Сила на тело со маса од околу 1 килограм коешто оптегнува јаже под дејство на земјина тежа, би било описно објаснето, влечење на маса од 1 тон по шини. Коментар на Мaрјан Матевски: Меродавен отпор е вкупен отпор, и тој е поголем, за железница тој е мерен кај Богомила и Гостиражни и таму има долг тунел, и тој е под 26 [N/ton]. Одговор на Томе Скендеровски: Јас пресметував енергија, а моќноста ми е само еден меѓурезултат за совладување САМО на едни (и најголемите) од трајнитете отпори, а тоа е отпорот од тркалање. Вкупниот отпор е меродавен за пресметка на моќноста и на вкупната потрошена енергија како апсолутни вредности, но не и за ОДНОСИТЕ на енергии на автобуски и трамвајски или на камионски и железнички превоз. Значи едно е АПСОЛУТНА вредност на енергија или моќност (за моторот), а друго е меѓусебен однос на енергии во кои меродавни се само отпорите од тркалање (оти другите отпори подеднакво ги оптеретуваат двата случаи и не го менуваат нивниот сооднос! Јас добив моќност за автобус, но само за совладување на отпорите на тркалање од 60 [kW] за трите т.е по 20 [kW] за еден. До 120 има уште 100 k[W], а тие се за совладување на инерцијалните сили при забрзување (овде оди најголемата резерва на силина, оти законски мора да задоволи минимум забрзување при полн автобус, т.е. не смее да се влечка додека забрзува – може да се пресмета), потоа поголемата брзина од моите 15 километри на час (некаде 80 – 100 километри на час) и овде оди добар дел од силината и другите механички отпори како и отпорот од воздухот, иако тој за мали брзини може и да се игнорира. Слична е состојбата и кај трамвајот. Kако што нагласив, мене ми беше важно да го пресметам односот на силини, т.е. односот на енергии. Реалните моќности не ме интересираа. Нема потреба од нив. Клучен е факторот на пропорционалност.
Литература и референци:
[1] https://bit.ly/2ZcTquq – видено на 20. 12. 2019. година
[2] https://www.caf.net/en/productos-servicios/proyectos/proyecto-
detalle.php?p=62&fbclid=IwAR1h6sLNJq9CPwJlNzuTakWBN17hRXh6f-FtX-
KgBeFSNxvV7XxlGsg_xwQ – видено на 20. 12. 2019. година
[3] Имам работено 10 години како професионален автомеханичар во сопствен автосервис, така што податокот во точката 5 може да се земе за релативно точен во општ случај, а точен во неговиот случај.
Автор: Томе Скендеровски дипл. маш. инг., влечна група електромобилност македонија
