Бытовой сельский электротранспорт - солнцекат "Фермер"

Введение. Развитие электротранспорта на селе должно рассматриваться как важнейшее направление технического перевооружения сельхозпроизводства на новом, более высоком и экономичном уровне. Целью такого техперевооружения должен стать полный отказ от использования ГСМ в сельхозпроизводстве, что остановит ползучий рост себестоимости продукции по этому показателю. Действительно, непрерывно растущие цены на солярку и бензин привели к тому, что доля затрат на топливо, например, в продукции растениеводства, составляет около 10–15%. Дальнейшее повышение цен на ГСМ делает сельхозпроизводство, особенно растениеводство, вообще бесперспективным, требуя применения нерыночных мер – таких как вливание из бюджета государства компенсаций за повышение цен на дизтопливо. В сложившейся ситуации наибольший интерес вызывает электротранспорт с бортовым запасом электроэнергии, расходуемой на выполнение сельхозработ, так как, в отличие от других способов, например передачи энергии кабелем или бугельной контактной системой, электромобиль, электротрактор или электрокомбайн может свободно перемещаться по полю и переезжать на другие поля. Ещё на заре советской власти проводились работы по применению электрических плугов в земледелии [1]. Но появление двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с высокими удельными запасами энергии в органическом топливе, заливаемом в бак сельхозмашин, предопределило направление развития техники на селе в ХХ–XXI веках.

Однако технический прогресс не стоит на месте. Первый прототип автомобиля на солнечной батарее был продемонстрирован американским изобретателем Уильямом Кообом 31 августа 1955 года в Чикаго. Экспериментальная модель в действие приводилась небольшим электрическим мотором, который питался от селеновых фотоэлементов. Датский изобретатель ХансТолструп пересек Австралию с запада на восток на солнцемобиле «Тихий рекордсмен» («Quiet Achiever»), скорость которого достигала всего 20 км/ч. Однако уже в 1996-м году скорость солнцемобилей удалось значительно увеличить. В 1996 году солнце-мобиль «Мечта» («Dream») смог проехать расстояние, разделяющее Дарвин и Аделаиду (3000 км), на скорости около 90 км/час, преодолевая отдельные участки со скоростью 135 км/ч.

В 2017 году известный американский миллиардер и изобретатель Илон Маск представил мировой общественности уникальный грузовой электромобиль Tesla-Semi – фуру грузоподъемностью 36 тонн с дальностью хода 800 км на одной зарядке аккумулятора. При этом фура «Тesla-Semi», по заявлению производителя, легче и дешевле фуры с ДВС [2]. Другая испанская фирма «Graphenano» сообщила о начале испытаний полимер-графенового аккумулятора для электромобилей, способного заряжаться до полной ёмкости за 8–10 минут [3]. Всё это означает, что время ДВС уходит в прошлое, как ранее ушла эпоха паровозов.

Аграрная отрасль экономики тоже не стоит на месте, и уже сегодня можно увидеть действующие модели сельскохозяйственных машин, работающих на электрической тяге. В качестве наглядного примера можно привести вариант конструкции сеялки, использующей для привода механизмов электрическую энергию, которая получается за счет преобразования энергии Солнца – поэтому аппарат укомплектован солнечным фотоэлектрическим модулем [4–5]. Да и разрабатываемые сельскохозяйственные роботы тоже используют преобразованную энергию Солнца в качестве основной энергетической единицы для своего функционирования [6].

В Камышинском технологическом институте уже в течение ряда лет ведутся работы по солнечному электротранспорту, и прежде всего в сегменте солнечных велосипедов (солнцекатов), один из которых – солнцекат «Фермер» – представлен на рисунке [7].

Солнцекат «ФЕРМЕР» на испытаниях

Основным преимуществом солнечного транспорта является отсутствие потребности в любом виде ископаемого топлива, поскольку основным источником энергии в нём является солнечное излучение, преобразуемое техническими системами солнцемобиля в электрическую форму и накапливаемое в бортовой системе аккумулирования. В качестве преобразователей солнечного излучения, как правило, используются солнечные модули фотовольтаического типа. Это особенно важно для сельских жителей и жителей удаленных территорий, так как часто бензозаправки для личного транспорта находятся за несколько десятков километров от поселения и нужно специально тратить время и денежные средства на то, чтобы проехать 30–50 км до автозаправки и пополнить запас топлива для своего мотоцикла или автомобиля. Для солнцеката в этом нет необходимости. На сельской территории юга Российской Федерации достаточно солнечного излучения [8, 9], используя которое с помощью фотоэлектрического модуля можно обеспечить зарядку аккумуляторов солнцеката на весь световой день.

Методика исследования. По своему характеру данное исследование относится к полевому эксперименту, имеющему, как правило, большую трудоемкость. Для его осуществления была составлена программа и выбран маршрут экспериментального пробега, определён круг ответственных исполнителей. При исследовании были задействованы: один солнцекат, два автомобиля безопасного сопровождения, один автомобиль фототелефиксации, а также группа велосипедистов сопровождения. На маршруте солнцекатом управляли, поочерёдно сменяя друг друга, три пилота. Предусматривалось непрерывное движение солнцека-та в течение всего светового дня с одной остановкой на один час, которая была предусмотрена для перерыва на обед. Основными средствами измерений были таймер, часы, спидометр, бортовой контроллер состояния электрической системы солнцеката, телекамеры и фотоаппараты. После установления объема экспериментальных работ были составлены список участников экспедиции (всего 32 человека), календарный план и смета расходов. План-программа была утверждена научным руководителем и обсуждена с ответственными исполнителями: пилотами, техниками, группами обеспечения безопасности движения и сопровождения. Маршрут движения был заранее согласован с органами ГИБДД, и на начальной части маршрута, а это первые 15 км, колонну сопровождал автомобиль Госавтоинспекции Российской Федерации.

Объект исследования. Солнцекат «ФЕРМЕР» является головным образцом линейки трёхколёсных солнечных грузовых электровелосипедов, в первую очередь предназначенных для сельских жителей, людей, активно занимающихся садоводством и работающих на дачных участках, а также для тех, кто решил самостоятельно обслуживать свои транспортные потребности [10]. Основные характеристики солнцеката «ФЕРМЕР» приведены в таблице.

Технические характеристики электропривода СК «ФЕРМЕР»

Мотор-колесо		Электрогенерация
Марка	ANNOYBIKE	Солнечная батарея	FSM-100M
Тип	Бесщёточный трёхфазный асинхронный, редукторный	Пиковая электрическая мощность (Pmax)	2×100 = 200 Вт
Номинальное напряжение	48 В	Габаритные размеры	1209 ×(2 × 539) × 35 мм
Мощность	1000 Вт	Тип солнечного элемента	монокристалл
КПД	≥80%	Номинальное напряжение (U nom )	12 В, с возможностью повышения на частотном преобразователе до 52 В
Максимальный крутящий момент	35 Н∙м	Ток в точке максимальной мощности (I mp )	2х5,38 А
Максимальное число оборотов	580 об/мин	Напряжение в точке максимальной мощности (U mp )	12,5 В
Контроллер управления двигателем	Контроллер 48 Вт; 25 А; 1000 Вт	Напряжение холостого хода	22,7 В
Температура эксплуатации	-20 до +45 ºС	КПД элемента ФЭМ	19,4%
Датчик скорости и диска	PAS	Практический КПД модуля	16,12%
Масса	4,7 кг	Дисплей	LCD900
Размер обода	28"	Аккумулятор	Свинцово-кислотный Q= 55А∙ч; U=4×12=48 В

Более подробно опишем основные характеристики СК «ФЕРМЕР», которые характеризуют его как транспортное средство:

• •    Наименование средства передвижения: солн-цекат «ФЕРМЕР».

• •    Разработчик-изготовитель: СКТБ «Вымпел» Камышинского технологического института (филиал) ФБГОУ ВО ВолгГТУ (г. Камышин).

• •    Дата изготовления: 10 июня 2015 г.

• •    Колёсная формула: 3-колёсный.

• •    Рулевое управление: управляемое переднее колесо.

• •    Силовой привод двухкомпонентный:

• 1 . Переднее мотор-колесо со встроенным асинхронным электродвигателем, мощностью 1 кВт и номинальным напряжением 48 В.

• 2 . Педальный привод на правое заднее колесо с регулируемыми скоростями цепной передачи; количество скоростей: 10.

• •    Солнечная батарея напряжением 48 В, собрана на базе двух модулей типа МFS 100 номинальной установленной мощностью 200 Вт.

• •    Емкость батареи, которая состоит из 4-х свинцово-кислотных аккумуляторов, составляет 55 А·ч.

• •    Грузоподъемность: 50 кг.

• •    Маршевая скорость движения: 20 км/ч.

• •    Максимальная допустимая скорость на трассе: 35 км/час.

• •    Дальность хода с одной зарядки аккумуляторов: 120 км.

• •    Масса в снаряжённом состоянии с водителем: 220 кг.

• • Габариты: 2,1 х 1,2 х 1,8 м.

Результаты исследований-испытаний и их обсуждение. Для подтверждения заложенных характеристик испытуемого средства передвижения в июне 2015 года были проведены натурные испытания солн-цеката «ФЕРМЕР» на дальность хода с одной зарядки аккумулятора.

Условия пробега солцеката «ФЕРМЕР» по маршруту г. Камышин – р.п. Иловля протяжённостью 185 км 12 июня 2015 г. были следующие.

Аккумуляторная батарея

До начала движения был обеспечен заряд аккумуляторной батареи на полную ёмкость 55 А∙час. При этом напряжение холостого хода АКБ равнялось 52 В. Максимальный разрядный ток АКБ при перемещении солнцеката по трассе был равен 20 А. Рекуперация электрической энергии при торможении во время проводимого испытания не включалась.

Климатические характеристики

Летний день характеризовался переменной облачностью, без осадков, с ветром 2–3 м/сек и его порывами до 4–5 м/сек, температура воздуха +28 °С.

Описание маршрута

Маршрут испытательного пробега: г. Камышин – г. Петров Вал – с. Ольховка – с. Солодча – р.п. Иловля.

• 1.    Время и дата старта: 11 ⁴⁵ 12 июня 2015 г.

• 2.    Время и дата финиша: 20 ³⁰ 12 июня 2015 г.

• 3.    Общее время в пути: 8 ч 45 мин.

• 4.    Время остановок (обед команды): 1 ч.

• 5.    Пройденное расстояние: 130 км.

• 6.    Время и дата старта: 12 ¹⁰ 13 июня 2015 г.

• 7.    Время и дата финиша: 15 ⁰⁰ 13 июня 2015 г.

• 8.    Общее время в пути: 2 ч 50 мин

• 9.    Время остановок: остановок не было.

• 10.    Пройденное расстояние: 55 км.

По окончании первой части пробега протяженностью 130 км напряжение холостого хода на разряженной аккумуляторной батарее составило 46 В.

Вечером 12 июня экспедиция разместилась на ночлег в селе Солодча, во время которой была произведена зарядка аккумуляторной батареи.

13 июня 2016 г. продолжение маршрута: с. Со-лодча – р.п. Иловля.

Пройденное расстояние полного маршрута г. Камышин – р.п. Иловля составило 185 км. Следует отметить, что на момент проведения испытания достигнут лучший в отечественной практике показатель дальности хода грузового электровелосипеда.

Испытание солнцеката «Фермер» позволило выявить, что при движении имеющаяся жёсткость задней подвески приводит к дискомфорту нахождения водителя на своем месте и появлению преждевременной его усталости на трассе.

В процессе испытаний также был выявлен недостаток мощности солнечной батареи, что не позволяло обеспечить ход солнцеката на прямой солнечной генерации без подключения аккумулятора, так как электродвигатель на прямолинейном ровном участке трассы потребляет 230–250 Вт мощности, в то время как установленная мощность солнечного модуля равняется 200 Вт.

Выводы. По окончании велопробега комиссией был проведён осмотр солнцеката «Фермер» и было установлено:

• 1)    солнцекат находится в исправном состоянии и пригоден к дальнейшему использованию по назначению;

• 2)    на основе полученных данных рекомендовано увеличить мощность солнечной батареи до 300 Вт;

• 3)    для повышения комфортного размещения водителя солнцеката следует внести конструкционные изменения и смонтировать амортизаторы на задней подвеске под кузовом.