V súčasnosti sa v praxi postupne čoraz viac uplatňujú hybridné rýpadlá, hnané viacerými druhmi pohonov. Táto „hybridizácia“ je v dopravnej technike pozorovateľný trend, či už ide o automobily alebo mobilné pracovné stroje, rýpadlá nevynímajúc. Hybridné rýpadlá sú konštrukčne riešené tak, že umožňujú rekuperovať energiu pracovného cyklu mobilného pracovného stroja, dočasne ju uchovať v akumulátore energie a neskôr ju opätovne využiť v pracovnom procese stroja. To všetko sa deje s cieľom znížiť enormnú energetickú náročnosť ich práce. Hybridné rýpadlá tak ponúkajú popri nižšom ekologickom dosahu prevádzky pracovného stroja predovšetkým vyššiu energetickú účinnosť, a teda nižšie prevádzkové náklady. Úspora energie hybridných rýpadiel v porovnaní s ich výkonovými ekvivalentmi štandardnej konštrukcie sa pohybuje v rozmedzí 15 – 25 %. Niektoré konštrukcie hybridov navyše umožňujú spaľovaciemu motoru pracovať pri optimálnych otáčkach, pričom premenlivé požiadavky na energiu pokrýva akumulátor.

Rekuperácia energie rýpadiel

V každom pracovnom cykle rýpadiel dochádza k brzdeniu pohybujúcich sa hmôt, či už ide o brzdenie otočnej nadstavby alebo pracovného mechanizmu rýpadla. Táto kinetická energia sa zvyčajne mení na neužitočné teplo pri brzdení, avšak je možné vyťažiť ju zo systému a racionálne ju využiť. Tento proces sa nazýva rekuperácia. Na určenie vhodných zdrojov rekuperovateľnej energie je potrebná energetická bilancia pracovného cyklu rýpadla. Z teoretického aj praktického pohľadu sa ako najvhodnejší zdroj rekuperovanej energie javí brzdenie otočnej nadstavby rýpadla, i keď experimentálne sa skúmajú aj iné potenciálne zdroje. Na pochopenie procesu rekuperácie možno zostaviť základný matematický model. Pri brzdení otočnej nadstavby vychádzame z kinetickej energie rotácie nadstavby:

kde EK je kineticka energia nadstavby (teda maximalna energia vyťažiteľna zo systemu), I je moment zotrvačnosti nadstavby a ω je uhlova rychlosť, z ktorej je nadstavba brzdena do zastavenia. Zo zakonov termodynamiky je zrejme, že nie je možne využiť všetku kineticku energiu nadstavby a časť energie sa uvoľni vo forme tepla:

kde ER je rekuperovana energia cyklu a ES je stratova energia cyklu. Analyzou tychto energii v časovej oblasti možno opisať dej rekuperacie energie pomocou užitočnych a neužitočnych vykonov:

kde dEK je diferenciál kinetickej energie nadstavby, dt je diferenciál času, PR je rekuperovaný výkon a PS je stratový (teda tepelný) výkon. Oba tieto výkony sa menia v čase a sú závislé od viacerých parametrov systému. Snahou konštruktérov „hybridov“ je dosiahnuť čo najvyššiu účinnosť, teda minimalizovať stratovú energiu a čo najväčšiu časť kinetickej (resp. potenciálnej) energie rekuperovať. Tejto téme sa venuje celý rad odbornej literatúry.

Akumulácia energie rýpadiel

Zvyšenie učinnosti a efektivity hybridneho pohonu možno dosiahnuť uloženim – rekuperaciou – vyťaženej energie v akumulatore, čo umožňuje načasovať opatovne využitie energie na vhodny čas. Z fyzikalneho hľadiska prichadza do uvahy viacero foriem uskladnenia energie, ako napr. baterie, kondenzatory, zotrvačniky, hydraulicke akumulatory a pod. Charakter pracovneho cyklu rypadiel však predurčuje na aplikacie v hybridnych rypadlach najma rozne formy kondenzatorov (obr. 2) a hydraulickych akumulatorov (obr. 3). V sučasnosti sa taktiež experimentalne skumaju aplikacie zotrvačnikov v tychto rypadlach (obr. 4).

Hybridné rýpadlá v praxi

Z povahy zložitosti pohonného systému rýpadla vyplýva i široká paleta možných konfi gurácií hybridného pohonného systému. Každá konfi gurácia musí mať jasne defi novaný spôsob rekuperácie zvyškovej energie vhodne vybranej časti pracovného cyklu, jej prípadné uloženie v akumulátore a opätovné využitie takto rekuperovanej energie v pracovnom procese. Na trhu dnes už možno nájsť viacero rýpadiel s hybridným pohonom s rôznymi konfi guráciami ich pohonných systémov. Niektoré z nich ú opísané schémami na obrázkoch 5, 7 a 9. Tieto schémy opisujú premeny a tok energie v pohonných systémoch hybridných rýpadiel (prenosy energie podľa farieb: sivá – mechanický, modrá – hydraulický, zelená – elektrický). Jedným takýmto hybridným rýpadlom je Caterpillar 336EH, ktorý využíva akumuláciu zvyškovej energie rotačného pohybu nadstavby v hydraulickom akumulátore (obr. 3). Iný systém hybridného rýpadla využíva fi rma Komatsu, ktorá ponúka už tretiu generáciu hybridných rýpadiel. Ich hybridné rýpadlo Komatsu HB215LC-2 je nasledovník HB215LC-1 a prelomového rýpadla PC200-8 Hybrid. Toto rýpadlo disponuje asistenčným motor/generátorom a elektrickým pohonom otočnej nadstavby (obr. 1), čo umožňuje jednoduchšie rekuperovať zvyškovú kinetickú energiu rotácie nadstavby. Ako akumulátor využíva ultrakondenzátory (obr. 2). Využitie elektrických pohonov má za následok veľmi tichý chod a možnosť práce spaľovacieho motora v optimálnych otáčkach. 0Pomerne zložitý systém využíva firma Hitachi. Hybridné rýpadlo Hitachi ZH210LC-5 je nasledovníkom stroja ZH200 a využiva asistenčne elektricke motor/generatory pre hydrogenerator a pre motorove nadstavby. Energia sa rekuperuje z rotacie nadstavby a akumuluje v kondenzatoroch. Prakticky každy vačši vyrobca mobilnych pracovnych strojov sa v sučasnosti snaži ponukať hybridne rypadlo a uspokojiť tak dopyt použivateľov po uspornejšich strojoch. Okrem spomenutych vyrobcov vyrabaju, resp. vyvijaju hybridne rypadla spoločnosti Hyundai (model R220-LC Hi-POSS), Liebherr (model R9XX, ktory je zaujimavy tym, že využiva sučasne superkondenzatory i hydroakumulator), CASE (vyvija system podobny systemu fi rmy Komatsu), Terex (v sučinnosti s fi rmou Deutz a Bosch), prpadne Ricardo (model HFX, využivajuci zotrvačnikovy akumulator s magnetickou prevodovkou a rekuperujuci potencialnu energiu pracovneho stroja). Technicka vyspelosť hybridnych rypadiel ma rastucu tendenciu a ich čoraz vyššia energeticka učinnosť pomaha znižovať ekologicku zaťaž prostredia a naklady spojene s prevadzkou rypadiel. Naročna povaha ich prace však často vzbudzuje pochybnosti, pretože sa možu javiť ako priliš komplikovane systemy, ktore su nespoľahlive a nachylne na poruchy. Moderne hybridne rypadla su však už dnes v prevadzke vyrazne efektivne a spoľahlive, pričom sa naďalej kladie mimoriadny doraz na ich ďalši vyvoj. Hybridne rypadla predstavuju sofi stikovane zariadenia, ktore racionalne využivaju prirodne zdroje, produkuju menej emisii, šetria naklady a najma, ponukaju racionalnu a rychlu navratnosť investicie (zvyčajne do dvoch rokov).

Ing. Milan Kertész

Ústav dopravnej techniky a konštruovania

Strojnícka fakulta STU v Bratislave

Použitá literatúra:

Onori, Simona, Serrao, Lorenzo and Rizzoni, Giorgio, 2016, Hybrid electric vehicles.

Unger, Johannes, Quasthoff , Marcus and Jakubek, Stefan, 2016, Energy Effi cient Non-Road Hybrid Electric Vehicles. Cham: Springer.

Lin, Tianliang, Wang, Qingfeng, Hu, Baozan and Gong, Wen, 2010, Development of hybrid powered hydraulic construction machinery. Automation in Construction. 2010.

Vol. 19, no. 1, p. 11-19. DOI 10.1016/j.autcon.2009.09.005. Elsevier BV

Lin, Tianliang, Wang, Qingfeng, Hu, Baozan and Gong, Wen, 2010, Research on the energy regeneration systems for hybrid hydraulic excavators. Automation in Construction.

2010. Vol. 19, no. 8, p. 1016-1026. DOI 10.1016/j.autcon.2010.08.002. Elsevier BV

Shen, Wei, Jiang, Jihai, Su, Xiaoyu and Karimi, Hamid Reza, 2013, Energy-Saving Analysis of Hydraulic Hybrid Excavator Based on Common Pressure Rail. Th e Scientifi c

World Journal. 2013. Vol. 2013, p. 1-12. DOI 10.1155/2013/560694. Hindawi Publishing Corporation

Wang, Dongyun, Guan, Cheng, Pan, Shuangxia, Zhang, Minjie and Lin, Xiao, 2009, Performance analysis of hydraulic excavator powertrain hybridization. Automation in

Construction. 2009. Vol. 18, no. 3, p. 249-257. DOI 10.1016/j.autcon.2008.10.001. Elsevier BV

Xiao, Qing, Wang, Qingfeng and Zhang, Yanting, 2008, Control strategies of power system in hybrid hydraulic excavator. Automation in Construction. 2008. Vol. 17, no. 4, p.

361-367. DOI 10.1016/j.autcon.2007.05.014. Elsevier BV

Internetové zdroje: www.komatsu.com, www.caterpillar.com, www.ricardo.com, www.hitachi-c-m.com, www.casece.com, www.terex.com, www.deutz.de, www.constructionequipment.

hyundai.eu, www.liebherr.com.