بهینه‌سازی سیستم‌های خنک‌کننده و برق ترکیبی در کامیون‌های یخچال‌دار: یک رویکرد گرادیان سیاست قطعی عمیق

سیستم ترکیبی سرمایش و برق (CCP) مبتنی بر CO2 به دلیل مزایای زیست‌محیطی و خروجی چند انرژی، به عنوان یک جایگزین بسیار امیدوارکننده برای بازیابی گرمای تلف‌شده در کامیون‌های یخچال‌دار در نظر گرفته می‌شود. سیستم CCP پیاده‌سازی شده در کامیون‌های یخچال‌دار پیچیده‌تر از سیستم‌های بازیابی گرمای تلف‌شده مرسوم است. این سیستم نه تنها از طریق بازیابی گرمای تلف‌شده، انرژی لازم برای تأمین تقاضا را تولید می‌کند، بلکه قابلیت‌های تبرید را نیز در خود جای می‌دهد و جایگزین واحد تبرید مستقل برای حفظ دمای پایین در کامیون‌های یخچال‌دار می‌شود. این اتصال زیرچرخه‌های برق و تبرید، پیچیدگی کنترل سیستم و الزامات پایداری را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. تحقیقات فعلی در درجه اول بر عملکرد حالت پایدار سیستم‌های CCP تمرکز دارند و تأثیر تغییرات بار بر پاسخ دینامیکی سیستم در شرایط عملیاتی واقعی را نادیده می‌گیرند و در نتیجه ارزیابی جامع از عملکرد عملیاتی را تحت سناریوهای پیچیده محدود می‌کنند. این مطالعه یک استراتژی کنترل ترکیبی مبتنی بر یادگیری تقویتی عمیق گرادیان سیاست قطعی عمیق پیشنهاد می‌دهد و شبیه‌سازی‌های پویا را برای ارزیابی جامع عملکرد بهره‌وری انرژی سیستم CCP انجام می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که تحت شرایط چرخه آزمایش خودروهای تجاری سنگین چین، این استراتژی مصرف سوخت را 6.63 درصد در هر 100 کیلومتر کاهش می‌دهد و در عین حال تضمین می‌کند که سیستم CCP در کل عملیات در محدوده محدودیت‌های ایمنی باقی می‌ماند. این یافته‌ها بینش‌های مهمی را برای کاربرد سیستم‌های CCP در بخش حمل و نقل زنجیره سرد ارائه می‌دهد.

مقدمه

مصرف انرژی در سال‌های اخیر به طور قابل توجهی افزایش یافته است، که با افزایش قابل توجه انتشار دی اکسید کربن در جهان همراه بوده است. این چالش‌ها موانع قابل توجهی را برای کشورهایی که در تلاش برای گذار به یک الگوی انرژی پایدارتر و پیشبرد طرح‌های انرژی تجدیدپذیر هستند، ایجاد کرده است [1]. در نتیجه، تحقیقات گسترده‌ای برای افزایش بهره‌وری انرژی، کاهش انتشار کربن و ارتقای پایداری اقتصادی و زیست‌محیطی انجام شده است [2]. بخش قابل توجهی از انرژی به عنوان گرمای تلف شده در سیستم‌های ترمودینامیکی مرسوم تلف می‌شود و منجر به تلفات بالای انرژی می‌شود. استفاده از این گرمای تلف شده از طریق فناوری‌های بازیابی گرمای تلف شده (WHR) راهی خوب برای افزایش استفاده از انرژی است که گامی مهم در جهت کاهش اتلاف انرژی و ارتقای توسعه پایدار است [3].

در میان بخش‌های مختلف انرژی‌بر، صنعت حمل و نقل – که 24 درصد از انتشار جهانی CO2 را تشکیل می‌دهد [4] – مسیری حیاتی اما کمتر بررسی شده برای هم افزایی بازیابی گرمای تلف شده با تقاضای پایدار انرژی ارائه می‌دهد. در این بخش، لجستیک یخچال‌دار به عنوان یک کاربرد اولویت‌دار پدیدار می‌شود. کامیون‌های یخچال‌دار سنگین که همزمان به برق و تبرید فعال نیاز دارند، می‌توانند از سیستم‌های ترکیبی سرمایش و برق (CCP) برای تبدیل گرمای تلف شده موتور به برق و ظرفیت سرمایش استفاده کنند [5]. کامیون‌های یخچال‌دار به دلیل این ادغام، دیگر نیازی به دستگاه‌های تبرید اضافی ندارند. این امر مصرف انرژی را بهینه کرده و هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد [6]. در نتیجه،کامیون‌های یخچال‌دار به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای فناوری CCP-WHR ظهور کرده‌اند و به خوبی با اهداف پایداری معاصر همسو هستند. با این حال، ادغام بازیابی گرمای تلف‌شده و تبرید در سیستم‌های مبتنی بر خودرو، چالش‌های فنی و مهندسی قابل توجهی را به همراه دارد، مانند هماهنگی پویای سریع بین تولید برق و تقاضای سرمایش تحت بارهای متغیر موتور، محدودیت‌های دقیق فضا برای چیدمان اجزای داخلی و نیاز به کنترل ایمن در برابر خرابی برای حفظ پایداری سیستم در طول عملیات گذرا.

مطالعات اخیر به طور گسترده عملکرد حالت پایدار سیستم‌های CCP، به ویژه آن‌هایی که دارای کامیون‌های یخچال‌دار هستند را بررسی کرده‌اند. بسیاری از مطالعات بر اصلاح پیکربندی‌های سیستم و تاکتیک‌های عملیاتی برای بهبود بهره‌وری انرژی و قابلیت اطمینان در این کاربردها متمرکز شده‌اند. با این حال، تمرکز آن‌ها بر شرایط حالت پایدار اغلب دینامیک گذرای حیاتی برای سیستم‌های خودرویی را نادیده می‌گیرد. لو و همکاران [7] یک سیستم خنک‌کننده و برق ترکیبی یکپارچه برای موتورهای دیزلی با ظرفیت متوسط ابداع کردند که از گرمای تلف‌شده برای تولید همزمان برق و تبرید استفاده می‌کند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که هم توان خروجی و هم ظرفیت خنک‌کننده به صورت خطی با بار موتور افزایش می‌یابد که در یک نمودار دوبعدی از سرعت و گشتاور موتور نشان داده شده است. این سیستم در بار کامل، بهره‌وری انرژی را 7 درصد افزایش می‌دهد و اثربخشی آن را در برآورده کردن نیازهای تبرید، به ویژه در حمل و نقل مواد غذایی، نشان می‌دهد، در حالی که همزمان مصرف سوخت را کاهش می‌دهد. لیانگ و همکاران.[8] یک سیستم تبرید یکپارچه را پیشنهاد کرد که یک چرخه قدرت CO₂ فوق بحرانی را با یک چرخه تبرید CO₂ فوق بحرانی برای بازیابی گرمای تلف شده از موتورهای احتراق داخلی ترکیب می‌کند و قابلیت آن را برای ارائه ظرفیت خنک‌سازی کافی برای کامیون‌های یخچال‌دار با مساحت سطح بیش از 105 متر مربع نشان می‌دهد. یافته‌های آنها نشان داد که ظرفیت و عملکرد خنک‌سازی تحت تأثیر فشار تخلیه، بار موتور و نیازهای خنک‌سازی قرار می‌گیرد، و یک طرح خنک‌کننده مشترک با وجود کاهش نسبی ظرفیت خنک‌سازی نسبت به طرح‌های خنک‌کننده متمایز، مزایای عملی را ارائه می‌دهد. الاتار و همکاران. [6] با ادغام مبدل‌های حرارتی، بهبودهایی را در سیستم‌های ترکیبی تبرید و قدرت نشان دادند و نشان دادند که این سیستم‌ها می‌توانند 18.33٪ تا 20.38٪ از انرژی خروجی را بازیابی کنند و به ظرفیت تبرید تا 16.62 کیلووات دست یابند. نتایج آنها نشان می‌دهد که افزایش فشار ورودی توربین با افزایش توان خروجی خالص تا رسیدن به حداکثر همبستگی دارد، در حالی که افزایش دمای محیط منجر به کاهش توان خروجی خالص به دلیل افزایش نیاز به توان کمپرسور می‌شود که تأثیر قابل توجه شرایط عملیاتی بر عملکرد سیستم را برجسته می‌کند. این تحقیقات بینش‌های قابل توجهی در مورد تأثیر بار موتور، دمای محیط و الزامات خنک‌کننده بر عملکرد سیستم‌های CCP ارائه داده‌اند.

با این وجود، اگرچه این مطالعات مبنای محکمی برای درک رفتار حالت پایدار ایجاد می‌کنند، اما اغلب از تغییرات سریع در تولید گرمای تلف‌شده و نیازهای خنک‌کننده که در سیستم‌های دنیای واقعی ایجاد می‌شوند، غافل می‌شوند [9]. این ارزیابی‌ها اغلب یک محیط عملیاتی ثابت را فرض می‌کنند و پیش‌بینی صحیح واکنش سیستم به شرایط نوسانی، به ویژه برای پاسخ‌های دینامیکی که در عرض چند ثانیه رخ می‌دهند را پیچیده می‌کنند [10]. این شکاف به ویژه برای کامیون‌های یخچال‌دار حیاتی است، جایی که پاسخ‌های تأخیری به تغییرات بار (به عنوان مثال، >5 ثانیه) می‌تواند منجر به انحراف دمای محفظه بیش از 2 درجه سانتیگراد شود که مستقیماً بر ایمنی بار تأثیر می‌گذارد. در نتیجه، ارزیابی عملکرد گذرای سیستم‌های CCP ضروری است، زیرا ارزیابی‌های دینامیکی برای ارزیابی دقیق نحوه پاسخ این سیستم‌ها به بارها و شرایط حرارتی متغیر بسیار مهم هستند [11].مدل‌های شبیه‌سازی فیزیکی پویا مبتنی بر معادلات بقای انرژی و جرم برای روشن کردن دینامیک سیستم ایجاد شده‌اند. این مدل‌ها می‌توانند پاسخ سیستم را تحت شرایط عملیاتی مختلف شبیه‌سازی کنند و سرعت پاسخ سیستم به تغییرات در بارهای منبع حرارت موتور و نیازهای تبرید را نشان دهند [12]. این قابلیت پاسخ دینامیکی دقیق نه تنها به بهینه‌سازی طراحی ساختاری سیستم‌های CCP کمک می‌کند، بلکه پشتیبانی داده‌ای را برای تدوین استراتژی‌های کنترل فراهم می‌کند و عملکرد کارآمد و قابل اعتماد سیستم را در محیط‌های پیچیده تضمین می‌کند. مطالعات قبلی انواع مختلف سیستم‌های CCP و ویژگی‌های پاسخ دینامیکی آنها را از طریق مدل‌سازی پویا بررسی کرده‌اند [[13]، [14]، [15]].

با این حال، مطالعات کمی در مورد استراتژی‌های کنترل عملیاتی برای عملکرد دینامیکی سیستم‌های CCP وجود دارد. تحقیقات گسترده‌ای بر روی استراتژی‌های کنترل عملیاتی هر زیرچرخه قدرت در بازیابی گرمای تلف شده کامیون متمرکز شده است. در حالی که این استراتژی‌های کنترل زمانی مؤثر هستند که فقط نوسانات منابع گرمای موتور نیاز به مدیریت داشته باشند، الزامات کنترل برای سیستم‌های CCP پیچیده‌تر است. دلیل این امر این است که سیستم‌های CCP پیچیده‌تر از سیستم‌های بازیابی گرمای تلف شده معمولی هستند. علاوه بر چرخه قدرت که از گرمای تلف شده موتور برای تولید برق استفاده می‌کند، سیستم‌های CCP باید واحد تبرید مستقل را نیز برای برآورده کردن نیازهای خنک‌کننده جایگزین کنند. سیستم‌های CCP به عنوان یک سیستم جفت شده که زیرچرخه‌های قدرت و تبرید را ادغام می‌کند، باید خروجی خالص توان و راندمان حرارتی ترمز را به حداکثر برسانند. علاوه بر این، محفظه کامیون یخچال‌دار نیاز به خنک‌سازی دارد و ایمنی سیستم پیچیده CCP باید تضمین شود.این پیچیدگی، ترکیب ساده‌ی استراتژی‌های کنترل تک‌چرخه‌ای موجود را چالش‌برانگیز می‌کند. ارزیابی تأثیرات منفی بالقوه‌ی تنظیم هر زیرچرخه بر عملکرد کلی سیستم ضروری است. در نتیجه، افزایش عملکرد کنترل سیستم CCP با ادغام تکنیک‌های کنترل برای هر زیرچرخه و بررسی اثرات اتصال و سوئیچینگ بین زیرچرخه‌ها ضروری است. علاوه بر این، می‌توان دریافت که چندین چرخه‌ی آزمایش برای ارزیابی عملکرد استراتژی‌های کنترلی مختلف وجود دارد و شرایط جاده‌ای کامل تست خودرو می‌تواند تفاوت‌های عملکرد بین استراتژی‌های کنترلی مختلف را به طور کامل منعکس کند [12،[16]،[17]،[18]]. در نتیجه، هنگام ارزیابی استراتژی کنترل سیستم CCP، برای مقایسه باید از شرایط جاده‌ای جامع تست کامیون یخچال‌دار استفاده شود.

به طور خلاصه، این مطالعه به طور سیستماتیک تأثیر استراتژی‌های کنترل زیرچرخه‌های مختلف و تغییر آنها بر عملکرد کلی سیستم CCP را بر اساس یک چرخه کامل تست عملیاتی کامیون یخچال‌دار ارزیابی کرد. این تحقیق بر برآورده کردن الزامات تبرید کامیون‌های یخچال‌دار، بهینه‌سازی مصرف سوخت کامیون‌های یخچال‌دار و تضمین عملکرد ایمن سیستم‌های CCP تمرکز دارد. برخلاف مطالعات قبلی که بر زیرچرخه‌های منفرد متمرکز بودند، این مطالعه شرایط تست جاده‌ای و چرخه‌های عملیاتی کامیون یخچال‌دار را برای تجزیه و تحلیل عملکرد استراتژی‌های کنترلی جفت‌شده ادغام کرد.(منبع)