Удивительная механика
Шрифт:
По сравнению с обычным приводом автомобиля от двигателя, в гибриде мощность постоянно циркулирует по трансмиссии, допустим, по вариатору – от колес до супермаховика, и обратно. Когда тяговое усилие автомобиля направлено вперед, мощность идет от супермаховика через вариатор на колеса. При спуске или торможении двигателем мощность меняет свое направление на обратное. И если в обычном автомобиле эта направленная вспять мощность гасится, принудительно прокручивая двигатель, то в гибриде происходит процесс рекуперации. Энергия снова возвращается в супермаховик, значительно, процентов на 30, повышая экономичность автомобиля. Поэтому значение КПД привода нужно принимать как бы в «квадрате», умножая само на себя. Например, при КПД привода 0,9, циркуляция мощности снизит его до 0,92, то есть до 0,81. А это уже недопустимо мало! Вот 0,98, даже 0,97, пожалуй, хватило бы – тогда реальный КПД при рекуперации был бы не менее 0,95, что еще допустимо. Но таких приводов, кроме супервариатора, просто нет. Поэтому и используется в гибридах чаще всего электропривод, который позволяет обеспечить достаточный диапазон регулирования, правда, за счет сильного снижения КПД.
Мифы и правда об электромобиле
Честно говоря, я не понимаю людей, которые авторитетно пишут и говорят: «Вот придумают емкий и эффективный аккумулятор энергии, и тогда придет конец автомобилям – будут одни электромобили!» Да полноте, господа хорошие, знаете ли вы, сколько сейчас в мире автомобилей и какова суммарная мощность их двигателей? Точное число, конечно, назвать трудно, но каждый год в мире выпускают 40—50 млн автомобилей, только половина из которых идет на замену износившегося парка. Получается, что в мире эксплуатируются сотни миллионов автомобилей. Если заменить их на аккумуляторные электромобили, то от чего заряжать-то их будем? Ведь суммарная мощность всех автомобильных двигателей многократно превышает мощность всех электростанций мира. А электроэнергии и так не хватает – про «веерные» отключения, надеюсь, не забыли? Из-за перегрузки электросетей отключаются крупные районы даже в благополучных странах. И подключение на зарядку сотни-другой миллионов электромобилей – не более чем кошмарный сон энергетика. Если речь идет только о городском транспорте, об электрокарах или микроэлектромобилях для обслуживания пресытившихся игроков в гольф – то в этом случае, энергетики могут еще спать спокойно. Много говорят об экономичности аккумуляторных электромобилей. Дескать, прожорливый двигатель не сравнить с экономичным аккумулятором. «Не верю!» – как любил говорить К. С. Станиславский, давайте убедимся сами, какой путь проходит электроэнергия от электростанции до аккумулятора электромобиля.
Газ, уголь или мазут на тепловых электростанциях, а их подавляющее большинство производят электроэнергию со средним КПД около 40—45 %. Можно спорить о теплофикации и других способах использования бросового тепла, но ведь и на автомобилях есть печки, потребляющие бросовое тепло двигателя. Так что давайте считать по-крупному. После электростанций ток идет на повышающие трансформаторы, затем на линии электропередач разной дальности с различными потерями энергии в них. Потом напряжение должно снова понижаться – один или несколько раз, после чего энергия поступает уже в городскую сеть, где часть ее снова теряется. Затем зарядная станция с выпрямителем еще возьмет свой налог; да и КПД при зарядке аккумуляторов тоже не блещет своей величиной. А в результате в батарее аккумуляторов электромобиля накопится весьма небольшая часть энергии сгоревшего топлива, КПД будет соизмерим с нынешним на обычных автомобилях. И экономичность электромобилей, по крайней мере, вдвое меньше, чем у автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Поэтому не будем возлагать столь большие надежды на массовый электромобиль или автомобиль, чья работа основывалась бы на использовании того или иного вида накопителя энергии, будь то электрохимическая батарея, конденсатор или супермаховик, ибо никакая революция в энергетике не способна обеспечить то количество энергии, что сейчас вырабатывается в двигателях автомобилей. Так что автомобили с автономными двигателями еще долго будут служить нам. А если эти автомобили станут еще и гибридными, то и заменять их электромобилями на аккумуляторах вообще не имеет смысла – первые и экономичнее, и экологичнее вторых.
Но есть еще один тип электромобилей, который потенциально способен заменить все автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Это – электромобиль на топливных элементах, или, как еще его называют, электромобиль на электрохимических генераторах. Вот кого должен опасаться автомобиль!
Правда, у топливных элементов есть серьезные недостатки, которые мешают им конкурировать с обычными двигателями. Прежде всего следует вспомнить уже описанные цинко-воздушные элементы. В режиме работы гальванических элементов цинковый анод просто окисляется кислородом воздуха, а катод из пористого никеля практически не расходуется. Попросту говоря, цинковые аноды здесь являются топливом, и их приходится заменять, отправляя получаемые окислы цинка на переработку. Нельзя сказать, чтобы цинковое топливо было очень удобным или дешевым, но плотность энергии в цинко-воздушных элементах очень уж велика – она почти рекордная для химических батарей. Да и плотность мощности достаточна для привода электромобиля. Но рассматривать цинк как топливо для автомобилей всерьез все-таки вряд ли кто отважится. И хлопот не оберешься с утилизацией этих окислов цинка – у нас, например, эту «кашу» будут просто выбрасывать, и запасы цинка быстро иссякнут, по крайней мере на территории России.
Гораздо большую перспективу представляют топливные элементы на основе водорода, о которых тоже говорилось ранее. При этом совершенно необязательно заправлять автомобили с такими топливными элементами чистым водородом и кислородом. Первое время, во всяком случае. Заправка таких автомобилей будет производиться так же, как и обычных, – сжиженным или сжатым
И у меня созрел совершенно особый план создания электромобиля на основе перспективных топливных элементов. Да-да, вы не ошиблись – с использованием одновременно супермаховиков и супервариаторов!
Новая концепция электромобиля
Начнем с расчета, во что выльется накопитель на основе самого современного конденсатора для легкового автомобиля с топливными элементами. Выберем эти топливные элементы для пробега автомобилем 600 км. При плотности энергии топливных элементов 400 Вт·ч/кг, масса их для такого пробега составит всего около 150 кг. Но эти 150 кг элементов смогут дать только около 9 кВт номинальной мощности. Маловато для автомобиля! Минимум, что нужно для легкового электромобиля массой в 1 т – это 50 кВт, чтобы при отличных шинах и обтекаемости кузова развить скорость хотя бы 150 км/ч, необходимую для обгонов и маневров. Продолжительность последних должна быть обеспечена на протяжении не менее 6 минут в час, это минимум, что нужно для безопасности. Остальное время можно ехать с крейсерской скоростью до 90 км/ч, что обеспечивается батареей топливных элементов, и для города, например, вполне достаточно. Тогда дополнительный источник мощности, обеспечивающий добавочные 40 кВт хотя бы в течение 6 минут, должен иметь запас энергии около 4 кВт·ч. Наилучшие современные молекулярные конденсаторы («ультраконденсаторы» фирмы «Максвелл», США) могут обеспечить около 7 Вт·ч/кг. Тогда для 4 кВт.·ч энергии понадобится 570 кг «ультраконденсаторных» батарей. Это для легкового-то автомобиля! Не будем при этом забывать и тяжелые тяговые электродвигатели.
Между тем, выпускаемые промышленностью США супермаховики из графитового волокна давно уже обеспечивают плотность энергии в 200 Вт·ч/кг, а в перспективе – свыше 500 Вт·ч/кг. О супермаховиках из суперкарбона, способных обеспечить в тысячи раз большую плотность энергии, здесь не будем даже упоминать. Для наших 4 кВт·ч понадобится всего 20 кг обычных супермаховиков. Если взять супермаховик даже 30 кг массой, и это для автомобиля не помеха, он обеспечит 6 кВт·ч энергии и приблизит динамику этого электромобиля к современным требованиям. Напомню, что тяговые электродвигатели ограничены по крутящему моменту и «блестящей» динамики от них ждать не приходится. Так вот, супермаховик, связанный с колесами механической передачей, может обеспечить огромную мощность при разгонах – механическая передача гораздо менее ограничена нагрузкой по сравнению с электрической.
Для разгона супермаховика нужен скоростной электродвигатель мощностью 10 кВт при 30 тыс. оборотов в минуту. Даже средний по качеству электродвигатель будет иметь массу не более 10 кг (вспомним американский электродвигатель для махомобиля Рабенхорста мощностью 30—40 кВт и массой всего 18 кг, даже при меньших оборотах!).
А дальше вращение от супермаховика передается ведущим колесам электромобиля посредством супервариатора через главную передачу. Никаких тяговых электродвигателей – почти чисто автомобильная схема! Масса супервариатора – около 50 кг. В результате масса добавочных агрегатов – чуть более 200 кг. При этом с обычного шасси автомобиля демонтируются: двигатель, бензобак с топливом, глушитель, аккумуляторы, стартер и генератор, радиатор, да и мало ли еще что. Масса всех этих агрегатов куда больше 200 кг. Таким образом, кузов и шасси серийно выпускаемых автомобилей вполне пригодны для электромобилей новой концепции.
Расчет показывает, что для городского электробуса с пробегом 400 км в день масса добавочных агрегатов составит около полутора тонн, что даже меньше демонтируемых с автобуса агрегатов.
Дополнительным компоновочным преимуществом супервариатора является то, что по форме и размерам он вполне соответствует ведущим колесам автобуса, что дает возможность разместить его непосредственно внутри обода колеса. Это позволит сэкономить много места в салоне автобуса, понизить уровень его пола, сделав машину более комфортабельной.
Хотелось бы отметить неадекватную позицию некоторых зарубежных автомобильных компаний на наши предложения. Не рассматривая их по существу, они выражают удивление по поводу того, что коль выгода от них столь очевидна, то почему российские предприятия сами не реализуют эти предложения. И мне нечего им ответить. Но, к счастью, не все зарубежные фирмы так неадекватны, и нам, как Остапу Бендеру, остается надеяться, что «заграница нам поможет». Кстати, она уже нам помогает, только бы не сглазить!