На маленьких электромобилях эффективны даже резиновые накопители. Они просты и вполне применимы для накопления небольшой энергии. Я однажды было собрался поставить на самодельный электромобиль для накопления энергии торможения свой накопитель от резиномобиля, но когда узнал, что подобное уже сделали английские инженеры, раздумал – не хотелось повторять чужой эксперимент.
Можно соединять вместе и аккумуляторы одного вида. В Японии, к примеру, на электромобиле установили два типа электроаккумуляторов – стартерные и тяговые батареи. Первые, хорошо переносящие большие токи и мощности, работают на разгонах и обгонах, а вторые, имеющие более высокий КПД и плотность энергии, – на крейсерской скорости, питая электромобиль на ровной дороге без подъемов и разгонов. Конечно, стартерные электроаккумуляторы по плотности мощности не идут ни в какое сравнение с маховичными или гидрогазовыми накопителями, но и эта «гибридизация» в чем-то полезна. Очень широко распространены «гибриды» статических и динамических накопителей одного и того же вида энергии. Всем известный маятник, в том числе и балансир с пружинкой в наручных часах, – «гибрид» статического аккумулятора механической энергии в виде поднятого груза или скрученной пружины и динамического аккумулятора той же энергии – маховика. «Перетекание» энергии из статического аккумулятора в динамический, и обратно, носит колебательный характер. Эти колебания необычайно точны по частоте, что и обусловило их применение в самых разнообразных часах.
Точно такой же эффект получим, объединив статический и динамический электрические аккумуляторы – конденсатор и катушку индуктивности. Вместе они образуют так называемый колебательный контур. Электрический колебательный контур – аналог механического маятника, законы колебаний того и другого одинаковы. Потери энергии в обоих случаях приводят к одному и тому же – колебания затухают, накопленная энергия переходит при этом в тепло.
И все-таки электрический и механический «маятники», несмотря на общность законов их колебаний, не могут заменить друг друга в технике. Представьте себе, что было бы, если бы в подвеске автомобиля вместо рессор ставили конденсаторы, в телевизоре вместо конденсаторов – рессоры, а катушки заменяли маховиками!
Но, пожалуй, самый неожиданный гибрид – это супермаховик и конденсатор в одном «лице». Ведь намотанный из тончайших, в микроны толщиной, лент метгласса (специальный быстроохлажденный металл, имеющий аморфную, как бы «стеклянную» структуру) супермаховик представляет собой идеальный конденсатор! Только навивать такой «гибридный» супермаховик надо не из одной, а из двух лент, склеенных между собой, что, собственно, почти одно и то же. Склеиваются эти куски при навивке обода синтетическим клеем, имеющим высокую диэлектрическую проницаемость. Вследствие того, что лента из метгласса имеет большую площадь поверхности, такой конденсатор будет обладать высокой емкостью. К тому же синтетический клей – прекрасный электроизолятор. В результате получаем супермаховик из прочнейшего метгласса, дешевеющего год от года, а вдобавок совершенно «бесплатно» – без прибавки объема и массы, просто в качестве «подарка» – надежный конденсатор, вносящий свою «лепту» в общую энергетическую копилку.

Супермаховик-конденсатор
Проведем небольшой расчет. Супермаховик из метгласса при прочности ленты в 3 ГПа (прочность, обычная для метглассовой ленты), даже с запасом прочности, будет иметь плотность энергии 0,2 МДж/кг. Если наш супермаховик накопит как конденсатор всего 0,1 кДж/кг, то при массе супермаховика-конденсатора в 1 т это даст 0,1 МДж энергии, причем энергии электрической. Запас кинетической энергии в том же супермаховике составил бы при этом 200 МДж, и доля накопленной электроэнергии была бы просто ничтожна. Но и одна десятая мегаджоуля «на улице не валяется», а к тому же эта электроэнергия в виде электростатического заряда могла бы «возбудить» асинхронные генераторы привода, что очень ценно. На «гиробусе» для этой цели специально «возили» тяжеленные конденсаторы огромных размеров.
Успешно сотрудничают не только накопители разных типов. «Союз» с накопителями очень полезен и для тепловых двигателей. Любой двигатель хорошо работает на какой-то одной скорости, в каком-то одном режиме. Тогда у него и расход горючего наименьший, и выхлоп менее вредный. Изменение режима всегда ухудшает работу двигателя.
К сожалению, невозможно представить себе, чтобы автомобиль все время двигался с постоянной скоростью, при постоянной мощности двигателя. Автомобилю для разгона и подъема в гору требуется наибольшая мощность, при движении по ровной дороге без уклона на невысокой скорости – совсем небольшая, а на спусках и при торможении мощность им не только не потребляется, но даже выделяется. Сейчас эта мощность безвозвратно теряется, впустую нагревая и изнашивая тормоза, хотя накопители энергии, в первую очередь махо-вичные и гидрогазовые, отлично могли бы сохранять ее и отдавать при разгонах машины.
Этот процесс называется рекуперацией. Он очень важен для транспорта и имеет непосредственное отношение к «энергетической капсуле», поэтому рассмотрим его подробнее.

Спасительные гибриды
Автор находит основное предназначение супермаховику и супервариатору…
Что такое «рекуперация»?
Рекуперация – это использование того, что раньше предполагалось выбрасывать. Вот, решили мы старую одежду выбросить, а потом передумали и отдали ее в «секонд хенд». Это уже можно назвать рекуперацией. Или еще пример – испортилась на складе осетринка, ну, стала она «второй свежести». Положено бы ее выбросить, но мы скармливаем ее свиньям – это тоже рекуперация. А если коптим ее и скармливаем теперь уже людям – то это рекуперация криминальная.
В большинстве случаев термин «рекуперация» относится к энергии. Допустим, в каком-то технологическом процессе нам надо выпустить в атмосферу отработанный пар, имеющий еще приличную температуру. Мы же используем этот пар для отопления или подогрева воды. Происходит процесс рекуперации энергии. А теперь поговорим о транспорте. Спускается с горы электричка, тяговые двигатели ее работают в режиме генераторов – вырабатывают ток. Его можно направить в реостаты и подогреть атмосферу, а можно направить обратно в сеть и помочь другой электричке взобраться на гору. Это – очень характерный прием рекуперации, давно используемый на электротранспорте, что дает большой экономический выигрыш.
Огромную экономию принесла бы рекуперация на городском транспорте – ведь он только и делает, что тормозит и разгоняется. Почти половина, иногда и больше, энергии, вырабатываемой двигателем машины, гасится в тормозах. Какое расточительство, ведь энергия эта, переходя в тепло, пропадает для нас навечно, «съедаемая» коварной энтропией, о которой мы уже говорили раньше. Что же сделать, чтобы спасти энергию?
Если речь идет об электротранспорте – трамваях, троллейбусах, поездах метро – то эта проблема еще имеет решение, правда частичное. Вот мы уже научились отдавать полученную при торможении энергию обратно в сеть, чтобы ее могли расходовать другие машины. Но практика показала, что этот путь не очень рациональный. Как быть, если, например, большинство водителей таких машин решило тормозить почти одновременно? Ведь это огромный выброс мощности, которую просто невозможно использовать. Поэтому эффект от отдачи энергии торможения в сеть не столь заметен.
Особенно велика роль рекуперации для поездов метро: они движутся очень быстро – до 90 км/ч и тормозят часто. Тот же рваный ритм движения и у трамваев, им приходится тормозить даже еще чаще.
Вот бы сюда «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. Затормозил трамвай или поезд метро – и энергия не уходит в тормоза или в сеть, где она не всегда нужна, а целенаправленно через электродвигатель раскручивает маховик. Машина остановлена, а энергия ее накоплена в раскрученном маховике. Настало время разгоняться – энергия из маховика через генератор, в который на время превращается электромотор, направляется в тяговые двигатели машины – поезда или трамвая. Машина разгоняется, а маховик замедляет свое вращение. Основной вопрос в том – где разместить «энергетическую капсулу»: поставить ее на саму машину или установить стационарно вблизи остановки, да еще для безопасности заглубить в землю?
Связь с машиной при этом будет осуществляться по проводам, здесь проблемы нет. Нужно только на время торможения и разгона отсоединять машину от основной силовой сети, чтобы не мешать остальным машинам нормально двигаться. Зато мы не будем стеснены габаритами и массой «энергетической капсулы», да и вопросы безопасности при размещении «капсулы» вблизи остановки решаются проще, чем в случае ее крепления на самой машине, рядом с пассажирами.
Описанная концепция размещения накопителя вблизи трамвайных остановок легла в основу проекта, который мы осуществляем в г. Ганновере совместно с германской энергетической фирмой SEEBa. Маховик, для дешевизны изготовленный из большого железнодорожного колеса, вращается в вакуумной камере на магнитной подвеске и соединяется с мотор-генератором. Последний через частотный преобразователь тока связывается с токоподающи-ми проводами, которые как я уже говорил, на время торможения и разгона отключаются от основной силовой сети. Экономия ожидается в размере около 150 евро с одной трамвайной остановки в сутки.

Маховичный накопитель для рекуперации энергии торможения трамваев
Аналогичные системы можно применять и в метро, только по размерам и массе они будут на порядок больше – ведь энергия тормозящего метропоезда огромна. Под стать этим размерам и экономическая эффективность – тоже на порядок больше, чем у трамвая. Ведь метрополитен – один из главнейших потребителей энергии в крупном городе.

Американские инженеры пошли по другому пути: они установили маховичные накопители энергии прямо в вагонах метропоезда. Храбрецы американцы – это очень рискованный шаг! Ведь маховик-то у них тоже монолитный, кованый, массой 250 кг, набран из нескольких фасонных дисков. Не ровен час – случайно или по злому умыслу – разорвется на полной скорости – ущерб, как от бомбы того же веса. Это же монолит, а не супермаховик, который, если и выходит из строя, то без страшных последствий! К такому маховику «приложен» мотор-генератор в 2 т массой. При этом на каждый вагон требуется по два таких агрегата – итого 5 т лишнего веса. Маховичный метропоезд испытали в Нью-Йорке и получили около 30 % экономии электроэнергии. Такой же эффект можно получить и от стационарного накопителя, только его не надо было бы возить с собой, да и был бы он совершенно безопасным для людей, так как установили бы его в отдельной нише под землей.

Маховичный экспериментальный рекуператор на грузовике УАЗ-450 (а) и экспериментальный рекуператор энергии торможения для автобуса ЛАЗ-695 (б)
Другое дело, если речь идет о транспортном средстве с автономным двигателем, например автобусе. Его, конечно, проводами с неподвижным накопителем не свяжешь – тут придется устанавливать накопитель прямо на машине. Наш опыт изготовления и испытаний автобуса с таким агрегатом на борту в специфических российских условиях описан в шуточном рассказе «Трудности производства».
Изготовляли и испытывали мы автобус и с гидрогазовым накопителем, о котором речь шла еще в начале книги. «Трудности производства» были почти теми же, даже еще «покруче». Сейчас смешно вспоминать, а тогда, когда я сидел на баллоне, в котором было 250 атм. давления, а между ногами у меня проходило два толстенных шланга с тем же давлением, мне было не до смеха. Ведь и баллон, и шланги были экспериментальные, готовые «рвануть» в любой момент. Потом мне рассказывали, что масло под таким давлением не только режет части тела как нож, но и мгновенно заполняет всю кровеносную систему!

Схема гибридного силового агрегата с гидрогазовым накопителем для автобуса ЛАЗ-695
Результаты испытаний маховичного и гидрогазового накопителей-рекуператоров на автобусе оказались практически одинаковыми – экономилось около половины топлива, втрое сокращалась токсичность выхлопа. Казалось бы, радоваться надо, но я постепенно стал понимать, что путь использования на автотранспорте рекуператоров – тупиковый. Не рекуператор со своим особым, дополнительным приводом, пригодным только для торможений и разгонов, нужен автомобилю, а «гибрид» – симбиоз супермаховика и автономной энергетической установки с супервариатором в качестве их общего, единого привода на все случаи жизни!
Каков КПД автомобиля?
Да простит меня читатель, если я задам ему детский вопрос: каков КПД у автомобильного двигателя? «Совсем профессор от жизни отстал», – скорее всего подумает он и ответит, что из учебника физики следует: КПД бензинового двигателя достигает примерно 25 %, а дизельного – приближается к 40 %.
А может, не будем верить печатному слову, а лучше убедимся в этом сами. Заправим бак топливом «по горлышко» и проедем по городу, разумеется, без происшествий и «пробок», 100 км. А затем дольем бак из мерного сосуда снова до прежнего уровня. Если ваш автомобиль весит около тонны и работает на бензине, то долить придется в среднем около 10 л; для автомобиля той же массы с дизельным двигателем потребуется примерно 7 л солярки. Так как научные расчеты производятся не в литрах, даже не в поллитрах, а в килограммах, то для бензина, с учетом его плотности, это составит 7 кг, а для солярки – чуть больше 5 кг. При сжигании эти килограммы топлива выделят (можете проверить по справочнику!) 323 и 250 МДж энергии, соответственно. А затратит ваш автомобиль при движении со скоростью 50—60 км/ч (и это еще хорошо для города!) в среднем 25 МДж, о чем мы уже говорили выше. Поделим эту полезную работу на затраченную энергию и получим КПД для бензинового двигателя 7-8 %, а для дизеля – 10 %.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27