Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики, о которых упоминалось выше. Единственной подвижной частью такого супермаховика является кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцо-супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор-генератора, а те места, где стоят обмотки магнитов, – статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.
В общих чертах идея «сверхнакопителя» такова. Кольцевой маховик в корпусе зарыт в землю горизонтально. На внешней поверхности кольца-супермаховика и на обращенной к ней внутренней поверхности корпуса одноименными полюсами друг к другу уложены сильные постоянные магниты. Взаимодействуя, они сжимают кольцо-супермаховик и растягивают корпус. От корпуса это растяжение передается фундаменту, в котором заключен корпус, а в результате и земле. Иными словами, земля используется в данном случае как гигантский и очень прочный корпус!
Может возникнуть вопрос: хватит ли сил у магнитов, чтобы противостоять колоссальному стремлению частей супермаховика удалиться от центра, а если и хватит, то не будет ли супермаховик «раздавлен» этими силами при остановке?
Все дело здесь, оказывается, в размерах, точнее, в диаметре супермаховика. Чем он больше, тем меньше магнитные силы. По мере разгона магниты супермаховика вследствие его растяжения все теснее поджимаются к соответствующим магнитам на корпусе, зазор между ними делается все меньше, а сила отталкивания – все больше. При остановке происходит обратное явление – магниты маховика отходят от корпуса, зазор увеличивается, и сила отталкивания падает. Поэтому маховик и не «раздавливается» в состоянии покоя.
У хороших постоянных магнитов при малых зазорах сила отталкивания может стократно превышать силу тяжести подвешиваемой массы. Постоянные магниты применяют для вывешивания над магнитными «рельсами» вагонов-магнитопланов. Подобные магнитопланы уже в недалеком будущем будут курсировать между городами со скоростями, доступными сейчас лишь самолетам.
Наш супермаховик-кольцо можно представить в виде как бы непрерывной кольцевой сцепки из таких «вагончиков», только гораздо меньших и состоящих почти из одних магнитов. Крутиться это «гибкое» кольцо будет в вакуумированной трубе, уложенной вокруг электростанции, завода или даже города. Если радиус кольца достигнет, например 16 км (приблизительно столько же у кольцевой автострады вокруг Москвы), то с применением упомянутых постоянных магнитов скорость кольца-супермаховика составит 4 км/с!
Плотность энергии кольцевого гиганта должна быть 8 МДж/кг, при сечении супермаховика всего 0,5 м2такая плотность создаст полный запас энергии в накопителе – 2·1015Дж, что в 200 раз больше, чем в огромном сверхпроводящем накопителе, спроектированном французскими учеными. Этой энергии вполне хватило бы на освещение всех городов мира в течение вечера. А ведь объем французского накопителя вдвое превосходит объем нашего кольца.
Сегодня учеными разработаны магниты, сила взаимодействия которых в тысячи раз превышает их силу тяжести. К слову, такие магниты от нашей магнитной подвески имеются у меня дома. С ними обращение должно быть особое – если вдруг окажется, что расстояние между ними мало, они мгновенно устремятся навстречу друг другу, ломая все на своем пути. Главное, чтобы на их пути не оказалась рука человека. Сдавливание в сотни килограммов гарантировано!
Если такие магниты поставить на наш сверхнакопитель, то скорость кольца супермаховика достигнет 12,6 км/с и превысит даже вторую космическую скорость. Плотность энергии тогда будет 80 МДж/кг, а вся энергия накопителя составит 2·1016Дж. Это значительно больше избыточной энергии электростанций всего мира, хотя по плотности энергии такой сверхнакопитель раз в 40 меньше супермаховика из суперкарбона.
Можно пойти по пути уменьшения размеров накопителя и ограничиться запасом энергии в 1011Дж. Получится все-таки достаточно емкий накопитель, способный обеспечить равномерную работу большой электростанции. При радиусе накопителя 0,5 км сечение его подвижных магнитов будет всего 5?5 см. Такой накопитель в виде тонкой кольцевой трубки нетрудно расположить вокруг любой электростанции со всем ее хозяйством.
На позициях сотрудничества
Спасительные гибриды
Что такое «рекуперация»?
Каков КПД автомобиля?
Кольцевой супермаховик
Если сравнить кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, то выявится следующее. Плотность энергии первого в 2-3 раза больше, чем второго, и достигает 0,5 МДж/кг. Потери на вращение у него в 50-100 раз меньше, чем у стального, благодаря чему он может свободно вращаться в течение 750, а в перспективе – 12 тыс. ч, то есть продолжительность его вращения без остановки – 500 суток, или полтора года! Особенно перспективен кольцевой супермаховик при использовании для его изготовления новых сверхпрочных нановолокон и лент из углерода – суперкарбона, когда плотность энергии возрастает еще в тысячи раз! Ведь вращающийся с космической скоростью супермаховик находится в вакууме и ни с чем не контактирует.Супернакопитель энергии
Конструкция кольцевого накопителя привела меня с соавторами к идее «сверхнакопителя» энергии, который тоже был признан изобретением. Мы решили «переложить» с маховика на землю огромные разрывные напряжения, возникающие во вращающемся кольце. Но практически осуществить это будет возможно только в накопителях гигантских размеров.В общих чертах идея «сверхнакопителя» такова. Кольцевой маховик в корпусе зарыт в землю горизонтально. На внешней поверхности кольца-супермаховика и на обращенной к ней внутренней поверхности корпуса одноименными полюсами друг к другу уложены сильные постоянные магниты. Взаимодействуя, они сжимают кольцо-супермаховик и растягивают корпус. От корпуса это растяжение передается фундаменту, в котором заключен корпус, а в результате и земле. Иными словами, земля используется в данном случае как гигантский и очень прочный корпус!
Может возникнуть вопрос: хватит ли сил у магнитов, чтобы противостоять колоссальному стремлению частей супермаховика удалиться от центра, а если и хватит, то не будет ли супермаховик «раздавлен» этими силами при остановке?
Все дело здесь, оказывается, в размерах, точнее, в диаметре супермаховика. Чем он больше, тем меньше магнитные силы. По мере разгона магниты супермаховика вследствие его растяжения все теснее поджимаются к соответствующим магнитам на корпусе, зазор между ними делается все меньше, а сила отталкивания – все больше. При остановке происходит обратное явление – магниты маховика отходят от корпуса, зазор увеличивается, и сила отталкивания падает. Поэтому маховик и не «раздавливается» в состоянии покоя.
У хороших постоянных магнитов при малых зазорах сила отталкивания может стократно превышать силу тяжести подвешиваемой массы. Постоянные магниты применяют для вывешивания над магнитными «рельсами» вагонов-магнитопланов. Подобные магнитопланы уже в недалеком будущем будут курсировать между городами со скоростями, доступными сейчас лишь самолетам.
Наш супермаховик-кольцо можно представить в виде как бы непрерывной кольцевой сцепки из таких «вагончиков», только гораздо меньших и состоящих почти из одних магнитов. Крутиться это «гибкое» кольцо будет в вакуумированной трубе, уложенной вокруг электростанции, завода или даже города. Если радиус кольца достигнет, например 16 км (приблизительно столько же у кольцевой автострады вокруг Москвы), то с применением упомянутых постоянных магнитов скорость кольца-супермаховика составит 4 км/с!
Плотность энергии кольцевого гиганта должна быть 8 МДж/кг, при сечении супермаховика всего 0,5 м2такая плотность создаст полный запас энергии в накопителе – 2·1015Дж, что в 200 раз больше, чем в огромном сверхпроводящем накопителе, спроектированном французскими учеными. Этой энергии вполне хватило бы на освещение всех городов мира в течение вечера. А ведь объем французского накопителя вдвое превосходит объем нашего кольца.
Сегодня учеными разработаны магниты, сила взаимодействия которых в тысячи раз превышает их силу тяжести. К слову, такие магниты от нашей магнитной подвески имеются у меня дома. С ними обращение должно быть особое – если вдруг окажется, что расстояние между ними мало, они мгновенно устремятся навстречу друг другу, ломая все на своем пути. Главное, чтобы на их пути не оказалась рука человека. Сдавливание в сотни килограммов гарантировано!
Если такие магниты поставить на наш сверхнакопитель, то скорость кольца супермаховика достигнет 12,6 км/с и превысит даже вторую космическую скорость. Плотность энергии тогда будет 80 МДж/кг, а вся энергия накопителя составит 2·1016Дж. Это значительно больше избыточной энергии электростанций всего мира, хотя по плотности энергии такой сверхнакопитель раз в 40 меньше супермаховика из суперкарбона.
Можно пойти по пути уменьшения размеров накопителя и ограничиться запасом энергии в 1011Дж. Получится все-таки достаточно емкий накопитель, способный обеспечить равномерную работу большой электростанции. При радиусе накопителя 0,5 км сечение его подвижных магнитов будет всего 5?5 см. Такой накопитель в виде тонкой кольцевой трубки нетрудно расположить вокруг любой электростанции со всем ее хозяйством.
На позициях сотрудничества
Накопители энергии издавна помогают друг другу в работе. Если бензиновый и, скажем, дизельный двигатели незачем ставить на автомобиль одновременно, то аккумуляторы разных типов, наоборот, целесообразно объединять.
Я уже говорил о том, как тепловые аккумуляторы помогают газовым отдавать больше энергии, – рассказывал про трамвай, который «заправлялся» сжатым воздухом и кипятком, про свой микромобиль, что работал от газового аккумулятора – баллона с углекислотой вместе с тепловым аккумулятором – кастрюлей с расплавленной солью. А могут ли столь же успешно «сотрудничать» маховичные накопители ну хотя бы с электроаккумуляторами?
Оказывается, это сотрудничество одно из самых перспективных. Помните недостатки электромобиля? Он медленно разгоняется, не идет в гору, не может использовать кинетическую энергию, выделяемую при торможении. И всему виной невысокая плотность мощности электроаккумуляторов. По той же причине сами электроаккумуляторы не выносят быстрой зарядки. Они либо портятся, как, например, свинцово-кислотные, либо просто тратят «лишнюю» мощность на нагрев, как щелочные. Обыкновенные же маховики, не говоря об «энергетических капсулах» – супермаховиках, развивают какие угодно мощности, лишь бы выдержал привод, и, кроме того, позволяют сохранять кинетическую энергию транспортного средства. Соединив эти два накопителя на одном электромобиле, можно получить большой выигрыш.
Электроаккумуляторы движут такой электромобиль только по ровным дорогам без уклонов, где не требуется торможений и разгонов, – иными словами, они обеспечивают ему крейсерскую скорость. А там, где нужны разгоны, обгоны, торможения, подъемы в гору, берется за дело супермаховик. По сравнению с обычным электромобилем здесь значительно повышается максимальная скорость, более чем вдвое сокращается время разгона, путь пробега увеличивается почти в два раза.
Неплохой «гибрид» получается из электроаккумуляторов и гидрогазовых накопителей. Последние также помогают использовать кинетическую энергию машины, значительно повышают путь пробега, скорость электромобилей, сокращают время их разгона.
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.
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.
Я уже говорил о том, как тепловые аккумуляторы помогают газовым отдавать больше энергии, – рассказывал про трамвай, который «заправлялся» сжатым воздухом и кипятком, про свой микромобиль, что работал от газового аккумулятора – баллона с углекислотой вместе с тепловым аккумулятором – кастрюлей с расплавленной солью. А могут ли столь же успешно «сотрудничать» маховичные накопители ну хотя бы с электроаккумуляторами?
Оказывается, это сотрудничество одно из самых перспективных. Помните недостатки электромобиля? Он медленно разгоняется, не идет в гору, не может использовать кинетическую энергию, выделяемую при торможении. И всему виной невысокая плотность мощности электроаккумуляторов. По той же причине сами электроаккумуляторы не выносят быстрой зарядки. Они либо портятся, как, например, свинцово-кислотные, либо просто тратят «лишнюю» мощность на нагрев, как щелочные. Обыкновенные же маховики, не говоря об «энергетических капсулах» – супермаховиках, развивают какие угодно мощности, лишь бы выдержал привод, и, кроме того, позволяют сохранять кинетическую энергию транспортного средства. Соединив эти два накопителя на одном электромобиле, можно получить большой выигрыш.
Электроаккумуляторы движут такой электромобиль только по ровным дорогам без уклонов, где не требуется торможений и разгонов, – иными словами, они обеспечивают ему крейсерскую скорость. А там, где нужны разгоны, обгоны, торможения, подъемы в гору, берется за дело супермаховик. По сравнению с обычным электромобилем здесь значительно повышается максимальная скорость, более чем вдвое сокращается время разгона, путь пробега увеличивается почти в два раза.
Электромобиль с супермаховиком
Так, у одной из моделей американского «гибридного» электромобиля с супермаховиком длина пробега без подзарядки составляет 112 км против 63 км у обычного электромобиля. Масса супермаховика с приводом для полуторатонного электромобиля – всего 75 кг.Неплохой «гибрид» получается из электроаккумуляторов и гидрогазовых накопителей. Последние также помогают использовать кинетическую энергию машины, значительно повышают путь пробега, скорость электромобилей, сокращают время их разгона.
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.
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.
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!
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.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 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе.
Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.
А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов.
Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери.
Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.
Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию!
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 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе.
Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.
Зависимость КПД двигателя внутреннего сгорания от мощности
А как, собственно, в научных институтах получают этот расход топлива? Испытуемый двигатель (не будем уточнять: оснащенный дополнительными системами – вентилятором, компрессором, генератором и т. д. или нет) устанавливают на специальный стенд, где его нагружают сопротивлениями, попросту – тормозят. Изменяют подачу топлива, момент сопротивления, частоту вращения, ведут строгий учет расхода топлива. Зная момент сопротивления и частоту вращения, можно определить мощность, а умножая эту мощность на время, получить работу в киловатт-часах. Правильнее, конечно, было бы выразить ее в джоулях. Так вот – 1 кВт·ч равен 3,6 МДж. Теперь, зная расход топлива в килограммах, можем отнести его к произведенной двигателем работе и получить так называемый удельный расход топлива. Чем современнее двигатель, тем меньше удельный расход топлива при наибольшей мощности и тем больше его КПД. Вот откуда эти 25 и 40 %!А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов.
Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери.
Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.
Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию!