Транспорт будущего

Белик Александр Сергеевич

Студент 1 курса, кафедра естественных наук и общетехнических дисциплин,

филиал ФГБОУ ВПО «УГАТУ» в г. Кумертау

E-mail: nataljava_2010@mail.ru

Корниенко Людмила Михайловна

научный руководитель, старший преподаватель филиал ФГБОУ ВПО

«УГАТУ» в г. Кумертау

В наши дни, человечество столкнулось с дефицитом пригодных энергоресурсов, прежде всего это нефть и газ. В связи с этим возникают идеи создания электромобилей. Электромобиль обладает рядом преимуществ по отношению к транспорту с двигателями внутреннего сгорания. Во первых это экология, во вторых уровень шума, в третьих более высокий КПД. В арсенале общественного электротранспорта уже имеются трамваи, электровозы, метро, троллейбусы и электрички. Подвод энергии к ним производится по проводам, что существенно ограничивает их возможности. Попытки создания электромобилей были не очень удачными. Обычные свинцовые батареи слишком тяжелые, требуют долгое время зарядки и с каждым годом «стареют». Современные литий-ионные батареи, хоть и обладают лучшими характеристиками, чем свинцовые, но у них тоже эти минусы. В своём электромобиле я предлагаю использовать ионисторы (супер-конденсаторы).          Ионистор – электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока (рис. 1). В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная ёмкость ионистора – несколько фарад, при номинальном напряжении 2–10 вольт [3].

Рисунок 1. Типы ионистров

Недостатки:

·     удельная энергия меньше, чем у аккумуляторов (5–12 Вт ч/кг при 200 Вт ч/кг для литий-ионных аккумуляторов);

·     напряжение зависит от степени заряженности;

·     возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании;

·     большое внутреннее сопротивление по сравнению с традиционными конденсаторами (10–100 Ом у ионистора 1 Ф × 5,5 В);

·     значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В.

Преимущества:

·     высокие скорости зарядки и разрядки;

·     простота зарядного устройства;

·     малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда;

·     малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости;

·     низкая токсичность материалов;

·     высокая эффективность (более 95 %);

·     неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).

Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной.

В 1997 году исследователи из CSIRO разработали супер-конденсатор, который мог хранить большой заряд за счёт использования плёночных полимеров в качестве диэлектрика. Электроды были изготовлены из углеродных нанотрубок. У обычных конденсаторов удельная энергия составляет 0,5 Вт ч/кг, а у конденсаторов PET она была в 4 раза больше [1].

В 2008 году индийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30–40 Вт ч/кг).

В 2011 году корейские ученые под руководством профессора Чой Джунг Вук (Choi Jung-wook) разработали суперконденсатор, изготовленный с применением графена и азота, обеспечивающий удвоенную емкость по сравнению с традиционными источниками энергии того же класса. Улучшение электрических свойств элемента питания было достигнуто благодаря добавлению азота.

В качестве движителей я предлагаю использовать мотор – колёса т.к. тогда исчезнут потери на механические привод.

Мотор – колесо представляет собой обычный электродвигатель, в котором в отличие от традиционного электродвигателя статор находится внутри, а ротор снаружи. Автомобиль будет самозаряжаться при движении с горы и при торможении, что опять будет в плюс владельцу.

На рис.2 представлен двигатель переменного тока, но нам потребуются четыре мотор - колеса постоянного тока.

Рисунок 2. Конструкция мотор-колеса

За основу для построения электромобиля на ионисторах, я предлагаю взять модель «Москвич 2141», так как в 1997 г был собран опытный образец электромобиля на свинцовых аккумуляторах [3].

С виду ничего особенного электромобиль не представлял: «Москвич» как «Москвич», только на бортах была надпись «Электро» (рис.3). Но при полной массе 2060 кг он разгонялся до 60 км/ч за 15 сек. Максимальная же скорость без груза – 110 км/ч. Запас хода на одной зарядке батарей – 100 км, а с грузом 400 кг – 80 км.

Конечно, любителей «рвануть на светофоре» подобными цифрами не удивишь. Но напомним, что, несмотря на малый пробег, электромобиль имеет ряд преимуществ. Расходы на его эксплуатацию снижаются в 10 раз благодаря большому КПД использования энергии. Отсутствует вы6рос вредных веществ, значительно ниже уровень шума, не нужно прогревать двигатель перед началом движения [2].

Рисунок 3. Электромобиль «Москич-2141»

Для автомобиля этого класса, оптимальной мощностью является мощность – 80 кВт. Это каждое мотор-колесо должно быть по 20 кВт. Таким образом, мы получим распределение мощности и крутящего момента по 25 % на каждое колесо. Учитывая, что 1 кВт/ч = 3,6 МДж, получим, что суммарная мощность батареи ионисторов для запаса хода на 1 ч (около 100 км), при его максимальной нагрузке составит 228 МДж [3].

Расчеты.

Определим суммарную энергию батареи ионистров по формуле (1):

 (1)

где W – суммарная энергия батареи ионисторов, Дж;

С – емкость ионистра, Ф;

U – разность потенциалов, В.

Вычислим суммарную мощность батареи ионистров по формуле (2):

 (2)

где Р – суммарная мощность батареи ионистров, Вт;

U – разность потенциалов, В;

I – сила тока, А.

Чтобы добиться напряжения 320 В, нам потребуется 128, последовательно соединённых ионисторов РС2500, обладающих напряжением 2,5 В. При этом, ёмкость такой батареи (модуля) будет определена по формуле (3):

 (3)

где С_мод – емкость модуля, Ф;

С – емкость ионистра, Ф;

n – количество ионистров в модуле, шт.

Количество модулей с такой ёмкостью вычислим по формуле (4):

 (4)

Таким образом, в общей сложности нам потребуется 27 136 ионисторов РС2500, которые будут размещены, под днищем, в капотном и багажном отделениях автомобиля

Помимо ионисторов, на крыше устанавливается солнечная батарея в качестве дополнительного источника энергии. На заправочной станции будут стоять электроколонки со штекерами, а на автомобиле соответствующее гнездо под них. Устройство зарядки должно напоминать современное устройство зарядки сотового телефона, только увеличенное в несколько раз.

Список литературы:

1.            Колпаков А. Ультраконденсаторы Maxwell Technologies//Компонентвы и технологии – журнал об электронных компонентах № 1, 2004. URL: http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2004_01_14.pdf (дата обращения: 05.04.2012)

2.            http://electro-mobiles.ru/electro-mobiles/novosti-electromobili/87--l-r.html

(дата обращения: 03.04.2012)

3.            www.maxwell.com/products/ultracapacitors/industries/automotive.html (дата обращения 03.04.2012)