В книге рассмотрены принципы построения энергоустановки транспортного назначения, использующей в качестве энергоносителя алюминий. Изложены теоретические и инженерные аспекты работы воздушно-алюминиевого электрохимического генератора в качестве источника энергии комбинированной энергоустановки. Приведены расчёты энергетических характеристик основных компонентов энергоустановки: источника энергии, источников мощности (батарей аккумуляторов и суперконденсатора) и тягового электродвигателя в зависимости от массы транспортного средства и законов его движения. Описаны алгоритмы работы комбинированной энергоустановки, система контроля и управления её компонентами.

Для специалистов, занимающихся разработкой энергоустановок для электрических транспортных средств, для студентов, аспирантов и преподавателей университетов, специализирующихся в области энергоустановок и систем электроснабжения электрических транспортных средств.

В XXI веке, как и в течение второй половины предыдущего столетия, необходимая человечеству энергия производится главным образом из ископаемого органического топлива — угля, нефти и природного газа. Большая часть электрической и механической энергии производится посредством тепловых двигателей различных типов, которые в большей или меньшей степени оказывают нежелательные воздействия на окружающую среду. Наиболее страдают от энергетического производства крупные города, где, в частности, сконцентрирована основная масса автомобилей, оснащённых двигателями внутреннего сгорания.

В этой связи особую значимость приобретает проблема создания новых транспортных энергоустановок, использующих недорогие, экологически чистые и технологически безопасные энергоносители. В развитых странах решению этой проблемы уделяется значительное внимание. Прежде всего, речь идёт о создании новых типов экологически чистых транспортных средств для больших городов, курортных зон и разнообразных заповедников. При этом рассматриваются три основные направления решения проблемы:
1. Снижение доли вредных выбросов транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) традиционного типа (путём применения более широкого спектра термодинамических циклов, варьирования условий сгорания с целью повышения экономичности и уменьшения концентрации вредных выбросов, использования более чистых видов топлива, каталитического дожигания и т.п.).
2. Использование гибридных схем на основе ДВС в комбинации с электроприводом и системой рекуперации энергии торможения.

3. Создание высокоэффективных электромобилей на основе наиболее современных электрохимических источников энергии — аккумуляторов, суперконденсаторов и воздушно-водородных топливных элементов.

Первое и второе направления решения проблемы предполагают наличие некоторого, вполне заметного количества вредных выбросов и поэтому, с точки зрения экологических требований, являются принципиально паллиативными. При этом первичным источником энергии безальтернативно остаётся углеводородное сырьё — нефть или природный газ.

Полное отсутствие экологически вредных выбросов теоретически могут обеспечить некоторые типы электрохимических энергоустановок. Иными словами, наиболее перспективными, с точки зрения решения проблемы создания экологически чистого наземного транспорта, представляются работы, направленные на создание эффективных электромобилей на основе электрохимических источников энергии. Следовательно, приобретают актуальность и научно-исследовательские разработки, направленные на поиск конкретных технических решений в этой области.

Для наиболее энергоёмких современных литий-ионных аккумуляторов характерны относительно низкие значения удельной энергии — 100—150 Вт·ч/кг, что ограничивает пробег аккумуляторных электромобилей 100—150 км. Кроме того, тяговые литий-ионные аккумуляторы дороги и не обладают необходимым ресурсом работы. Обычно декларируемые 1000—3000 циклов заряда-разряда реализуются в режимах малых токов, что не соответствует условиям эксплуатации электромобилей. При понижении температуры показатели литий-ионных аккумуляторов заметно ухудшаются. К недостаткам этого типа электрохимических энергоисточников следует отнести пожароопасность.

До последнего времени весьма перспективными считались транспортные энергоустановки на основе воздушно-водородных топливных элементов. К сожалению, главные проблемы, связанные с внедрением водородного электротранспорта, оказались труднопреодолимыми: высокая стоимость воздушно-водородных электрохимических генераторов; низкий ресурс и надёжность; разнообразные технические и экономические проблемы, связанные с созданием инфраструктуры для аккумулирования и распределения водорода, трудность бортового хранения водорода и т.п.

Следует отметить, что данные проблемы в существенной мере относятся к концепции водородной энергетики в целом.

В Объединённом институте высоких температур Российской академии наук в течение последних лет проводились научно-исследовательские и технологические работы, направленные на создание экологически чистых энергоустановок, основанных на использовании воздушно-алюминиевых электрохимических генераторов. Воздушно-алюминиевый электрохимический генератор обладает высокой удельной энергоёмкостью и имеет невысокую стоимость; ЭХГ этого типа просты в эксплуатации. Необходимый для работы ВА ЭХГ алюминий — доступный и достаточно дешёвый.

В данной книге представлены различные варианты построения энергоустановок транспортного назначения на основе воздушно-алюминиевых электрохимических генераторов, описаны методики расчёта энергетических, электрических и механических характеристик энергоустановок для электромобилей малого (A-B) и среднего (C-D) классов. Предложены ключевые инженерные решения, положенные в основу идеологии создания типоряда городских электромобилей с воздушно-алюминиевыми электрохимическими генераторами. Описаны результаты натурных испытаний макетных электромобилей, использующих в качестве первичного бортового источника энергии воздушно-алюминиевый электрохимический генератор.

В заключительной части приводятся результаты сравнения технико-экономической эффективности использования транспортных энергоустановок различных типов.

В исследованиях принимали участие ГТУ МАИ, ФГУП НАМИ, ГТУ МАМИ, НПО Квант. Финансирование научных исследований и опытно-конструкторских разработок осуществлялось в рамках Программ фундаментальных исследований Президиума РАН 2006—2011 гг., Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы» Министерства образования и науки РФ (ГК №16.526.12.6002), грантов РФФИ 06-08-01248-а и 10-08-00914-а…

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книги на ту же тему

1. Электромобиль: Техника и экономика, Щетина В. А., Морговский Ю. Я., Центер Б. И., Богомазов В. А., 1987
2. Окисление алюминия водой для эффективного производства электроэнергии, Школьников Е. И., Жук А. З., Булычев Б. М., Ларичев М. Н., Илюхина А. В., Власкин М. С., 2012
3. Об отечественной электроэнергетике: Вчера, сегодня и возможное завтра, Шейндлин А. Е., 2013
4. Колёсные транспортные средства: Общие характеристики конструкции, Бахмутов С. В., Гусаков Н. В., 2012
5. Транспорт, энергетика и будущее, Мани Л., 1987
6. Транспорт и коммуникации: прошлое, настоящее, будущее, Могилевкин И. М., 2005