Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сухой остаток

Сухой остаток. Кому, сколько и на что нужно энергии?

В середине XVII века только на севере Нидерландов работало 3 тысячи ветряных мельниц, их общая мощность была 50 тысяч лошадиных сил. Фото Янека Хейнрика

Затратив 1 кВт-ч электроэнергии, можно выпечь 88 кг хлеба или вывести 30 цыплят в инкубаторе.

Одно из перспективных направлений развития систем передачи электроэнергии – создание сверхпроводящих ЛЭП. Например, если чистый алюминий охладить до –2530 С, то его электрическое сопротивление уменьшится в 500 раз!

Первобытному человеку для обеспечения жизни требовалась энергетическая мощность 150 Вт. При переходе к традиционному земледелию и скотоводству – 500 Вт. В наше время мощность душевого энергопотребления достигает уже нескольких киловатт.

В доисторические времена человек мог рассчитывать только на свою мускульную энергию, эквивалентную электрической лампочке мощностью в 150 Вт.

Приблизительно за 10 тыс. лет до н.э. появились кирпичи из обожженной глины. Объем использованной для их производства древесины в 150 раз превышал объем полученных кирпичей.

Древнегреческий географ Страбон (I век до н.э.) упоминает о водяной мельнице в Кабире у царя Митридата. Ее мощность достигала 0,5 лошадиной силы.

До конца I века до н.э. мощность водяных колес на мельницах Древнего Рима составляла уже 3 лошадиные силы.

Во Франции к концу XI века при численности населения 5 млн человек было 20 тыс. мельниц. К XII веку благодаря мельницам Франция получила энергетический эквивалент 600 тыс. рабочих рук.

Мощность среднего водяного колеса к началу Нового времени составляла 5–10 лошадиных сил и очень редко достигала 30 лошадиных сил.

В 1912 году в России было 45 449 гидросиловых установок общей мощностью 636 856 лошадиных сил. Две трети от этой мощности развивали водяные колеса.

В 1950 году в СССР насчитывалось 8500 мелких и средних колхозных электростанций.

Ресурс геотермальной энергии имеет тот же порядок, что и ресурс всех видов органического топлива на Земле, вместе взятых!

96% общероссийского объема газодобычи приходится на месторождения на полуострове Ямал.

В 1900 году мировая суммарная мощность первичных двигателей была около 100 млн лошадиных сил; к 1911 году она удвоилась.

Уже в 1920 году мощность всех двигателей внутреннего сгорания в мире достигла 600 млн лошадиных сил и составляла 75% суммарной мировой мощности первичных двигателей.

Первобытные люди научились закаливать в огне породу для каменных орудий не менее 70 тыс. лет назад, а возможно, и гораздо раньше – 140 тыс. лет назад.

Каждую минуту водяной пар отдает атмосфере Земли чудовищно огромное количество энергии – 2,2 х 1010 Дж. Столько энергии за то же время могли бы выработать 40 млн электростанций, по миллиону киловатт каждая.

Для изготовления одного персонального компьютера расходуется около 700 различных материалов и веществ и 12 т воды.

Солнце испаряет на Земле за одну минуту 1 млрд т воды… Каждый грамм водяного пара уносит с собой 537 кал (2265 Дж) солнечной энергии.

Пронизывая верхние слои земной атмосферы, протоны захватывают электроны, превращаются в атомы водорода и немедленно вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Расчет показывает, что ежегодно почти 1,5 т такой «космической» воды рождается в стратосфере.

В конце нулевых годов ежедневно москвичи потребляли 32 тыс. т продовольствия.

Не менее 40% людей из 7 млрд, населяющих сейчас Землю, живы только благодаря открытию синтеза аммиака, так как именно это позволило наладить многотоннажное производство азотистых удобрений. Внести такое количество азота в почву с помощью органических удобрений просто немыслимо.

Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.

Мощности бывают разные…

С появлением на рынке садовой бензиномоторной техники еще одного серьезного игрока — HITACHI — значительно увеличилось количество моделей, из которых рядовому потребителю приходится выбирать инструмeнт для индивидуального пользования. Специалисты компании попытались сравнить существующие предложения различных производителей, чтобы сформировать определенные рекомендации для покупателей, и сразу же попали в затруднительную ситуацию, которая послужила поводом для написания этой статьи. Итак, обо всем по порядку.

Выбирая для себя бензомоторный инструмент, каждый определяет некоторые параметры, которым должна соответствовать будущая покупка. Одним из основных, практически у всех без исключения покупателей, становится мощность инструмента. Ведь от ее величины зависит тот спектр работ, который можно будет осуществлять данным инструментом.

Естественно, выполняя сравнительный анализ бензомоторного инструмента, мы сопоставляли технику различных брендов по этому критерию. Общеизвестен факт, что двигатели внутреннего сгорания с одинаковым объемом имеют приблизительно одинаковую мощность. Согласно же нашей аналитической таблице, двигатели японских производителей (на различных бензиномоторных инструментах — бензопилах и мотокосах) имели меньшую мощность при том же объеме цилиндра по сравнению с инструментами европейского/американского производства. При этом разница в декларируемых мощностях составляла 15–20 %!

Дело в том, что для мощностей двигателей внутреннего сгорания есть не только разные единицы измерения (кВт или л. с.), но и разные способы измерения, дающие разные результаты. Стандартный способ измерения мощности, принятый в Европе, использует киловатты. Но даже если значения мощности указаны в одной и той же величине, то способы измерения этой мощности и, соответственно, полученные результаты могут отличаться. Причиной тому — различные методики.

В США и Японии используются свои стандарты определения мощности двигателя, которые уже давно практически полностью унифицированы с другими. Однако в Америке и Японии существуют два различных вида показателей: netto и brutto.

Измерение мощности двигателя нетто (netto, net) предусматривает стендовое испытание двигателя, оборудованного всеми вспомогательными, необходимыми для эксплуатации изделия агрегатами: насосом, глушителем, вентилятором и пр. , т. е. измерение «на выходе» из редуктора или сцепления. Так измеряют мощность и именно ее указывают в каталоге японцы. Измерение мощности двигателя брутто (brutto, gross) подразумевает стендовое испытание двигателя, не оборудованного всеми дополнительными, необходимыми для эксплуатации изделия агрегатами, т. е. измерение «на валу» двигателя. Такой показатель мощности может давать значение выше мощности нетто на 10–20 % и более.

Читать еще:  Что такое двигатель серии 2jz gte

Этим в свое время широко пользовались североамериканские производители автомобилей, завышая рейтинги мощности двигателей. Так измеряют мощность в Европе (Германия, Швеция, Италия и т. д.) — они тоже правы, они честно пишут о мощности двигателя… В принципе, приблизительно так же поступают производители электроинструмента: они показывают потребляемую мощность электродвигателя, и совсем немногие показывают мощность «выходящую», собственно эффективную мощность самой машины.

Сравнение же машин по объему двигателя тоже имеет нюансы. Мощность двигателя и крутящий момент двигателя связаны с его размерами (объёмом цилиндра), и зависят от потерь энергии, степени сжатия топливо воздушной смеси, содержания кислорода в воздухе и частоты вращения коленчатого вала. Это справедливо как для двухтактных, так и для четырёхтактных двигателей. Частота вращения коленчатого вала в конечном счёте ограничена прочностью материалов и свойствами смазки.

Все элементы двигателя (клапаны, поршни и коленчатые валы) постоянно испытывают большие динамические нагрузки:

Конструкторы японской компании HITACHI увеличили мощность своих двигателей, поднимая число оборотов двигателя. Качество исполнения комплектующих двигателя (кольца, клапаны, кованые, а не штампованные шатуны) позволили добиться прекрасных результатов. Культура производства, современные технологические линии и грамотный инженерный состав — все это вместе позволило реализовать решения, позволившие добиться высоких технических характеристик.

Ведущие производители четырехтактных двигателей (Briggs Stratton, Honda, Kawasaki, Kohler) уже несколько лет назад полностью отказались от декларирования в технической документации мощности двигателя, указывая только его объем. Также поступили и японские производители бензиномоторного инструмента с двухтактными двигателями. Но учитывая тот факт, что в России, Украине и некоторых других странах большинство пользователей «по старинке» все же оперируют понятием мощности двигателя, компания HITACHI KOKI приняла решение о том, чтобы временно оставить в сопроводительной документации значения мощности, при этом указывая ее тип (мощность нетто/мощность брутто).

Окончательное решение при выборе инструмента и его необходимых эксплуатационных характеристиках, как всегда, за вами, дорогой пользователь. Помните только, что понятия «мощность», «лошадиная сила» — неоднозначны. Об их зависимости от вида и качества топлива, режимов работы — в наших следующих публикациях.

Что означает мощность двигателя внутреннего сгорания

В зависимости от выбранного режима вождения на дисплее водителя отображаются различные приборы и функции. Эти приборы помогают водителю управлять автомобилем с максимально возможной экономичностью.

В автомобиле также сохраняются статистические данные о выполненных поездках, которые можно просматривать в виде гистограммы, см. раздел «Отображение статистики поездок на центральном дисплее».

Указатель гибридной установки

Указатель гибридной установки, используя разные средства, показывает соотношение между отбираемой от электродвигателя мощностью и доступной мощностью.

Символы гибридной системы

Указывает фактический уровень доступной мощности электродвигателя. Закрашенный символ означает, что используется электродвигатель.

Незакрашенный символ означает, что электродвигатель не используется.

Обозначает уровень мощности, при котором запускается двигатель внутреннего сгорания. Закрашенный символ означает, что используется двигатель внутреннего сгорания.

Обозначает уровень мощности, при котором запускается двигатель внутреннего сгорания. Незакрашенный символ означает, что двигатель внутреннего сгорания не используется.

Индикатор, указывающий, что происходит зарядка гибридного аккумулятора, например, при легком нажатии на педаль тормоза.

Информация бортового компьютера: пробег до разряженного аккумулятора, индикатор eDTE (Electrical Distance To Empty). Показывает примерное расстояние, которое можно пройти на энергозапасе, оставшемся в гибридном аккумуляторе.

Символ относится к указателю гибридного аккумулятора в правой нижней части прибора.

Доступная мощность электродвигателя

Указатель мощности гибридного аккумулятора.

В правой нижней части прибора установлен указатель гибридного аккумулятора. Указатель отображает количество энергии, накопленное аккумулятором. Эта энергия предназначена для электродвигателя, а также для охлаждения или обогрева автомобиля.

Тяговая мощность, запрашиваемая водителем

Стрелка указателя гибридной установки отражает мощность двигателя, которую водитель хочет получить, изменяя положение педали газа. Чем выше показатель шкалы, тем больше мощность, которую водитель хочет получить на данной передаче. Метка между «молнией» и «каплей» соответствует точке, в которой электродвигатель отключается, а двигатель внутреннего сгорания запускается.

Двигатель работает, но автомобиль не двигается, запрос мощности отсутствует.

Электродвигатель не может подавать запрашиваемую мощность, и поэтому запускается двигатель внутреннего сгорания.

Автомобиль вырабатывает энергию для аккумулятора, аккумулятор заряжается, например, когда плавно выжимается педаль тормоза, или во время торможения двигателем на спуске.

Функции «Hold» (сохранить) и «Charge» (зарядить)

Символ в указателе гибридного аккумулятора показывает, что активирована функция Hold или Charge . Дополнительную информацию об этих функциях см. в разделе «Сохранение или повышение заряда гибридного аккумулятора во время движения».

Хватает ли гибридным автомобилям и электромобилям тяговой мощности?

Возможно вы считаете, что ведете машину ровно, но ваш двигатель, вероятно, с вами не согласится. Препятствия, которые вы встречаете на пути — светофоры и ограничения скорости — означают, что мощность, потребляемая ходовой частью автомобиля, постоянно меняется. Мы ожидаем, что новые технологии, такие как электромобили и гибридные автомобили, так же мгновенно реагируют на нажатие педали акселератора, как и существующие машины, а значит, проектировщики должны добиться, чтобы это происходило безопасно и надежно. Для этого, в частности, моделируется работа аккумуляторов.

Читать еще:  Ваз маленькое давление масло двигатель ваз 2112

Потребляемая мощность в ходе ездового цикла

Обычным испытанием для автомобиля является такой ездовой цикл: запуск двигателя, ускорение, скоростное движение, торможение, остановка, после чего цикл повторяется заново. На анимации вы видите требования по току, предъявляемые к аккумулятору гибридного электромобиля в ходе такого цикла:

Ток в ездовом цикле гибридного автомобиля. Положительные пики означают мощность, передаваемую двигателю или ходовой части, а отрицательные — рекуперацию мощности от двигателя или при торможении.

Сначала появляется большой положительный пик – двигатель внутреннего сгорания запускается, питаясь от аккумулятора. Аккумулятор также покрывает часть мощности, требуемой для ускорения. Когда автомобиль разогнался, возможна рекуперация аккумулятором части мощности двигателя, так что ток аккумулятора становится отрицательным. На отметке 110 секунд мы видим несколько острых отрицательных пиков, появляющихся из-за рекуперации энергии при торможении и остановке автомобиля. После этого двигатель внутреннего сгорания останавливается на холостом ходу и запускается заново в начале следующего цикла.


«Схема гибридного автомобиля с подзарядкой от электросети (PHEV)», автор Мэтт Ховард (Matt Howard) — Схема гибридного автомобиля с подзарядкой от электросети (PHEV) Загружено Питером Койпером (Pieter Kuiper). Доступно по лицензии Creative Commons 2.0 «Атрибуция — На тех же условиях» на Викискладе.

Как мы видим, токопотребление аккумулятором никак нельзя назвать плавно изменяющимся! Быстрые изменения тока аккумулятора, а также тока рекуперации в гибридном автомобиле, могут вызывать изменения рабочего напряжения и повышение температуры. Хотя аккумулятор может работать с высокой выходной (или входной) мощностью в течение короткого времени, повышенные токовые нагрузки зачастую вызывают его ускоренный нагрев. Система управления аккумулятором должна следить за тем, чтобы он накапливал энергию при рекуперации, но не перегревался. Это, однако, должно происходить незаметно для водителя — никому не понравится, если мощность автомобиля будет непредсказуемо изменяться в зависимости от текущего состояния аккумулятора, о котором водитель не имеет представления.

Как создать модель литий-ионного аккумулятора

Инженеры могут определить диапазон условий, обеспечивающих безопасную работу аккумулятора, моделируя его заряд и разряд с разной скоростью, а также в условиях, приближенных к реальным ездовым циклам в обычной дорожной обстановке. Физическая модель литий-ионного аккумулятора должна учитывать основные физические принципы, определяющие взаимосвязь между напряжением и током ячейки. Среди этих принципов:

  • Кинетика реакции внедрения лития в пористых электродных материалах
  • Теория переноса концентрированных веществ для расчета переноса заряда и массы ионами Li+ и другими ионами в электролите
  • Массообмен лития в электродных материалах
  • Перенос заряда в твердотельных проводниках, например, в коллекторах и пористых электродах

На первый взгляд, это великое множество уравнений, но, к счастью, их можно рассчитать с помощью модуля Аккумуляторы и топливные элементы в COMSOL Multiphysics, сочетая готовый интерфейс Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) с интерфейсом Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах) и прогнозируя профиль температуры в аккумуляторе.

После того, как заданы физические уравнения, можно установить условия по току или напряжению. Мы можем начать с моделирования заряда и разряда с постоянной скоростью. Скорости обычно измеряются в единицах C, в которых 1 C означает полный разряд или заряд аккумулятора за один час. Как вы можете видеть на графике тока в ездовом цикле (выше), пиковая требуемая скорость может доходить до 20 C, но на практике столь большие скорости требуются лишь на малое время. Измерив экспериментально зависимость тока аккумулятора от времени в реальном испытании, мы можем установить типичную длительность и распределение скачков тока.

Давайте посмотрим на характеристику состояния заряда аккумулятора. Состояние заряда (SOC) — это мера доступного заряда, оставшегося в аккумуляторе. Когда перезаряжаемый аккумулятор используется в гибридном автомобиле или другом устройстве с переменной потребляемой мощностью, система управления аккумулятором (BMS) отслеживает состояние аккумулятора и определяет возможный потребляемый ток.

Состояние заряда можно определить по измеряемым параметрам электрической цепи несколькими способами. Один из них — кулоновский, при котором ток аккумулятора интегрируют по времени. Системы управления гибридных автомобилей могут также измерять состояние заряда и допустимый диапазон рабочих напряжений аккумулятора согласно спецификации производителя. Физическая модель аккумулятора позволяет сравнить фактическое состояние заряда ячейки, определенное по количеству лития в каждом электроде, и экспериментальные измерения состояния заряда, выполненные в соответствии с различными протоколами. Таким образом инженеры могут лучше представлять себе динамическую характеристику аккумулятора, снимать с него данные и определять безопасные условия работы.

Кулоновское состояние заряда аккумулятора в ходе ездового цикла отображено на графике ниже:


Состояние заряда ячейки в ходе ездового цикла, рассчитанное кулоновским методом (интегрированием тока).

Эти данные говорят нам, что аккумулятор начинает работу с 56% заряда и разряжается, отдавая мощность трансмиссии в ходе первого цикла. Состояние заряда увеличивается при рекуперации энергии в гибридном автомобиле, но в целом состояние заряда уменьшается, поскольку в каждом следующем ездовом цикле потребляется больше мощности, чем возвращается.

Связь между током и состоянием заряда задается просто, но она ничего не сообщает нам о том, какую мощность можно получить от аккумулятора. Идеальный аккумулятор в теории будет всегда поддерживать равновесное напряжение, как бы быстро ее ни заряжали или разряжали, так что мощность просто равна произведению напряжения ячейки и тока. На практике, однако, электрическое сопротивление, кинетика реакций и массообмен приводят к поляризации аккумуляторов. Это означает, что часть напряжения разомкнутой цепи, измеренного при нулевом токе, теряется, когда через цепь начинает течь ненулевой ток.

Читать еще:  Шумит двигатель на холодную киа рио

В пределе при очень высоком токе может иметь место истощение аккумулятора — в нем попросту закончится химически активное вещество. Все это увеличивает часть химической энергии аккумулятора, которая расходуется на обеспечение выработки тока — эта часть не преобразуется в механическую работу, что снижает КПД.

Чтобы оценить величину этого эффекта, давайте посмотрим на напряжение ячейки в ходе ездового цикла.


Напряжение ячейки в ходе ездового цикла колеблется вокруг равновесного напряжения (напряжения разомкнутой цепи), близкого к 4 В.

Мы видим, что напряжение ячейки колеблется вокруг равновесного напряжения (около 4 В) в то время, как аккумулятор отдает или получает заряд. На графике ниже построена разность между равновесным напряжением ячейки для данного состояния заряда и измеренным напряжением ячейки. Этот график демонстрирует различия в поляризации ячейки при различной токовой нагрузке:


Поляризация ячейки в ходе ездового цикла. Положительные значения поляризации соответствуют процессу разряда.

Величина поляризации ячейки всегда меньше 0,4 В, а напряжение ячейки близко к 4 В. Таким образом, мы можем сказать, что потери заметно меньше полезной мощности. Мы также можем построить график полезной мощности:

Заметим, что это мощность одной ячейки в аккумуляторе, который на практике может содержать множество ячеек, соединенных по параллельной или смешанной схеме. С мощностью ниже 1 кВт далеко на автомобиле не уедешь! Обычный двигатель выдает примерно 75 кВт.

Рассчитав поляризацию, мы можем оценить потери мощности, связанные с сопротивлением переносу заряда, кинетикой электродных реакций и массообменом в ячейке:

Мы видим, что потери мощности не превышают 0,1 кВт даже для пиковой выходной мощности около 1 кВт. Это означает, что потери, хотя и не являются пренебрежимо малыми, все же не накладывают жестких ограничений на эффективность отдачи или приема мощности при исследованных величинах тока.

Потерянная мощность рассеивается в виде тепла и может привести к повышению температуры. Для безопасной работы аккумуляторов очень важно следить за температурой. Тепловой разгон литий-ионного аккумулятора может привести к возгоранию, так что в любой аккумуляторной системе, особенно рассчитанной на большие мощности или непредсказуемые нагрузки, жизненно важно избегать перегрева. Кроме того, высокие температуры приводят к ускоренному износу и старению аккумулятора при повторных циклах заряда и разряда, особенно для стандартного литий-ионного аккумулятора при температуре выше 50°C. В конечном счете это снижает энергоемкость и максимальную выдаваемую мощность аккумулятора. Комбинируя модель литий-ионного аккумулятора с моделью теплопередачи в ячейке, можно рассчитать температуру в переходном режиме.

Комбинированная модель учитывает рассеяние тепла ячейки за счет конвекционного охлаждения, тепловыделение за счет резистивного нагрева и в химических реакциях, а также температурную зависимость электрической проводимости и констант скорости реакций.

Для двух точек в ячейке на графике ниже показан профиль температуры:


Расчетные значения температуры в ходе ездового цикла для двух точек в аккумуляторе.

Результаты можно интерпретировать по-разному! Хорошо, что аккумулятор нагревается достаточно равномерно — разность температур между центром ячейки и поверхностью ячейки пренебрежимо мала. Это позволяет избежать повреждения ячейки, связанного с неравномерным нагревом и термическим напряжением. Кроме этого, температура не сильно выросла в ходе 10-минутного ездового цикла, всего лишь с 25°C до 35°C. Мы знаем, что в этом диапазоне температур деградация аккумулятора происходит медленно.

Проблема заключается в том, что температура аккумулятора продолжает расти. Если рост температуры продолжится в течение неопределенного периода времени, долго работающий аккумулятор может перегреться. Разумеется, это неприемлемо и может быть предотвращено увеличением мощности системы охлаждения, но такая система увеличит массу и энергопотребление автомобиля.

Будущее электромобилей

До сих пор мы говорили о гибридных автомобилях, в которых аккумулятор работает совместно с двигателем внутреннего сгорания. Чем отличаются от них электромобили?

Традиционный двигатель внутреннего сгорания легковых автомобилей работает на оборотах от 1000 до 4000 об./мин. Если двигатель останавливается, на его повторный запуск тратится значительная энергия аккумулятора. Пока двигатель работает, система трансмиссии передает мощность на колеса с помощью зубчатых передач, а также ручной коробки передач или автоматической коробки с гидротрансформатором, которые позволяют значительно варьировать мощность, выдаваемую на колеса, без необходимости такого же изменения скорости двигателя. Даже с учетом этого ускорение автомобиля за счет увеличения подачи топлива ограничено.


Ходовая часть электромобиля. Nissan Leaf 012, автор изображения Tennen-Gas. Доступно по лицензии Creative Commons 3.0 «Атрибуция — На тех же условиях» на Викискладе.

Электромобили работают по-другому. Аккумулятор может прекратить подачу мощности, не отключаясь, поэтому мощность можно сразу передавать на колеса, не используя систему трансмиссии. Кроме того, мощность, выдаваемую аккумулятором, можно очень быстро изменить. Мгновенная передача крутящего момента позволяет быстро разгоняться от 0 до 100 км/ч (меньше, чем за 10 секунд), обеспечивая комфортные ощущения от управления, по словам тех, кто попробовал эти машины в деле.

Но у этих преимуществ есть своя цена. Если аккумулятор становится единственным источником энергии, требования к выдаваемой мощности и быстроте изменения выдаваемой мощности возрастают по сравнению с гибридными автомобилями. Создание аккумуляторной системы, которая сможет обеспечивать такую мощность на протяжении многих циклов без перегрева и износа — важная задача для проектировщиков электромобилей следующего поколения. Мультифизические модели аккумуляторов, сочетающие электрохимию и физику теплопередачи, могут помочь определить, какие детали конструкции следует улучшать и какие улучшения могут оказаться наиболее полезными.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector