Пневматическое транспортное средство ( CAV ) представляет собой транспортное средство, работающее от баллонов со сжатым атмосферным газом и приводимое в движение за счет выпуска и расширения газа внутри пневматического двигателя .
CAV нашли применение в торпедах , локомотивах, используемых в ситуациях, когда стандартные локомотивы представляют опасность, и ранних прототипах подводных лодок .
Транспортные средства на сжатом воздухе работают в соответствии с термодинамическим процессом , при котором воздух охлаждается при расширении и нагревается при сжатии, и это потери тепловой энергии, которые истощают коэффициент мощности , однако с недавними разработками в области изотермических установок хранения энергии сжатого воздуха ICAES, хранение сжатого воздуха достигло 4-кратного коэффициента мощности литий-ионных аккумуляторов с 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м3 [ 3] , а в 2020 году были разработки в области автомобиля ICAV или изотермического транспортного средства на сжатом воздухе, опубликованные доктором Резой Ализаде Эврином из Технического университета Онтарио [1] [2] с первым прототипом, который использует воздушные резервуары низкого давления и рекуперацию отработанного воздуха для питания системы парафинового теплообменника с глобальной энергоэффективностью 74% (достигая 73–90% эффективности литий-ионных электромобилей ) с запасом хода 140 км (87 миль). Эффективность и дальность полета можно увеличить, используя резервуар для хранения в качестве конструкции шасси транспортного средства, баки высокого давления, новые роторные двигатели и более эффективный теплообменник.
Этот прорыв, наряду с доступностью переработанных и биооснованных термопластиков для резервуаров, пневматических компонентов и возобновляемой энергии, означает, что эта технология может стать основой революции в области свободного зеленого транспорта с децентрализацией энергетической и циклической промышленности с изготовлением станков с открытым исходным кодом числового программного управления , включая аддитивное производство , в то время как многоступенчатые воздушные компрессоры и охладители или гидравлические насосы могут быть присоединены непосредственно к ветряным турбинам VAWT , двигателю Стирлинга с параболическим или линзовым солнечным концентратором или речной, приливной, волновой гидроэнергетической турбине без необходимости в электроэнергии или электросети , а также без неэффективности преобразования энергии или дополнительного хранения энергии, также вместо бортовой системы рекуперации тепла можно использовать пополняемый резервуар расплавленной соли (из линзы Френеля или параболической концентрированной солнечной энергии ) в системе теплообменника .
Движущая сила сжатого воздуха может также быть включена в гибридные системы, например, с аккумуляторной электрической тягой . Такой тип системы называется гибридно-пневматической электрической тягой. Кроме того, рекуперативное торможение также может использоваться в сочетании с этой системой.
В принципе, любой пневматический двигатель может быть использован для транспортного средства, работающего на сжатом воздухе, но некоторые двигатели были специально разработаны для этого применения и/или имеют особые преимущества.
Было несколько сомнительных заявлений с нераскрытой информацией. Однако двигатель «Di Pietro» был частично протестирован с помощью САПР и программы анализа конечных элементов и опубликован в научных работах Ярослава Звежховского из Лодзинского политехнического университета в 2017 году [4], который представляет собой эксцентриковый вал лопастного двигателя, использующий низкое давление воздуха.
Еще один современный двигатель, который можно адаптировать к сжатому воздуху, — это жидкопоршневой роторный двигатель. [5]
Резервуары должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосудам под давлением , например, ISO 11439. [7 ]
Сосуды под давлением или резервуары для хранения воздуха, которые могут использоваться в транспортных средствах со сжатым воздухом, могут быть изготовлены из материалов низкого давления (9 атм (130 фунтов на кв. дюйм)) или высокого давления (более 240 атм (3500 фунтов на кв. дюйм)), и могут быть изготовлены из композитных материалов, таких как термопластик и армированный волокном термопластик [6] [8], что означает, что цена может снизиться за счет использования переработанных или биооснованных термопластиков с использованием ротационного формования , и они намного легче литий-железных аккумуляторов и на 70% легче стальных резервуаров, также они имеют больший срок службы и не требуют особого обслуживания.
Для дальнейшего снижения веса транспортного средства воздушные резервуары могут использоваться в качестве структурного хранилища, так что резервуар является основной частью шасси транспортного средства, при этом используется соответствующая ударная изоляция, однако армированные волокнами термопластиковые резервуары разрываются только в случае столкновения и не взрываются. Некоторые достижения в области сосудов высокого давления для транспортных средств были разработаны для водородных транспортных средств с сосудами высокого давления. Автомобильный конструктор Hyundai утверждает: [9]
Водородные баки требуют «Высокую прочность» для предотвращения разрыва и «Высокую жесткость» для долговечности. Прочность определяется как уровень сопротивления влиянию внешней силы. Жесткость — это уровень сопротивления сохранению своей первоначальной формы. Материалы из углеродного волокна, используемые при изготовлении водородных топливных баков, такие же легкие, как пластик, но имеют в шесть и четыре раза большую прочность и жесткость, чем сталь, соответственно. «Когда пуля пробивает водородный бак, он не взрывается. Вместо этого водород просачивается через пулевое отверстие. В стандартном испытании на столкновение не было обнаружено даже крошечного количества водорода, потому что ничего не просочилось.
Сжатый воздух имеет низкую плотность энергии , однако, при близком к изотермическому хранении сжатого воздуха ICAES имеет почти в 4 раза большую емкость, чем литий-ионные батареи, — 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м3 . [ 3]
Сжатый воздух можно производить, подсоединив воздушный компрессор или гидравлический насос к ветровой турбине [10] [11] или используя речную, приливную или волновую гидротурбину , преобразуя только механическую энергию в пневматическую, исключая электричество из цикла, что обеспечивает более высокую общую эффективность.
Кроме того, существует возможность использования тепловой энергии с параболическим или френелевским линзовым солнечным концентратором для питания теплового двигателя Стирлинга, приводящего в движение компрессор или насос, поскольку работающие на солнечной энергии двигатели Стирлинга более эффективны, чем солнечные паровые и фотоэлектрические. [ необходима ссылка ]
Поскольку сжатый воздух фильтруется для защиты компрессорного оборудования, в выходящем воздухе содержится меньше взвешенной пыли, хотя может иметь место перенос смазочных материалов, используемых в компрессоре или двигателе. Это можно смягчить, используя безмасляные воздушные компрессоры.
Недавние разработки композитных сосудов высокого давления и пневматических компонентов означают, что транспортные средства с сжатым воздухом могут стать частью циклической промышленности с компонентами на основе биоматериалов или переработанными компонентами. Кроме того, благодаря исключению электроэнергии из цикла отпадает необходимость в электросети и металлах, используемых в магнитах, таких как медь, железо и т. д.
Сжатый воздух использовался с XIX века для питания шахтерских локомотивов и трамваев в таких городах, как Париж (через центральную городскую систему распределения энергии сжатого воздуха ), а ранее был основой движения морских торпед .
Во время строительства Готтардбана с 1872 по 1882 год пневматические локомотивы использовались при строительстве Готтардского железнодорожного тоннеля и других тоннелей Готтардбана.
В 1903 году компания Liquid Air Company, расположенная в Лондоне, Великобритания, выпустила несколько автомобилей на сжатом и сжиженном воздухе. Главной проблемой этих автомобилей и всех автомобилей на сжатом воздухе является отсутствие крутящего момента, создаваемого «двигателями», и стоимость сжатия воздуха. [13]
С 2010 года несколько компаний начали разрабатывать автомобили на сжатом воздухе, включая гибридные типы, которые также включают в себя бензиновый двигатель; ни один из них не был представлен публике или испытан третьими лицами. [ необходима цитата ]
При эффективности использования ветровых турбин для питания компрессоров или насосов происходит единое преобразование механической энергии в пневматическую или гидравлическую. [11] Кроме того, при питании компрессора двигателем Стирлинга с использованием параболического или линзового солнечного концентратора происходит преобразование тепловой энергии в механическую . Наконец, при использовании материала с фазовым переходом в теплообменнике, нагреваемом концентрированной солнечной энергией , задействована только солнечная тепловая энергия.
Самым эффективным транспортным средством на сжатом воздухе по состоянию на 2020 год является изотермический прототип с КПД 74% [1] [2] , что аналогично показателю 73–90% у электромобилей, использующих литий-ионные аккумуляторы.
По сравнению с литий-ионными, изотермическое хранение энергии сжатым воздухом (ICAES) может иметь теплоотдачу не менее 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м3 , что в 4 раза [3] больше, чем у литий-ионных батарей, и может быть улучшено с помощью сосудов высокого давления и систем теплообменников.
Ресурсы, технология сжатого воздуха может быть адаптирована к возобновляемой энергии и циклической промышленности с использованием биоматериалов или переработанных композитов, и поэтому по сравнению с электромобилями они могут быть освобождены от конечных минеральных ресурсов или токсичных процессов, используемых в производстве аккумуляторов и электродвигателей , а также от использования электросети. [6] Заправка возможна практически в любом месте или с помощью бортового оборудования. Она может использовать другие возобновляемые источники, такие как энергия ветра, солнца или река, приливы, волны, гидроэнергия для приведения в действие воздушного компрессора , гидравлического насоса или двигателя Стирлинга .
Конструкционный вес композитных сосудов высокого давления низок по сравнению с литий-ионными аккумуляторами , а также стальными баками (легче на 70%), [8] и может быть уменьшен за счет использования баков в качестве конструкций шасси транспортного средства с соответствующей ударной изоляцией. Роторные двигатели ступицы колеса также имеют малый вес.
Они обладают энергетической синергией с доступной пневматической энергией, поэтому все системы мехатроники транспортного средства могут питаться от небольших пневмодвигателей, а транспортное средство может также использовать активную пневматическую подвеску, пневматическое рулевое управление или пневматические амортизаторы, [14] и обеспечивать кондиционирование воздуха или климат-контроль, используя низкую температуру, создаваемую при расширении воздуха. Системы рекуперации энергии с рекуперативной подвеской и рекуперативным торможением производят сжатый воздух низкого давления для хранения в дополнительном сосуде давления .
Беспоршневые роторные двигатели, работающие на сжатом воздухе, производят мало шума , а благодаря низкой температуре, при которой они работают, их можно сделать звукоизолированными.
Опасность возгорания отсутствует , что делает его одной из немногих транспортных систем, которая не может стать причиной спонтанного возгорания или взрыва после столкновения, как это происходит с транспортными средствами, работающими на бензине, этаноле, водороде, а также аккумуляторных батареях.
Плотность энергии сжатого воздуха низкая по сравнению с жидким азотом или водородом , а энергоэффективность двигателя на сжатом воздухе по сравнению с микрогазовой турбиной с адекватной звукоизоляцией , которую можно использовать в гибридных газотурбинных-электрических транспортных средствах со смесью сжатого воздуха, жидкого азота или водорода (предыдущие газотурбинные транспортные средства использовали установку для скорости, а не эффективности, состоящую в большом шуме газовых турбин, соединенных с трансмиссией), поскольку газовая турбина (которая используется на тепловых электростанциях из-за своей эффективности ) превосходит беспоршневые роторные двигатели , однако производство сжатого воздуха более энергоэффективно и поэтому требует меньше ветровой энергии и инфраструктуры, а также происходит потеря эффективности от газовой турбины к генератору и к электродвигателю .
В то время как аккумуляторы могут в некоторой степени сохранять свое напряжение в течение всего периода разряда, а баки с химическим топливом обеспечивают одинаковую плотность мощности от первого до последнего литра, давление в баллонах сжатого воздуха падает по мере откачки воздуха, что снижает доступную мощность.
Возможно, можно хранить сжатый воздух при более низком давлении, используя абсорбирующий материал внутри резервуара. Абсорбирующие материалы, такие как активированный уголь [15] или металлоорганический каркас [16], используются для хранения сжатого природного газа при 500 фунтах на квадратный дюйм (34 атм) вместо 4500 фунтах на квадратный дюйм (310 атм), что составляет большую экономию энергии.
Несколько компаний исследуют и производят прототипы , включая гибридные автомобили на сжатом воздухе/бензине. По состоянию на август 2017 года ни один из разработчиков еще не начал производство, хотя Tata заявила, что начнет продавать автомобили с 2020 года [17] , а американский дистрибьютор MDI Zero Pollution Motors заявляет, что производство AIRPod начнется в Европе в 2018 году. [18]
В 2008 году транспортное средство, работающее на сжатом воздухе и природном газе , разработанное студентами инженерного факультета Университета Дикина в Австралии, стало общим победителем конкурса Ford Motor Company T2 на производство автомобиля с запасом хода 200 км (120 миль) и предполагаемой стоимостью менее 7000 долларов США. [19] [20]
Австралийская компания Engineair выпустила несколько типов транспортных средств — мопед, малолитражный автомобиль, небольшой грузовик, картинг — на основе роторного двигателя сжатого воздуха, созданного Анджело Ди Пьетро .
Мотоцикл с пневматическим приводом, названный Green Speed Air Powered Motorcycle, был создан Эдвином И Юанем на основе Suzuki GP100 и с использованием пневматического двигателя Анджело Ди Пьетро. [21]
Три студента-механика из Университета штата Сан-Хосе ; Дэниел Мекис, Деннис Шааф и Эндрю Мерович, спроектировали и построили велосипед, работающий на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составила менее 1000 долларов, а спонсорами выступили Sunshops (на набережной в Санта-Крус, Калифорния ) и NO DIG NO RIDE (из Аптоса, Калифорния ). Максимальная скорость первого рейса в мае 2009 года составила 23 мили в час (37 км/ч). Несмотря на простоту конструкции, эти три пионера транспортных средств на сжатом воздухе помогли проложить путь [ требуется цитата ] французскому автопроизводителю Peugeot Citroën к изобретению совершенно нового пневматического гибрида. Система «Hybrid Air» использует сжатый воздух для вращения колес автомобиля при движении со скоростью менее 43 миль в час (69 км/ч). Peugeot заявила, что новая гибридная система должна проехать до 141 мили на галлоне бензина. Модели, как утверждалось, должны были начать выпускаться уже в 2016 году [1]. Однако руководитель проекта покинул Peugeot в 2014 году, а в 2015 году компания заявила, что не смогла найти партнера, который разделил бы расходы на разработку, что фактически завершило проект. [22]
«Ku:Rin» — трехколесное транспортное средство на сжатом воздухе, созданное компанией Toyota в 2011 году. Особенностью этого транспортного средства является то, что оно зарегистрировало рекордную максимальную скорость в 129,2 км/ч (80,3 миль/ч), даже если у него есть двигатель, использующий только сжатый воздух. Этот автомобиль был разработан «мастерской автомобилей мечты» компании. Этот автомобиль прозвали «гладкой ракетой» или «ракетой в форме карандаша». [23]
В рамках телешоу « Planet Mechanics » Джем Стэнсфилд и Дик Строубридж переделали обычный скутер в мопед на сжатом воздухе. [24] Это было сделано путем оснащения скутера двигателем на сжатом воздухе и воздушным баллоном. [25]
В 2010 году Honda представила концепт-кар Honda Air на автосалоне в Лос-Анджелесе. [26]
С 2008 года бывший Bosch Rexroth, ныне Emerson, организует Emerson's International AVENTICS Pneumobile Competition в Эгере, Венгрия. Это соревнование для студентов высших учебных заведений по созданию гоночных автомобилей, приводимых в движение сжатым воздухом. [27]
В рамках мероприятия проводится международная конференция, организованная Университетом Обуды, кафедрой машиностроения и техники безопасности Bánki Donát. [28]
Пневматические локомотивы являются разновидностью беспламенных локомотивов и используются в горнодобывающей промышленности [29] и при проходке туннелей. [30]
Начиная с 1876 года, были испытаны различные трамваи, работающие на сжатом воздухе. В Нанте и Париже трамваи системы Мекарски регулярно работали более 30 лет. [31] См. также трамвай Нанта#Пневматические трамваи (1879–1917) .
В настоящее время не существует ни одного водного или воздушного транспортного средства, которое использовало бы двигатель сжатого воздуха. Исторически некоторые торпеды приводились в движение двигателями сжатого воздуха.
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )