ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ. ГДЕ ВЗЯТЬ ЭНЕРГИЮ?

Чем плох автомобиль? Первое, что приходит на ум - загрязнение окружающей среды, второе - громадное количество пострадавших в автомобильных авариях и катастрофах. Несмотря на это конструкторы автомобилей продолжают создавать все более мощные, а значит и более "грязные" машины. Как достоинство отмечаются их все улучшающиеся динамические показатели - разгон до 100 км/ч за считанные секунды: а ну, пешеход, увернись! В Китае, где еще вчера одновременно крутили педали миллионы велосипедистов, начинается автомобильный бум - страна выходит на первое место в мире по темпам производства машин. Рядовому китайцу тоже хочется себя пожалеть и побаловать, ведь куда приятнее нажимать на педаль газа. Итог человеческой лени известен - экология страдает, граждане болеют, а то и просто погибают. Встает извечный вопрос - что делать?

Можно, конечно, пересесть на лошадь, но это сопряжено с большими неудобствами: и сена ей надо, да и крыши над ней нет. В некоторых странах вспомнили про велосипед. Очень удобно - не надо гаража, можно в коридоре на стенку повесить, да и на улице никаких пробок. Мало того, во многих странах для велосипедистов построены вдоль основных магистралей специальные дорожки. Многие умные люди поняли, что крутить педали полезно для здоровья, стали даже устраивать велопробеги и объездили свою страну вдоль и поперек, да и за границей поколесили. Но как бы там ни было, после появления на пути приличной горки сразу возникает мысль о том, что было бы неплохо, если бы кто-нибудь другой крутил твои педали. У некоторых такое желание остается несбыточной мечтой, но есть ведь и творческие люди… Как всегда в таких случаях, умелец крепко задумывается и начинает что-то изобретать.

Если поставить на велосипед хоть и маленький, но все же бензиновый моторчик, то при их числе в сотни миллионов дышать опять скоро станет нечем. А через сотню лет, смотришь, опять по дорогам будут носиться монстры-автомобили, и тогда смотри первый абзац. Значит, надо идти другим путем, например, установить на велосипед аккумулятор и электромотор. Некоторые умельцы так и сделали. Первый эксперимент был предпринят в области водного транспорта в далеком теперь 1838 г. Немецкий инженер Мориц (Борис) Якоби, работавший в то время в Санкт-Петербурге, погрузил на лодку 27 гальванических батарей и установил два электромотора, которые сам сконструировал четырьмя годами ранее. Однако заряда батарей хватило только на то, чтобы медленно проплыть несколько километров по Неве против течения. На этом эксперимент в те времена и закончился. Впрочем, полученный опыт не был забыт, впоследствии аккумулятор и электродвигатель нашли применение на подводных лодках для обеспечения движения в погруженном положении. Ныне такая схема используется на самых современных дизельных подводных лодках.

Но вернемся к велосипеду. Почему мысль изобретателя остановилась на аккумуляторе и электромоторе? Прежде всего потому, что электромотор отличает очень высокий коэффициент полезного действия, т. е. практически вся электрическая энергия, подведенная к нему, превращается в механическую энергию вращения вала якоря двигателя. Современные электродвигатели имеют к.п.д. порядка 90…95 %. Для сравнения: к.п.д. поршневого бензинового двигателя составляет около 20 %. Но второй компонент электродвигательной установки - аккумулятор - в значительной степени лишает ее привлекательности. Во-первых, он слишком тяжел (в традиционных кислотных аккумуляторах пластины выполнены из свинца, плотность которого около 12 г/см3). Во-вторых, удельная емкость аккумуляторов (отношение количества запасенной энергии к массе устройства) невелика. Одним словом, традиционный "электровелосипед" (или "электромобиль") отличается большой массой при малой дальности пробега. А что если научиться вырабатывать электроэнергию непосредственно "на борту", преобразуя дармовую солнечную энергию?

Для привлечения интереса к созданию транспортных систем, использующих энергию солнца, в 1987 г. были проведены первые в мире соревнования гоночных автомобилей на солнечных батареях. Трасса гонки протяженностью 3000 км - от Дарвина до Аделаиды - пересекала австралийский континент с севера на юг. В гонке участвовало 24 солнцемобиля из шести стран. Победителем соревнований стал американский "Санрейсер", в разработку которого фирма General Motors вложила несколько миллионов долларов. К созданию каждого элемента этого солнечного автомобиля привлекались ведущие ученые, конструкторы, инженеры и даже дизайнеры. После успешного окончания австралийской гонки в США была развернута национальная образовательная программа, рассчитанная на привитие молодежи интереса к вопросам экономии энергии, сохранению окружающей среды и прогрессу в науке и технике. Финансировала эту программу компания General Motors.

Через три года стартовала вторая трансавстралийская гонка, в которой приняли участие 36 машин из девяти стран. В гонках 1993 г. принимали участие 52 солнцемобиля из 12 стран. Трехлетний перерыв между гонками позволяет конструкторам производить глубокий анализ достижений и корректировать основные тенденции развития этого вида транспорта. На вторых и третьих гонках "Санрейсер" не участвовал, и в 1990 году победили швейцарцы, а в 1993 году - японцы из компании "Хонда" (всего для участия в соревнованиях было представлено 20 японских машин). Затраты "Хонды" на машину под названием "Мечта" составили не менее $10 млн. "Мечте" удалось побить рекорд скорости, установленный "Санрейсером", но первый успешный солнцемобиль достоин того, чтобы на его примере рассказать об устройстве "аппарата".

Одним из принципиальных новшеств, примененных в "Санрейсере", является легкий бесколлекторный электродвигатель, разработанный фирмой General Motors. Главной изюминкой, позволившей добиться уникальных параметров двигателя, стало использование мощных постоянных магнитов из сплава железа, неодима и бора. Технологической особенностью изготовления таких магнитов являлось сверхбыстрое охлаждение расплава. Американским конструкторам удалось создать электродвигатель массой 3,6 кг, который обладал к.п.д. порядка 92 % при номинальной мощности. И хотя при обычном пробеге мотор развивал среднюю мощность всего лишь в 1 л.с., он мог увеличить ее до 4 л.с. при непрерывной работе, а кратковременно "выдавать" до 10 л.с. Это создавало предпосылки для легкого преодоления подъемов и быстрого разгона. Трансмиссия передавала крутящий момент от двигателя только на одно из двух задних колес, что позволило исключить потери в дифференциале, который был бы необходим при использовании двух ведущих колес.

Постоянные магниты были установлены на роторе электродвигателя, а обмотки размещены на статоре. Формирование вращающегося магнитного поля производится электронным коммутатором, который получает питание от аккумулятора. Современные быстродействующие электронные приборы, из которых собран коммутатор, позволяют очень точно подбирать амплитуду и фазу синусоидального тока, подаваемого на обмотки статора. Значения параметров тока зависят от многих факторов, в том числе от профиля дороги, выбранной скорости и ускорения. Одновременно к преобразователю предъявляется требование минимизации потерь энергии. В конечном итоге удалось поднять к.п.д. коммутатора до 96…98 % для широкого диапазона значений крутящих моментов и скоростей вращения вала электродвигателя.

Для увеличения общего к.п.д. электромобиля применен принцип регенерации: торможение осуществляется преимущественно двигателем, который при этом работает в режиме генератора. Примерно половина энергии, которая в ином случае рассеивалась бы в виде тепла в тормозных дисках, возвращается в аккумулятор. Преобразование энергии переменного тока электродвигателя в энергию постоянного тока, которая подзаряжает аккумулятор, осуществляют с помощью инвертора.
Принципиальная простота устройства электромобиля делает его реализацию чрезвычайно привлекательной. Двигатель имеет всего одну движущуюся часть - ротор, трансмиссия - только одну передачу. Торможение осуществляется главным образом двигателем, причем энергия торможения регенерируется. Отпадает необходимость в сцеплении, так как при остановке автомобиля двигатель просто не работает. Предполагается, что перспективный двигатель для электромобилей будет весить всего около 45 кг и развивать мощность до 100 л.с., т. е. обладать очень высокими техническими характеристиками.

Сегодня электродвигатели широко применяются в технике, в том числе и на транспорте. В городах они установлены на трамваях и троллейбусах, на железных дорогах - в электричках и электровозах. Но во всех этих случаях ток для электродвигателя берется из контактной сети, подвешенной над дорогой. Если захочется свернуть, то уехать далеко не удастся; вспомните кинофильм "Берегись автомобиля", в котором водителю троллейбуса в азарте погони пришлось свернуть в переулок: "рога" качаются - машина стоит.

Стало быть, нужен источник энергии на борту. На "Санрейсере" были установлены солнечные батареи и аккумулятор. Первоначально на электромобиле планировали применить кремниевые солнечные батареи, но затем выбор был изменен в пользу более дорогого материала - арсенида галлия, благодаря чему удалось увеличить к.п.д. батарей до 24 %. Известно, что у поверхности земли в ясный летний день плотность потока солнечной энергии составляет 1,0…1,5 кВт/м2. Очевидно, что при указанных значениях плотности потока энергии и к.п.д. для питания электродвигателя требуются солнечные батареи большой площади, да вдобавок они должны быть постоянно ориентированы на солнце (причем в движении). Очевидно, что обеспечивать перемещение наземного транспортного средства только благодаря солнечным батареям пока нереально. Тем более, что солнышко даже днем часто облака закрывают, а ночью оно светит не нам. Отсюда следует вывод, что при разработке электромобиля не следует "зацикливаться" только на идее использования солнечных элементов. Более целесообразным представляется все же использование мощных аккумуляторов, которые следует периодически подзаряжать от стационарных источников тока. Причем эти стационарные источники не только могут, но и должны в перспективе быть преобразователями солнечной энергии в электрическую. Это будет способствовать решению ряда экологических проблем.

Так, на "Санрейсере" элементом электрической системы были легкие серебряно-цинковые аккумуляторы электрической емкостью 3 кВт·ч и массой около 27 кг.

Но, как всегда, если в чем-то выигрываешь, то где-то и проигрываешь. Так, если серебряно-цинковые аккумуляторы можно использовать на соревнованиях, то они непригодны для автомобилей массового выпуска. Для электромобилей массового применения требуются долговечные, недорогие и легко перезаряжаемые аккумуляторы с высокой плотностью энергии. Электромобиль окажется приемлемым для городских условий, если его пробег без перезарядки аккумуляторов будет не менее 120…240 км. Так как перезаряжаемые аккумуляторы постепенно теряют емкость и требуют замены, их стоимость не должна быть очень высокой.

Во всем мире продолжаются исследования, связанные с созданием более совершенных аккумуляторов. Одним из наиболее перспективных кандидатов на эту роль считается серно-натриевый аккумулятор, имеющий плотность энергии в четыре раза выше, чем у свинцовых аккумуляторов. Более того, используемые в нем материалы недороги, а его емкость в принципе не снижается с увеличением наработки. В настоящее время керамические компоненты серно-натриевых аккумуляторов еще ненадежны, но если проблема будет решена, такие аккумуляторы смогут обеспечить пробег автомобиля без перезарядки протяженностью до 240…320 км и общий пробег до замены батарей не менее 200000 км. Наиболее существенным недостатком серно-натриевых аккумуляторов является то, что для нормального функционирования они требуют постоянной температуры порядка 350 °С.

Серно-натриевые аккумуляторы, смонтированные в специальных контейнерах, уже используются в нескольких экспериментальных электромобилях, которые созданы канадскими и немецкими конструкторами. Предполагается, что такие аккумуляторы найдут применение в электромобиле-фургоне, разработку которого осуществляет компания Ford Motor при финансовой поддержке министерства энергетики США.

Но, как всегда и бывает в технике, появилось еще одно устройство для получения электрической энергии. Называется оно топливным элементом или топливной батареей. Для его работы необходим водород и кислород. При их соединении выделяется энергии в пять раз больше, чем при реакции окисления углеводородных топлив (143 кДж/г против 29 кДж/г). Принцип работы основывается на возможности расщепления атомов водорода в присутствии катализатора на протоны и электроны, а также на том, что некоторые вещества способны пропускать сквозь себя протоны, а электроны нет. Полученный таким образом избыток электронов направляется во внешнюю электрическую цепь, где и совершает работу. В последнее время разработаны топливные элементы различной конструкции; некоторые из них проходят испытания на экспериментальных электромобилях. Это направление считается сегодня одним из наиболее перспективных. В последующих номерах будут опубликованы материалы, посвященные этим источникам электроэнергии.