Каталог
ZV
ездный б-р, 19
+7 (495) 974-3333 +7 (495) 974-3333 Выбрать город: Москва
Подождите...
Получить токен
Соединиться
X
Сюда
Туда
x
Не выбрано товаров для сравнения
x
Корзина пуста
Итого: 
Оформить заказ
Сохранить заказ
Открыть корзину
Калькуляция
Очистить корзину
x
Главная
Магазины
Каталог
Мои заказы
Корзина
Магазины Доставка по РФ
Город
Область
Ваш город - ?
От выбранного города зависят цены, наличие товара и
способы доставки

Среда, 23 июня 2021 11:11

Третья авиационная революция: электричество витает в воздухе

короткая ссылка на новость:
Появление в ближайшем будущем массового летающего автомобиля связано с совершенствованием трех технологий: литий-ионные аккумуляторы, электрические распределенные силовые установки и полностью автоматические системы управления. Поговорим об аккумуляторах. (Продолжение. Начало см. в статье «Мир накануне третьей авиационной революции»).
авиационная революция

Литий-ионные аккумуляторы, пригодные для практического использования, появились в 1991 году, а в 2019 году троим их изобретателям вручили Нобелевскую премию, тем самым подчеркнув значение их открытия для прогресса человечества. Благодаря литий-ионным батареям появились мобильные телефоны, которые можно носить в кармане, планшеты и ноутбуки толщиной в несколько сантиметров, гироскутеры, моноколеса, квадрокоптеры, электросамокаты, электробусы и многое другое.

И мир продолжает стремительно меняться благодаря этому открытию. Еще год назад несчастные курьеры из пиццерии неподалеку от офиса НИКСа в любую погоду натужно крутили педали раздолбанных велосипедов со своими коробами за спиной. А теперь все они с тихим свистом носятся на электровелосипедах, лихо подрезая «Мерседесы». И ничего крутого в их транспортных средствах нет. На некоторых аккумуляторы просто изолентой к рамам прикручены. Но едут!

электросамокат

А какая дискуссия этим летом развернулась вокруг электросамокатов! Лет 15 назад в Пекине довелось дивиться тому, что одну треть практически всех улиц, включая знаменитую площадь Тяньаньмэнь, занимали выделенные велосипедные полосы. Машин в Пекине уже тогда было очень много, но и велосипедистов оставалось тьма. И это были вовсе не хипстеры. (Выше справа фото 1990-х годов, но и в 2000-х в Пекине все было так же.) Это зрелище нам, цивилизованным россиянам, тогда казалось довольно забавным. Но вполне возможно, что вскоре эта практика найдет применение в Москве. А что еще придумать, если десятки тысяч людей захотят передвигаться по городу с ветерком на электросамокатах, моноколесах и прочих средствах индивидуальной мобильности на батарейках?

энергоемкости и мощности различных батарей

Впрочем, электросамокаты – это, конечно, круто, но, на первый взгляд, серьезным конкурентом традиционным бензиновым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) литий-ионная батарея не выглядит. Хотя удельная емкость и удельная мощность у нее повыше, чем у других типов аккумуляторов (см. график выше слева), но не на порядок, между тем энергоемкость бензина выше в 60 раз (12 000 Вт*ч/кг против 200 Вт*ч/кг – см. график справа). Казалось бы, какое тут вообще может быть сравнение? Но давайте посчитаем.

Возьмем, для примера, сравнение бензинового автомобиля с электрическим. У бензина энергоемкость гораздо выше, но не забываем, что КПД ДВС составляет всего 20%, поэтому, например, бензиновые генераторы выдают лишь 2500 Вт*ч с каждого килограмма сожженного топлива. Но и это в 13 раз больше, чем можно выжать с килограмма литий-ионного аккумулятора.

Батарея электромобиля Tesla S

Считаем дальше. Батарея электромобиля Tesla S (на фото выше – вся его силовая установка, включая батарею в полу, электромотор, инвертор и редуктор) имеет емкость 85 кВт*ч при массе 450 кг, что дает удельную емкость 189 Вт*ч/кг. Электромотор Tesla S весит 30 кг. Пусть с редуктором, инвертором и проводами набежит еще столько же. Итого 60 кг. Вместе с батареями получаем 510 кг. Приняв КПД электродвигателя 80%, получаем, что условный запас хода составляет 68 кВт*ч. Если верить паспортным данным Tesla S, этого хватает на 425 км пути (не забываем про рекуперацию при торможении) при мощности электродвигателя в 362 л.с.

Бензиновый двигатель такой же мощности весит около 150 кг. Прибавим сюда 80 кг массы трансмиссии. Получаем 230 кг. Тот же условный запас хода в 68 кВт*ч при КПД в 20% обеспечит всего 26 кг бензина. Поскольку, в отличие от аккумуляторов, бензин расходуется в пути, возьмем в расчет лишь его половину – 13 кг. Массу бака учитывать не будем. Итого выходит 243 кг. Как видим, разница в массе силовых установок плюс запаса топлива при том же запасе хода всего в два раза. Это тоже много, но отличие уже не на порядок.

При этом, по прогнозам специалистов, в ближайшие несколько лет технологии серийных тяговых литий-ионных аккумуляторов будут совершенствоваться: их стоимость уменьшится в два раза, а удельная энергоемкость достигнет 400 кВт*ч/кг. (Хотя это, видимо, предел, на котором литий-ионная революция закончится. Уже есть твердотельные литий-ионные аккумуляторы, чья энергоемкость в теории может достигать 1000 кВт*ч/кг, но они имеют размер с монету.) Если цифру 400 кВт*ч/кг подставить в вышеприведенные расчеты для Tesla, то масса аккумуляторной батареи уменьшится более чем в два раза и составит 213 кг. Итого получим 273 кг массы для силовой установки электромобиля против 243 кг ДВС+трансмиссия+бензин для обычного авто с той же мощностью и запасом хода. Практически паритет.

Здесь есть, конечно, нюансы в плане того, что аккумуляторные батареи не рекомендуется разряжать до нуля, поэтому их реальный запас энергии на 10-20% меньше, хотя в безвыходной ситуации и их можно использовать. Кроме того, мощность батарей может падать по мере разрядки, но и ДВС свои 350 л.с. выдает только на определенных оборотах (почему и нужна тяжеленная и сложная трансмиссия), а электромотор развивает максимальный крутящий момент с первого же оборота. Это обеспечивает потрясающие разгонные характеристики.

транспорт

Что говорить, если даже производители суперкаров вроде Lamborghini объявили о переходе в скором времени на электричество. И дело не только в экологии. Настали времена, когда чуть ли не любой курьер из пиццерии может в гараже сделать электрическое транспортное средство с разгоном до сотни в переделах двух секунд. И это не совсем даже шутка, потому что в гонке от светофора хороший электросамокат обычному автомобилю не уступит.

Однако нас интересует транспорт, рожденный летать, а не ездить. Для автомобиля лишний вес не так принципиален. Он и на свинцово-цинковых аккумуляторах поедет. Иное дело летательный аппарат. Со свинцово-цинковыми аккумуляторами он просто не взлетит. Тем более вертикально. Кроме удельной энергоемкости важна еще и удельная мощность (вертикальная ось на левом графике в начале статьи). Аккумуляторы должны уметь выдавать достаточно л.с. с одного кг, чтобы поднять в воздух себя плюс сам аппарат с грузом.

К примеру, мощность бензинового двигателя легкого двухместного вертолета Robinson R-22 составляет 124 л.с. (92 кВт). Этого достаточно для вертикального взлета аппарата массой 621 кг. Итого получаем 148 Вт/кг в качестве референтного значения. Удвоим эту цифру, поскольку аккумулятор должен поднять не только каждый свой кг, но и хотя бы еще по кг полезного груза в довесок. Учтем КПД электромотора в 80% и получим 370 Вт/кг в качестве условной черты, ниже которой аккумулятор для ЛА с вертикальным взлетом практически бесполезен.

Удельная мощность современных литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, то есть годных для использования в транспорте, в последние годы как раз и вышла на уровень в 400 Вт/кг. А вот удельная мощность свинцово-цинковых аккумуляторов составляет всего 180 Вт/кг. То есть он сам себя еле поднимет. Удельная мощность никель-кадмиевых аккумуляторов составляет 150-200 Вт/кг. Тоже маловато. Разумеется, есть, например, никель-металлогидридные аккумуляторы, у которых удельная мощность может доходить до 1000 Вт/кг, но при удельной энергоемкости всего в 100 Вт*ч/кг. То есть ЛА с такими аккумуляторами взлетит, но летать будет очень недолго. Есть уже и литий-ионные аккумуляторы с удельной мощностью до 1800 Вт/кг, но с энергоемкостью в 120 Вт*ч/кг. Этого тоже не хватит на длительное пребывание в подвешенном состоянии.

Важно именно сочетание характеристик. Плюс такие качества, как число циклов заряда-разряда, которые может выдержать аккумулятор за время эксплуатации, рабочие температуры, время перезарядки, стоимость в конце концов. К примеру, давно известны серебряно-цинковые аккумуляторы с характеристиками лучшими, чем у литий-ионных, но они дороги. В быту их используют в виде батареек-таблеток. В качестве тяговых батарей их применяли в лунных вездеходах по программе Apollo, но для массовых электромобилей они не годятся. Сегодня много говорят о суперконденсаторах, которые очень быстро заряжаются, выдерживают практически неограниченное число циклов зарядки-разрядки, обладают чрезвычайно высокой удельной мощностью, но их удельная энергоемкость составляет всего 5-10 Вт*ч/кг.

Именно по сочетанию всех характеристик литий-ионные аккумуляторы сделали практически возможным создание ЛА на электрической тяге. То есть на свинцово-цинковых аккумуляторах ЛА вообще не взлетит. На никель-металлогидридных взлетит, но ненадолго. На серебряно-цинковых полетит хорошо, но дорого. А на литий-ионных взлетит при умеренной стоимости и продержится в воздухе время, достаточное для решения практических задач – например, для коротких перелетов по городу. Нам ведь всего-то и надо что перепрыгнуть пробку в час-пик. Иногда для этого достаточно перелететь на соседнюю крышу за рекой.

арсианский вертолет Ingenuity

С литий-ионными аккумуляторами ЛА взлетел уже даже на Марсе. Марсианский вертолет Ingenuity (на фото выше), ставший в 2021 году первым «механическим» ЛА на другой планете (если не считать советских аэростатов на Венере в 1984 г.), имеет массу 1,8 кг, из которых 273 г приходится на аккумулятор емкостью 40 Вт*ч, что дает удельную энергоемкость 145 Вт*ч/кг. Этого хватает на целых 2,5 минуты полета в атмосфере, в 170 раз менее плотной, чем земная (правда, при меньшем в 2,6 раза тяготении).

ракеты «на батарейках»

Что говорить, если появились даже ракеты «на батарейках». Сверхлегкая американская ракета-носитель Electron (на фото выше), выводящая 250 кг на низкую орбиту, на первой ступени использует 9 жидкостных ракетных двигателей «Резерфорд», топливо в которые подается не турбо-, а электронасосными агрегатами. Блока литий-полимерных аккумуляторов массой около 300 кг хватает на то, чтобы в течение 2,5 минут питать 18 электромоторов мощностью 50 л.с. каждый и скоростью вращения 40 000 об/мин. Создатели этой ракеты утверждают, что еще 4–5 лет тому назад подобное невозможно было себе представить, но бурный прогресс в области литий-ионных аккумуляторов изменил ситуацию.

Летающая доска

Это видео из ночного Лос-Анджелеса выглядит настолько нереально, что многие принимают его за фейк. Но съемки настоящие. Летающая доска американского изобретателя Хантера Коварда поднимает 227 кг при собственной массе в 113 кг. И она безопасно приземляется при отказе двух двигателей из восьми. Аккумуляторов хватает на 20 минут полета. И стоит это чудо техники всего 20 тыс. долларов.

электромотор

К сказанному выше следует прибавить и прогресс в области электромоторов. К примеру, относительно недавно появились электродвигатели с аксиальным магнитным потоком (за рубежом их часто называют Magnax), которые отличаются расположением магнитов: обмотки ротора и статора не вкладываются одна в другую, как в традиционном электромоторе, а представляют собой два диска. Такая конструкция более компактна, а главное – отличается более высокой удельной мощностью: 15 кВт/кг против 5 кВт/кг у традиционных электромоторов.

Впрочем, никто не мешает, казалось, использовать все преимущества этих электромоторов, не жертвуя дальностью полета из-за малой энергоемкости аккумуляторов. Для этого можно применять не чисто электрические, а гибридные схемы: турбину или ДВС в союзе с генератором, небольшой буферной батареей и электромоторами. Наконец, можно задействовать топливные элементы. Почему в случае с автолетами этого не делают, расскажем в следующих статьях.

Продолжение следует. Начало см. в статье «Мир накануне третьей авиационной революции»

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям; это агропромышленный комплекс «Тюринский» площадью 19 800 га в Тульской области, который по производительности труда сопоставим с немецкими фермерскими хозяйствами.

Источник: НИКС - Компьютерный Супермаркет

подписаться   |   обсудить в ВК   |   

Комментарии к статье из сети в Вконтакте


открыть страницу обсуждения



Lazytech
Здравствуйте, rustler, Вы писали:

R>Image: ps1624001544.jpg

R>https://www.youtube.com/watch?v=Pv5JQnmD1Yk

R>Это видео из ночного Лос-Анджелеса выглядит настолько нереально, что многие принимают его за фейк. Но съемки настоящие. Летающая доска американского изобретателя Хантера Коварда поднимает 227 кг при собственной массе в 113 кг. И она безопасно приземляется при отказе двух двигателей из восьми. Аккумуляторов хватает на 20 минут полета. И стоит это чудо техники всего 20 тыс. долларов.

Нашел еще одно видео с того же канала, очень похожее на кинофантастику:

https://www.youtube.com/watch?v=Ibdp1aNGrzY

Для сомневающихся, вот респектабельный источник:

https://www.youtube.com/watch?v=AUq3mBuENiw
23-06-2021 12:24   ответить     перенести в VK
rustler
Здравствуйте, Lazytech, Вы писали:

L>Нашел еще одно видео с того же канала, очень похожее на кинофантастику:

Да, красиво. Думается, скоро начнутся чемпионаты по воздушному серфингу, как по горнолыжному, со всякими кульбитами и мертвыми петлями.
23-06-2021 20:25   ответить     перенести в VK