Без имени

Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто

30% recurring commission
Выплаты в USDT
Вывод каждую неделю
Комиссия до 5 лет за каждого referral

Альтернативные источники энергии в электромобиле

Автор:

ГКОУ « Первый Московский кадетский корпус », СП №2

г. Москва, 8 класс

Научный руководитель:

ГКОУ « Первый Московский кадетский корпус », СП №2

г. Москва

2018 год

Альтернативные источники энергии в электромобиле

Автор : , 8 класс, город Москва

Государственное казенное общеобразовательное учреждение

КШИ №1 «Первый Московский кадетский корпус», СП №2

Аннотация.

Альтернативные источники энергии — это возобновляемые ресурсы, которые заменяет собой традиционные источники энергии. Причиной поиска альтернативных источников энергии во всем мире является потребность получать её из возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений.

Разработка и производство альтернативных источников энергии очень актуальны в наше время. Ученые всего мира пытаются решить проблему поиска таких источников и эта работа рассматривает один из альтернативных источников энергии в электромобиле.

В современном мире каждый пятый человек - автовладелец и заинтересован в том, что бы используемый им автомобиль был прост и надёжен, не дорог в эксплуатации и не вредил экологии. С помощью идеи, предложенной автором, будущее поколение может получить такой вид транспорта.

Цель работы – Изучение, поиск и разработка альтернативного источника энергии в электромобиле.

Задачи исследования:

изучить существующие источники энергии в электромобиле; получить все необходимые материалы для изучения альтернативных источников энергии; изучение альтернативных источников энергии, предположение о использовании такого источника в электромобиле; обосновать предложенный альтернативный источник энергии, путем сравнения с уже существующим. Выводы. Получение информации и теоретических навыков при изучении вопроса об альтернативных источниках энергии. С помощью альтернативного источника энергии можно увеличить дальность пробега электромобиля без подзарядки. Предложение своего альтернативного источника энергии в электромобиле.

Альтернативные источники энергии в электромобиле

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Автор: , 8 класс, город Москва Государственное казенное общеобразовательное учреждение

КШИ №1 «Первый Московский кадетский корпус», СП №2

Содержание:

Введение.

1. История создания электромобиля.

2. Возвращение электромобиля на мировой рынок.

3. Изучение и проработка информации о проблемах источника энергии в электромобиле.

3.1. Предложение своей концепции альтернативного источника энергии в электромобиле.

3.2. Проработка идеи.

Выводы.

Список источников.

Введение

Без энергии жизнь человечества немыслима. Все мы привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо – уголь, газ, нефть. Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. И рано или поздно они могут иссякнуть. Человечество давно задалось поиском альтернативных источников энергии - возобновляемых ресурсов, которые заменяют собой традиционные источники энергии. Причиной поиска альтернативных источников энергии во всем мире является потребность получать её из возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Обычные источники энергии функционируют на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Поэтому одной из задач при получении альтернативного источника энергии является его экологичность и экономичность.

В своей работе я хочу рассказать об альтернативном источнике энергии для электромобиля. Вернемся назад в прошлое и вспомним историю создания электромобиля.

История создания электромобиля

Электромобиль — транспортное средство, приводимое в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от автономного источника электроэнергии (аккумулятора ).

Сложно поверить, но история электромобилей на полвека древнее, чем у автомобилей. Так, если Карл Бенц построил свою бензиновую тележку в 1885 году, то первый электромобиль появился на свет ещё в 1830. Более того, в 1881 году появился на свет электромобиль, имеющий электрическое освещение. Следующий шаг состоял в улучшении аккумуляторной батареи, позволявшей автомобилям преодолевать большие расстояния без подзарядки. На рубеже 20-го века, электричество до сих пор считалось новинкой: лишь 3% домов имели доступ к электроэнергии. Многим, как в принципе и сейчас, было просто чертовски трудно найти зарядку. Томас Эдисон, отец электрификации мира, пророчил, что электроэнергия в качестве источника питания будущего имеет огромный потенциал, но особенно, подчеркивал он, она хорошо подойдет в расцветающей автомобильной промышленности.

Не только Эдисон, старался усовершенствовать вместительность батарей, которые были бы способны обеспечить электрические автомобили большей дальностью и большей мощностью отдачи тока. Здесь надо отметить французов Гастона Платье (1865) и Камиля Форе (1881). В 80-х годах XIX века Ральф Уорд запустил в Лондоне линию движения электрических омнибусов. Неудивительно, что именно Франция и Великобритания были первыми странами, которые на государственном уровне занялись популяризацией электромобилей.

Развитие электромобилей достигло высшей точки на переломе столетий. В то время электрические автомобили имели массу преимуществ перед бензиновыми - в стоимости, эксплуатации, в отсутствии вибрации, шума и запаха. Кроме того, надо учесть, что переключение передач на ранних бензиновых машинах было довольно трудным делом, а на их электрических собратьях этого не требовалось. Да и вообще, в электромобилях ручного труда для их запуска почти не требовалось, что, конечно, являлось их несомненным достоинством. Однако, не смотря на все свои плюсы и преимущества перед автомобилями с двигателем внутреннего сгорания, электромобили на долгие десятилетия покинули мировой автомобильный рынок. Тому было несколько причин :

1. Были построены дороги вполне приличного качества. Соответственно, потребовались транспортные средства, способные преодолевать большие расстояния без подзарядки.

2. Открытие в Техасе месторождений нефти снизило цены на бензин, что сделало автомобили с бензиновым двигателем более доступными и менее затратными в эксплуатации

3. В 1912 году Чарльз Кеттеринг изобрел электрический стартер, который избавлял от необходимости крутить ручку.

4. Генри Форд своим массовым производством автомобилей сбил цену до вполне приемлемого уровня. Цена на автомобиль с двигателем внутреннего сгорания стала в 3 раза ниже, чем на электромобиль.

Все это повлияло на производство и продажи электромобилей. Лидерами в национальной автомобильной промышленности стали автомобили с ДВС. Увеличение числа автомобилей ускорило рост нефтяной промышленности, а также развитие технологии производства бензина (вместо керосина и жидкого топлива из угля), а также развитие термоустойчивых минеральных смазочных материалов (вместо растительных и животных масел).

Примеры автомобилей того времени: (рис.1, рис.2).

Возвращение электромобиля на мировой рынок

В настоящее время человечество глобально стало задумываться об экологии окружающей среды. Транспорт является одним из самых мощных загрязнителей атмосферы. Наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, они выбрасывают оксиды углерода, азота, углеводороды ( СО, Nox, СnHn ). Дизельные ДВС выбрасывают сажу. В чистом виде она не токсична, но на своей поверхности может нести молекулы и частицы токсичных веществ. Этиловый бензин загрязняет воздух токсичными соединениями свинца, которые накапливаются в организме человека.

Крупнейшие автомобильные концерны поворачивают производство в сторону экологичного транспорта, делая ставку на электромобили. Гиганты мировой индустрии готовы вкладывать в разработку «машин на батарейках» миллиарды долларов. Уже через три года компании по производству автомобилей обещают электрифицировать 40 процентов всех своих моделей, а к 2030-му — абсолютно все.

Причинами, подвигнувшими компании на такой решительный шаг стали глобальное потепление и наступление века новых информационных технологий. На принятии такого решения повлиял и скандал с дизельным Volkswagen, который занижал показатели выброса в атмосферу вредных веществ. Однако решающую роль сыграли меняющиеся условия ведения бизнеса.

О возвращение на автомобильный рынок электромобиля на сегодняшний день заявили крупнейшие иностранные производители. Эксперты в России пока придерживаются мнения, что тотального перехода на электромобили в нашей стране не случится. Одни считают, что этому мешает плохо развитая инфраструктура зарядных станций, другие - экономические и технические проблемы, третьи уверены, что у России своя специфика развития и свой путь. Электромобиль хорош в странах, где тепло, ровные дороги и нет пробок. В России пока всё против электромобилей. Нужен серьезный технологический рывок. Речь идет о создании некого емкого аккумулятора, не дорогого в цене, обеспечивающего запас хода автомобиля хотя бы на 1 тыс. км. и быстро заряжающегося. Создание такого аккумулятора, по мнению ученых, долгий и трудоемкий процесс займет не 1 год. Также они предполагают высокую стоимость такого аккумулятора и соответственно электромобиля, что сделает его не доступным для массового покупателя.

Существующие в настоящее время электромобили без подзарядки могут проехать 150-200 км и стоимость такого авто 4 млн. рублей. Автокар, проезжающий 500-600 км ( американский Tesla Model S P100D, серийно выпускаемый электромобиль с самой большой дальностью хода ) стоит уже 7 млн. рублей. Конечно в мире существуют и совсем дешевые электромобили ( например, японский Baojun E100 стоит 36 тысяч юаней - $5,3 тысячи, который может эксплуатироваться только Японии; индийский Tata Nano - 500 000 рупий чуть больше 450 000 рублей, но пока находится в разработке). Высокая цена и отсутствие достаточного количества заряжающих станций отпугивают потенциальных покупателей, поэтому доля электромобилей в мировом рынке на данный момент ничтожно мала 1-2% от общего количества автотранспорта. Но Великобритания и Франция объявили о планах по запрету продаж бензиновых двигателей к 2040 году. Китай также хочет стать мировым лидером по производству электрокаров. Таким образом планируется увеличить процент продаваемых электромобилей к 2025 году-8 %, к 2030 году-24%, к 2040 году-54%.

Следует отметить, что высокая цена стоимости электромобиля полностью оправдана их низкой стоимостью в обслуживании и эксплуатации по сравнению с традиционными транспортными средствами. В электромобиле отсутствуют свечи зажигания, трансмиссия, не требуется замена масла и других расходных материалов. Электродвигатель состоит из меньшего числа подвижных деталей по сравнению с ДВС, поэтому вероятность неисправностей тоже ниже. А стоимость электроэнергии потраченной на месяц поездок на электромобиле более чем в 10 раз!!! ниже, чем стоимость топлива потраченного на такое же количество километров при эксплуатации автомобиля с ДВС.

К примеру, средняя потребляемая мощность АКБ электромобиля — 0,20 кВт. ч на 1 км. пути. В среднем автовладелец - любитель проезжает в день 70 км, 2100 км. в месяц соответственно. Что бы проехать 2100 км. владелец электромобиля должен потратить 420 кВт. ч и 752 рубля ( 2100х0.20=420 кВт. ч. х 1.79 рубля — ночной тариф при трехфазовом счетчики в г. Москва конец 2017 года). ВСЕГО 752 рубля за месяц! Владелец традиционного авто на те же 2100 км потратит 7 749 рублей! ( из расчета в среднем 9 литров бензина марки 95 по средней стоимости 41 рубль за литр топлива в г. Москва конец 2017 года на 100 км. пробега). Разница в сумме затрат на топливо 1:11. Плюс владельцам машин с ДВС приходиться расходовать дополнительные денежные средства на масла, присадки и фильтры.

Изучение и проработка информации о проблемах источника энергии в электромобиле

Теперь обратимся к проблемам электромобиля. Итак, мы выяснили, что основной проблемой в производстве автокаров является малая ёмкость батареи и отсутствие достаточного количества станций подзарядки. Вторая проблема более легкая и решается за счет дополнительного субсидирования государством. В настоящее время строительство зарядных станций развивается очень стремительно и не только в связи с заявлением мировых лидеров в производстве автомобилей о запрете производства авто с ДВС. Рынок производства электромобилей идет на подъем и это вызывает потребность в строительстве новых электрозаправок повсеместно.

Первый вопрос разработчики и производители пытаются решить с самого «рождения» электромобиля. Именно несовершенство АКБ является причиной минусов автокара - ограниченного запаса хода и длительного времени заряда. Основной проблемой малой дальности хода электромобилей является небольшая энергетическая плотность аккумуляторов, из-за которой батареи получаются тяжелыми с относительно малой емкостью. Увеличить емкость аккумуляторов исследователи пытаются разными способами, включая поиск разных составов электролита.

Аккумулятор электромобиля – это узел, который умеет накапливать энергию и затем отдавать ее. Однако накопление энергии, т. е. зарядка АКБ, требует немало времени, а если необходимо уменьшить время заряда – значит нужно уменьшить и сам аккумулятор, что ведет к сокращению запаса хода электрокара, отсюда - замкнутый круг! Сейчас его пытаются разорвать многие компании и гении-самоучки, но что получится в итоге, какое решение будет лучшим – пока сказать сложно. Однако уже наметилось два направления работы: создание совершенно новых конструкций и доработка уже существующих аккумуляторов.

Предложение своей концепции альтернативного источника энергии в электромобиле

Мне кажется, что в 21 веке — веке информационных технологий наибольшее внимание стоит уделить разработке и созданию совершенно новых конструкций для увеличения дальности хода электромобиля. Здесь нам на помощь могут прийти альтернативные источники питания. Дополнительно получаемая энергия поможет дольше поддерживать заряд АКБ, что позволит автокару проезжать гораздо более длительные расстояния без подзарядки. И такие альтернативные источники уже изобретены! Так например, команда инженеров из Висконсинского университета в Мэдисоне разработала способ получения энергии из трения автомобильных шин о дорогу. Вооружившись созданными в лаборатории наногенераторами и игрушечными машинками-джипами, учёные показали, что сила трения может быть преобразована в электричество.

(рис.3,рис.4)

Доцент материаловедения и инженерии Сюйдун Ван (Xudong Wang) утверждает, что на трение шин автомобиля о поверхность земли расходуется примерно 10% автомобильного топлива, т. е. 10% заряда АКБ. Задачей китайских инженеров стала разработка устройства, которое могло бы помочь решить данную проблему.

Идея их разработки основана на использовании электрического заряда, который генерируется, когда разные материалы трутся друг о друга (так, статическое электричество появляется, если провести гребнем по волосам). Данное явление известно как трибоэлектрический эффект, и оно было использовано на ранней стадии развития таких перспективных технологий, как электрогенерирующая одежда и сенсорные экраны.

Основа концепции Вана – встроенные в секции шины электроды. Когда колесо вращается и шины вступают в контакт с землёй, за счёт трения создаётся заряд, он заставляет электроны в электроде двигаться – генерируется энергия.

Чтобы проверить жизнеспособность концепции, команда оснастила игрушечный джип светодиодными лампами. Когда машина двигалась, вырабатываемой мощности хватало на то, чтобы заставить лампы загореться. Это натолкнуло учёных на мысль, что энергия, которая до сих пор тратилась впустую, может быть использована с пользой.

Также исследователи обнаружили, что количество энергии, производимое системой, пропорционально весу транспортного средства и скорости, с которой оно движется.

Проработка идеи

В данной работе я хочу рассказать о своей радикальной идее использования альтернативного источника энергии для увеличения километража автокара без основной подзарядки. Для более полного представления о моей идее обратимся к другому виду транспорта — поезду.

Откуда в поездах берется электроэнергия? В электропоездах пригородного сообщения (электричках) - из проводов над вагонами. А в поездах дальнего следования, которые тянет тепловоз - оттуда же, откуда и в автомобиле - от аккумуляторной батареи и генератора, устройства, преобразующего механическую энергию в электрическую. В пассажирском поезде ( в товарных вагонах электричество чаще всего не требуется, разве что в холодильных камерах рефрижераторов ) такие батареи находятся под полом вагона. В специальных ящиках, которые закрываются от доступа посторонних.

Со стороны это может выглядеть так (рис.5,рис.6).

Для подзарядки этих аккумуляторов существуют генераторы. Они так же имеются в каждом пассажирском вагоне. Они бывают разного исполнения, но в целом, все сводится примерно к такой конструкции (рис.7).

Таким образом, вагон получает энергию при движении состава. На стоянке питание осуществляется от аккумулятора. Режим зарядки батареи и управление потребителями вагона осуществляется с пульта находящегося в купе проводника.

Однако, у вагона есть еще отопление, которое в наше время выполнено электрическим. Оно является сильнейшим потребителем, и не может питаться от генератора вагона. Для его питания существует специальная электрическая сеть, которая подключается к бортовой сети электровоза, и соединяется с ним специальным кабелем. Наличие такого кабеля говорит о том, что данный локомотив оборудован для движения с пассажирским поездом.

Ну и наконец, сам источник электричества, контактная сеть (рис.8,рис.9).

На участках с тепловозной тягой, источником питания становится тепловозный генератор, который раскручивается дизелем.

Мы выяснили, что поезд получает электроэнергию из контактной сети ( централизованная высоковольтная система питания), при помощи специального Вагона-электростанции ( бывают мотор-генераторными и дизель-генераторными ) и из АКБ, которые подзаряжаются с помощью генераторов ( автономная система электроснабжения ).

Подробнее рассмотрим автономную систему электроснабжения. На пассажирском вагоне имеется минимум два источника питания: аккумуляторная батарея и генератор.

При движении питание производится от генератора. Вал генератора приводится во вращение с помощью механической передачи, которая называется приводом генератора. У большинства пассажирских вагонов генератор начинает работать на скорости 35-40 км/ч. Если скорость движения меньше, то питание идёт от аккумуляторной батареи (наиболее часто применяется щелочная никель-железная батарея). В качестве генераторов используют следующие виды электрических машин:

генераторы постоянного тока (на более старых вагонах) генераторы переменного тока

Генератор переменного тока подключается к аккумуляторной батарее через трёхфазный выпрямитель. Все потребители рассчитаны на постоянный ток, как и в предыдущей системе. Преимущество — отсутствие в генераторе переменного тока быстроизнашивающегося щёточно-коллекторного узла.

Мощность любого генератора составляет примерно:

редуктор

Если скорость движения поезда мала или он не движется, то напряжение на выходе генератора отсутствует, либо недостаточно для питания потребителей. Если поезд движется с высокой скоростью, то напряжения генератора становится выше ЭДС аккумуляторной батареи. При этом ток в аккумуляторной батарее меняет направление и она становится одним из потребителей (накапливает электрическую энергию). Обратный диод предотвращает разряд аккумулятора через обмотку неработающего генератора, когда поезд не движется, при генераторе переменного тока такой проблемы нет — там роль обратного диода выполняют диоды выпрямителя.

Сравнительный анализ с существующим источником энергии

Исходя из вышеописанного, я предположил, что в электромобиле как и в поезде можно использовать принцип автономной системы электроснабжения. Использование генераторов зарядит АКБ, а следовательно существенно увеличит дальность ходя автокара без основной подзарядки от электрозаправки. Предположительно на автокар, по моему мнению, следует установить 2 генератора. Они должны располагаться в передней части автомобиля, т. к. электромобили, как правило, являются переднеприводными, следовательно 2 передних колеса — ведущие. Эти колеса должны быть оборудованы дополнительными дисками с пазом для ремня, посредством которого энергия крутящего момента колеса будет передаваться в генератор, который затем преобразует эту механическую энергию в электрическую. Таким образом АКБ сможет получать заряд во время движения электромобиля, и чем выше будет скорость авто, тем больше заряда получит батарея и следовательно автомобиль сможет проехать гораздо большее расстояние без подзарядки.

Также я бы изменил корпус электромобиля для улучшения аэродинамики. Ведь первые автокары были созданы как раз в таком виде (рис.11).

Для того, что бы проверить жизнеспособность своей идеи я провел небольшой опыт.

Все мы знаем, что фонарик на велосипеде, как и шлем на голове, штука необходимая и особенно в темное время суток без него никак не обойтись. Современные фонарики ярко светят, работают от батареек и имеют несколько режимов работы. Но вернемся на 10 – 15 лет назад. Тогда принцип выработки энергии для велосипедного фонарика основывался на превращении механической энергии с помощью механизма в электрический ток. Роль такого механизма выполняла динамо машина ( динамка ), рис.12, рис.13.

Итак, я купил динамку и лампочку. Динамку с помощью сантехнического хомута я закрепил на вилке заднего колеса велосипеда. К лампочке припаял два провода не сильно толстых, а конец проводов подсоединил к динамке ( плюс ) и к раме велосипеда ( минус ). Чтобы лампочка светилась нужно прижать динамку к колесу и раскрутить его. Вращение передает колесо велосипеда, а соприкасаются колесо и головка динамки в специальных местах покрышки колеса велосипеда. То есть на каждой стороне покрышки велосипеда имеется ребристая полоска, которая обеспечивает наилучший контакт с головкой динамо-машины, которая имеет аналогичную характерную ребристость. Динамо-машина во время работы издает характерный звук, похож на звук от машинки на радиоуправлении. Раскручивая колесо велосипеда, я убедился, что механическая энергия посредством динамки превращается в электрический ток, питающий лампочку.

Выводы

При конструировании и разработке автономной системы электроснабжения мы должны учесть так же и тот факт, что заряд АКБ от генераторов не будет вечен. Через какое-то расстояние аккумулятор полностью разрядится и нужно будет снова его зарядить от электросети. Речь идет о потерях. Потери на нагрев АКБ, при зарядке устройства, потери в самом автомобиле (в системе управления электродвигателем и в самом электродвигателе). К слову, одни только потери составляют (в среднем) 40% + 10 % энергии батареи расходуется на трение шин о поверхность дорог. А большинство современных АКБ имеет мощность 50-75 кВт. ч. (Tesla Model S — 100 кВт. ч.), т. е. на сам километраж до следующей подзарядки у нас остается 50 % или около 25-35 кВт. ч. В среднем все электромобили потребляют около 30 кВт. ч. на каждые 160 км. пробега (Tesla Model S – 35 кВт. ч., Chevrolet Spark-28 кВт. ч.). Таким образом подтверждаются данные о пробеге машины на полностью заряженной АКБ (150-200 км), заявленные выше. Использование автономной системы электроснабжения позволит при движении автокара восполнять 50% АКБ, таким образом помогая увеличить дальность пути. НО и здесь присутствуют потери. Количество энергии, получаемое аккумулятором всегда меньше отдаваемого. КПД генератора переменного тока меньше, чем КПД электродвига% против 90%-95%) , соответственно 1:3. Значит получаемая электроэнергия будет в 3 раза меньше потребляемой. Но даже такие самые скромные подсчеты увеличивают дальность пробега электромобиля уже на 1/3 от заявленного производителем расстояния без дополнительной зарядки. А если еще предположить самый смелый вариант использования альтернативных источников энергии в совокупности с АКБ из графена ( Графен – это новый материал, являющий собой пленку толщиной в один слой атомов углерода, объединившихся в виде 6-угольной звезды. В 2004-м году его изобрел Константин Новоселов, российский ученый, ныне работающий в Великобритании, за что и получил Нобелевскую премию по физике еще в 2010-м году. Графен имеет отличные способности для этого: быстро накапливает энергию - полный заряд АКБ за 10 минут; много хранит - хорошее отношение емкости к весу; не требует охлаждения - низкая теплотворная способность, при правильной конструкции АКБ можно обойтись естественной вентиляцией ), то будущее поколение получит самый совершенный и экологически безопасный электромобиль (рис.14).

Список литературы :

1. Электромобиль - Википедия

2. Электромобиль

( http://systemsauto. ru/engine/electric-car. html )

( http://k-a-t. ru/PM.01_mdk.01.01/2_avto_electro/index. shtml )

3. Электромобили начала XX века: история

( https://www. popmech. ru/vehicles/13652-vpered-v-proshloe/ )

4. Железнодорожные вагоны ( введение в дисциплину) : 5.5.1 Система автономного электроснабжения

( http://www. vagoni-jd. ru/sitemap. php )

5. Системы электроснабжения пассажирских вагонов

( http://www. transpovolume. ru/ranvols-359-1.html )

6. Новости мировых производителей автомобилей