Мне эта тема интересна. Принцип понятен. Недостатки есть, но они устранимы. Тем не менее, я пока не погружался в эту тему настолько глубоко, чтобы обладать объективной информацией касательно причин её неразвитости с точки зрения промышленного внедрения.
Буду благодарен, если вы озвучите свое мнение на этот счет.
Благодарю за ответ и развернутый комментарий с графиками!
Да, что касается набегающего потока - я внёс правки и дополнения - добавил шестую главу с указанием этих закономерностей.
Кстати, Propeller Selector позволяет увидеть эффект вырождения винта, если начать добавлять значение скорости набегающего потока в первой строке "Air Speed" :)
"Когда время перезарядки электромобиля не будет превышать время заправки авто с ДВС?"
Уже есть модели Li-ion ячеек, которые допускают ток заряда в 3С (в три раза больше, чем численное значение емкости). Например: https://www.molicel.com/inr21700-p45b/ Это означает, то до 85-90% SoC такая батарея может зарядиться за 20 мин.
Тут мы попадаем в ситуацию, где вопрос по скорости зарядки должен быть задан не разработчикам аккумуляторов для электромобилей, а к разработчикам энергосетей и городских электрических коммуникаций.
Если взять условную батарею с запасом энергии 75 кВт-ч (Тесла), то режим 3С означает, что сетевое подключение электромобиля должно пропускать сквозь себя мощность в 225+ кВт. Здесь я выхожу за рамки своей компетенции, но что-то мне подсказывает, что не в каждом населенном пункте можно построить станцию зарядки электромобиля, рассчитанную на одновременную зарядку нескольких электромобилей с мощностью порядка мегаватта в связи с недостаточными параметрами существующей на тех местах электрической инфраструктуры.
"Не сориентируете ли - что научно-популярного почитать про мезоатомы, попытки использования энергии невалентных электронов и всё вот это вот?" К сожалению, кроме вышеупомянутого цикла статей "Цивилизация пружин" других подробных и емких материалов по этой теме я не встречал (можно на английской Википедии порыться - есть немного по этой теме). В интернете информация крайне разрознена и приходится собирать её буквально по крупицам. Я даже ловлю себя на мысли, что "мировое сообщество" что-то специально скрывает и где-то в недрах американской "Зоны 51" на установках сверхвысокого давления получают первые образцы плотноупакованной материи. И все данные об экспериментах тщательно секретятся, так как первые, кто получат новые материалы - это военные. Сверхпрочная броня для танков, новые двигатели для боевых самолетов и т.д.
Законы производства товаров массового спроса. Налажены конвейеры, производящие миллиарды таких батареек. Есть дешевая солевая химия, для более требовательных пользователей - щелочные ("алкалиновые") батарейки, а уже для совсем искушенных - всякие литиевые одноразовые элементы типа Enerqizer Ultimate Lithium и N-Mh аккумуляторы Eneloop :) Рынок поделен, все привыкли к нему, большинство пользователей всё устраивает. Разрядились батарейки - выкинул - пошел в "Пятерочку" - купил новые.
К тому же, выпущено огромное количество электроники, работающей на батарейках такого формата имеет закрывающийся отсек, куда вставляются элементы питания. А это означает плохую вентиляцию и кислородное голодание для любых металло-воздушных схем.
Поэтому, полагаю, инвесторы не торопятся вкладываться в проекты внедрения для бытового применения на чрезвычайно конкурентном рынке новой химической конструкции, которая еще порядком имеет много слабых мест. Крайне высокие риски для капитала.
Внес дополнительную главу в статью, поясняющий ситуацию с винтами на самолетах. Самолеты движутся со значительной скоростью, там выбор диаметра винта осуществляется несколько по другим законам, чем для статики и случаев неподвижного висения.
Да, расчеты представлены для условной бесконечно длинной трубы. Никакие снижающие удельную тягу эффекты - не учтены специально, как раз для того, чтобы увидеть тот самый идеальный теоретический максимум, предел возможной эффективности, накладываемый фундаментальными законами физики: законом сохранения энергии и импульса.
Реальные винты никогда не будут прилегать идеально к стенкам трубы, у многим винтов трубы вовсе нет (как у парамоторов, квадрокоптеров и самолетов) - поэтому их удельная тяга заметно ниже, чем теоретически максимальная. Как раз, чтобы понять, насколько они далеки от этого идеала - и написана эта статья.
Самая эффективная идеальная пропульсивная система - эта, та, которая каким-то волшебным путем преобразует энергию от источника питания в поступательное согласованное движение молекул воздуха в одном направлении вдоль оси трубы. Такого волшебного способа у нас нет, нам приходится в трубу что-то засовывать и крутить там, что неизбежно снижает эффективность относительно варианта идеального. Понять, насколько вращающаяся система приближается к идеальной волшебной - помогает вычисление коэффициента согласно формулам в материалах этой статьи.
Работа воздушных винтов на большой скорости - это уже другая история. Там большой винт может начать проигрывать маленькому из-за эффекта вырождения (уменьшение относительной поступи винта).
Потому что у них мощность несколько десятков ватт. Можете подставить значение мощности, написанное у них на этикетке и посчитать, сколько грамм тяги они развивают.
150 кВт-ч - это эквивалентно 50 кг бензина или полному 66-литровому баку. Современные экономичные ДВС-автомобили также способны от одного бака достичь дальности хода в 1000 км, если производить лабораторные замеры и применять эко-стиль вождения. В статье речь идет об ориентировочных цифрах на уровне порядков, поэтому данный пример подтверждает правило об энергетическом отставании Li-ion аккумуляторов в 10-15 раз по сравнению с силовой установкой на ДВС.
2 При разработке электрокара, инженеры, зная, что в распоряжении у них небольшой энергетический запас - стараются более внимательно подойти к моментам связанным с аэродинамическим сопротивлением, трением колес о землю и т.д. Поэтому расход в Вт-ч на 1 км пути у некоторых электромобилей действительно может быть заметно меньше, чем у бензиновых автомобилей. Но это никоим образом не имеет отношения к прямому сравнению энергетики Li-ion и бака бензина.
Не стал, чтобы не перегружать статью. На широком потребительском рынке данный источник питания не представлен, а принципиально - всё такое же сгорание горючего с энергетическим выходом несколько эВ/атом.
Всё, что мне известно - это то, что на рынке мне не попадались аккумуляторные батареи или ячейки данной химической системы. Или любой другой, которая взаимодействует с кислородом воздуха. По какой-то причине, задерживается выход аккумуляторов такого типа на потребительский рынок. Буду признателен за предоставление любой современной информации, раскрывающую суть проблемы.
Десяток МДж. Вот теперь всё правильно. Пружинно-электровольтный предел как раз и составляет несколько десятков мегаджоулей на килограмм. Мегаватт-час на килограмм - это 3.6 ГДж/кг, значение на три порядка выше и никакими ухищрениями для современного развития науки и техники для химических или кинетических накопителей энергии недостижимо. А вот первая цифра вполне достижима для супермаховика, если использовать легкие материалы с пределом прочности близкому к таковому для углеродных моноатомных нитей (несколько десятков ГПа).
P.S. книжечка Нурбея Гулиа была прочитана в свое время :) Перспективно, но на мой взгляд, современные Li-ion батареи сильно оттеснили эту супермаховичную технологию. Особенно там, где требуется компактность, как например, в случае электровелосипеда. Супермаховик должен дать выигрыш с точки зрения рентабельности в крупных стационарных установках накопления энергии. Здесь он выглядит вполне конкурентноспособным.
Какую энергию на 1 кг веса сможет запасти супермаховик, сделанный из этого материала? 6000 000 000 / 1780 = 3 370 000 = 3.37 МДж. Около 936 Вт-ч/кг. С учетом коэффициента формы маховика, массы защитного кожуха, системы раскрутки и снижения трения получится значение меньше. Возможно на уровне тех же 200-250 Вт-ч/кг, как и у современных Li-ion элементов. Здесь я выхожу за границу своей компетенции и точную цифру смогут назвать специалисты, которые больше посвятили времени изучению темы супермаховиков.
Мегаватты или мегаватт-часы на килограмм маховика? Это единицы с разной размерностью. Первая - удельной мощности, вторая - плотности энергии. По поводу первого параметра - нет вопросов, тут нет принципиальной проблемы, а вот если речь идет не о мощности, а о плотности энергии - то просьба опубликовать ссылочку.
P.S. пружинный-электровольтный предел неумолим и для маховиков. На окружной скорости в пару км/с центробежное ускорение разорвет любой самый прочный материал, прочность которого как раз ограничена связями между атомами.
"Маховик? Его предел определяется способностью материала сопротивляться нагрузке, создаваемой центробежной силой центростремительным ускорением. Несложно показать, что и здесь плотность энергии составит[640] те же σ/ρ с точностью до пары раз за счёт геометрии"
Могут. Вопрос в рентабельности проекта. Стоимость энергоустановки (и ее обслуживания) электро- и ДВС растет по разным законам в зависимости от их мощности.
Если брать электровелосипед 1 кВт и мопед на пару лошадиных сил, то электричка выходит сопоставимой по цене, но значительно дешевле с точки зрения обслуживания и ресурс у нее будет сильно выше.
Берем мотоцикл на 10 кВт. Электро- и ДВС. Второй будет дешевле и с точки зрения надежности и по ТО уже не так все однозначно.
Берем электромобиль на 100 кВт. Тут однозначно ДВС-собрат будет дешевле. Стоимость ДВС (не говоря о стоимости бОльшего бака для бензина) при росте мощности не растет так сильно, как растут стоимости контроллеров, электродвигателей и батарей.
Берем фуру с условной мощностью 300 кВт. Огромные пробеги, огромные нагрузки. Аккумулятор будет стоить заоблачных денег. При этом число циклов у него будет таким же, как у маленького аккумулятора для электровелосипеда. И через 5-8 лет владельца фуры ждет разорение.
Про сухогрузы и пассажирские лайнеры даже говорить нечего. Стоимость дизельного мотора с резервуаром мазута будет ничтожна на фоне Li-ion аккумулятора с такой же энергетикой.
https://m.youtube.com/watch?v=RhhCv0eMnRk
Благодарю за высокую оценку!
Мне эта тема интересна. Принцип понятен. Недостатки есть, но они устранимы.
Тем не менее, я пока не погружался в эту тему настолько глубоко, чтобы обладать объективной информацией касательно причин её неразвитости с точки зрения промышленного внедрения.
Буду благодарен, если вы озвучите свое мнение на этот счет.
Благодарю за ответ и развернутый комментарий с графиками!
Да, что касается набегающего потока - я внёс правки и дополнения - добавил шестую главу с указанием этих закономерностей.
Кстати, Propeller Selector позволяет увидеть эффект вырождения винта, если начать добавлять значение скорости набегающего потока в первой строке "Air Speed" :)
Да! Этот пример - превосходная иллюстрация данного принципа!
"Когда время перезарядки электромобиля не будет превышать время заправки авто с ДВС?"
Уже есть модели Li-ion ячеек, которые допускают ток заряда в 3С (в три раза больше, чем численное значение емкости). Например: https://www.molicel.com/inr21700-p45b/
Это означает, то до 85-90% SoC такая батарея может зарядиться за 20 мин.
Тут мы попадаем в ситуацию, где вопрос по скорости зарядки должен быть задан не разработчикам аккумуляторов для электромобилей, а к разработчикам энергосетей и городских электрических коммуникаций.
Если взять условную батарею с запасом энергии 75 кВт-ч (Тесла), то режим 3С означает, что сетевое подключение электромобиля должно пропускать сквозь себя мощность в 225+ кВт.
Здесь я выхожу за рамки своей компетенции, но что-то мне подсказывает, что не в каждом населенном пункте можно построить станцию зарядки электромобиля, рассчитанную на одновременную зарядку нескольких электромобилей с мощностью порядка мегаватта в связи с недостаточными параметрами существующей на тех местах электрической инфраструктуры.
"Не сориентируете ли - что научно-популярного почитать про мезоатомы, попытки использования энергии невалентных электронов и всё вот это вот?"
К сожалению, кроме вышеупомянутого цикла статей "Цивилизация пружин" других подробных и емких материалов по этой теме я не встречал (можно на английской Википедии порыться - есть немного по этой теме).
В интернете информация крайне разрознена и приходится собирать её буквально по крупицам.
Я даже ловлю себя на мысли, что "мировое сообщество" что-то специально скрывает и где-то в недрах американской "Зоны 51" на установках сверхвысокого давления получают первые образцы плотноупакованной материи. И все данные об экспериментах тщательно секретятся, так как первые, кто получат новые материалы - это военные. Сверхпрочная броня для танков, новые двигатели для боевых самолетов и т.д.
Законы производства товаров массового спроса. Налажены конвейеры, производящие миллиарды таких батареек. Есть дешевая солевая химия, для более требовательных пользователей - щелочные ("алкалиновые") батарейки, а уже для совсем искушенных - всякие литиевые одноразовые элементы типа Enerqizer Ultimate Lithium и N-Mh аккумуляторы Eneloop :)
Рынок поделен, все привыкли к нему, большинство пользователей всё устраивает. Разрядились батарейки - выкинул - пошел в "Пятерочку" - купил новые.
К тому же, выпущено огромное количество электроники, работающей на батарейках такого формата имеет закрывающийся отсек, куда вставляются элементы питания. А это означает плохую вентиляцию и кислородное голодание для любых металло-воздушных схем.
Поэтому, полагаю, инвесторы не торопятся вкладываться в проекты внедрения для бытового применения на чрезвычайно конкурентном рынке новой химической конструкции, которая еще порядком имеет много слабых мест. Крайне высокие риски для капитала.
Благодарю!
Да!
Внес дополнительную главу в статью, поясняющий ситуацию с винтами на самолетах.
Самолеты движутся со значительной скоростью, там выбор диаметра винта осуществляется несколько по другим законам, чем для статики и случаев неподвижного висения.
Да, расчеты представлены для условной бесконечно длинной трубы. Никакие снижающие удельную тягу эффекты - не учтены специально, как раз для того, чтобы увидеть тот самый идеальный теоретический максимум, предел возможной эффективности, накладываемый фундаментальными законами физики: законом сохранения энергии и импульса.
Реальные винты никогда не будут прилегать идеально к стенкам трубы, у многим винтов трубы вовсе нет (как у парамоторов, квадрокоптеров и самолетов) - поэтому их удельная тяга заметно ниже, чем теоретически максимальная. Как раз, чтобы понять, насколько они далеки от этого идеала - и написана эта статья.
Самая эффективная идеальная пропульсивная система - эта, та, которая каким-то волшебным путем преобразует энергию от источника питания в поступательное согласованное движение молекул воздуха в одном направлении вдоль оси трубы. Такого волшебного способа у нас нет, нам приходится в трубу что-то засовывать и крутить там, что неизбежно снижает эффективность относительно варианта идеального.
Понять, насколько вращающаяся система приближается к идеальной волшебной - помогает вычисление коэффициента согласно формулам в материалах этой статьи.
Конечный. В формулах есть величина D - диаметр.
Работа воздушных винтов на большой скорости - это уже другая история. Там большой винт может начать проигрывать маленькому из-за эффекта вырождения (уменьшение относительной поступи винта).
Потому что у них мощность несколько десятков ватт. Можете подставить значение мощности, написанное у них на этикетке и посчитать, сколько грамм тяги они развивают.
Благодарю за комментарий.
150 кВт-ч - это эквивалентно 50 кг бензина или полному 66-литровому баку. Современные экономичные ДВС-автомобили также способны от одного бака достичь дальности хода в 1000 км, если производить лабораторные замеры и применять эко-стиль вождения. В статье речь идет об ориентировочных цифрах на уровне порядков, поэтому данный пример подтверждает правило об энергетическом отставании Li-ion аккумуляторов в 10-15 раз по сравнению с силовой установкой на ДВС.
2 При разработке электрокара, инженеры, зная, что в распоряжении у них небольшой энергетический запас - стараются более внимательно подойти к моментам связанным с аэродинамическим сопротивлением, трением колес о землю и т.д. Поэтому расход в Вт-ч на 1 км пути у некоторых электромобилей действительно может быть заметно меньше, чем у бензиновых автомобилей. Но это никоим образом не имеет отношения к прямому сравнению энергетики Li-ion и бака бензина.
Не стал, чтобы не перегружать статью. На широком потребительском рынке данный источник питания не представлен, а принципиально - всё такое же сгорание горючего с энергетическим выходом несколько эВ/атом.
Всё, что мне известно - это то, что на рынке мне не попадались аккумуляторные батареи или ячейки данной химической системы. Или любой другой, которая взаимодействует с кислородом воздуха.
По какой-то причине, задерживается выход аккумуляторов такого типа на потребительский рынок.
Буду признателен за предоставление любой современной информации, раскрывающую суть проблемы.
Десяток МДж. Вот теперь всё правильно. Пружинно-электровольтный предел как раз и составляет несколько десятков мегаджоулей на килограмм.
Мегаватт-час на килограмм - это 3.6 ГДж/кг, значение на три порядка выше и никакими ухищрениями для современного развития науки и техники для химических или кинетических накопителей энергии недостижимо.
А вот первая цифра вполне достижима для супермаховика, если использовать легкие материалы с пределом прочности близкому к таковому для углеродных моноатомных нитей (несколько десятков ГПа).
P.S. книжечка Нурбея Гулиа была прочитана в свое время :)
Перспективно, но на мой взгляд, современные Li-ion батареи сильно оттеснили эту супермаховичную технологию. Особенно там, где требуется компактность, как например, в случае электровелосипеда.
Супермаховик должен дать выигрыш с точки зрения рентабельности в крупных стационарных установках накопления энергии. Здесь он выглядит вполне конкурентноспособным.
P.P.S.
Возьмем для примера вот такую углеродную ткань из имеющихся в продаже:
https://carbonstudio.ru/item/uglerodnaya-tkan-aspro-80
Заявлен предел прочности в 6 ГПа.
Плотность материала: 1780 кг/куб.м.
Какую энергию на 1 кг веса сможет запасти супермаховик, сделанный из этого материала?
6000 000 000 / 1780 = 3 370 000 = 3.37 МДж.
Около 936 Вт-ч/кг.
С учетом коэффициента формы маховика, массы защитного кожуха, системы раскрутки и снижения трения получится значение меньше. Возможно на уровне тех же 200-250 Вт-ч/кг, как и у современных Li-ion элементов.
Здесь я выхожу за границу своей компетенции и точную цифру смогут назвать специалисты, которые больше посвятили времени изучению темы супермаховиков.
Мегаватты или мегаватт-часы на килограмм маховика? Это единицы с разной размерностью. Первая - удельной мощности, вторая - плотности энергии. По поводу первого параметра - нет вопросов, тут нет принципиальной проблемы, а вот если речь идет не о мощности, а о плотности энергии - то просьба опубликовать ссылочку.
P.S. пружинный-электровольтный предел неумолим и для маховиков. На окружной скорости в пару км/с центробежное ускорение разорвет любой самый прочный материал, прочность которого как раз ограничена связями между атомами.
В статье автора @eugeneb0, на которую я дал ссылку https://habr.com/ru/articles/438414/ - как раз дается расчет теоретического предела плотности энергии запасаемой маховиком:
"Маховик? Его предел определяется способностью материала сопротивляться нагрузке, создаваемой центробежной силой центростремительным ускорением. Несложно показать, что и здесь плотность энергии составит[640] те же σ/ρ с точностью до пары раз за счёт геометрии"
https://en.wikipedia.org/wiki/Flywheel_energy_storage#Specific_energy
Ах, тогда интернета тоже не было. И эта информация обошла меня в детстве стороной)
Могут. Вопрос в рентабельности проекта.
Стоимость энергоустановки (и ее обслуживания) электро- и ДВС растет по разным законам в зависимости от их мощности.
Если брать электровелосипед 1 кВт и мопед на пару лошадиных сил, то электричка выходит сопоставимой по цене, но значительно дешевле с точки зрения обслуживания и ресурс у нее будет сильно выше.
Берем мотоцикл на 10 кВт. Электро- и ДВС. Второй будет дешевле и с точки зрения надежности и по ТО уже не так все однозначно.
Берем электромобиль на 100 кВт. Тут однозначно ДВС-собрат будет дешевле. Стоимость ДВС (не говоря о стоимости бОльшего бака для бензина) при росте мощности не растет так сильно, как растут стоимости контроллеров, электродвигателей и батарей.
Берем фуру с условной мощностью 300 кВт. Огромные пробеги, огромные нагрузки. Аккумулятор будет стоить заоблачных денег. При этом число циклов у него будет таким же, как у маленького аккумулятора для электровелосипеда. И через 5-8 лет владельца фуры ждет разорение.
Про сухогрузы и пассажирские лайнеры даже говорить нечего.
Стоимость дизельного мотора с резервуаром мазута будет ничтожна на фоне Li-ion аккумулятора с такой же энергетикой.