Альтернатива электромобилям – гиромобиль. Завершение истории.

 

    (начало см. «Маховик как замена бензину, или давай изобретём гиромобиль!» от 06.01.2014 г., https://ezhenkoff.blogspot.com/2014/01/blog-post.html ) и «Вместо электромобиля – гиромобиль» от 15.03.2022 г., https://ezhenkoff.blogspot.com/2022/03/blog-post_15.html )

   Этой работой я завершаю собственное исследование возможности создания других, альтернативных бензиновым/дизельным автомобилям, видов транспорта, кроме электромобилей. В двух предыдущих публикациях была рассмотрена и просчитана такая альтернатива, как т.н. «гиромобиль» (от греч. gyros – «круг», gyreuo – «кружусь, вращаюсь») – вариант индивидуального личного и городского общественного транспорта, в котором в качестве аккумулятора энергии используется вращающийся маховик. Как наглядно показывают приведённые ниже авторские расчёты, маховиковый накопитель, состоящий из двух встречно вращающихся маховиков (для устранения действующего по направлению вращения маховика вращающего момента), вполне может стать основой для создания принципиально новых видов наземного транспорта во всём его многообразии – от легковых авто до городских автобусов и грузопассажирских такси.

   В материале «Вместо электромобиля – гиромобиль» мной был рассмотрен вариант т.н. КИНГа – кольцевого инерционного накопителя-гироскопа – супермаховика  из алюминиевой/титановой катушки  и рабочим телом в виде намотанного на неё борного волокна. Было наглядно показано, что удельная энергоёмкость такого маховика вдвое превосходит требования к этому показателю для обеспечения его успешной конкуренции с ДВС на органическом топливе или электрохимическими аккумуляторами. Что касается другого важного параметра – удельной принимаемой/отдаваемой мощности, то она в случае использования не электрохимического, а электромеханического принципа аккумулирования электроэнергии практически не ограничена. Кроме того, электромеханический аккумулятор (ЭМА), в сравнении с электрохимическим аккумулятором (ЭХА), не имеет отрицательного коэффициента энергоёмкости (КЭ) при использовании в сильные морозы, - наоборот, при низких температурах КЭ в теории должен становиться даже немного положительным за счёт того, что большинство электрических проводников в системе ЭМА снижают своё электрическое сопротивление с понижением температуры. КПД ЭМА выше, чем КПД ЭХА, поскольку у первого практически нет потерь при преобразовании/конвертации энергии из одного вида в другой внутри аккумулятора, и не требуется преобразования переменного тока в постоянный при зарядке, и обратно – при разрядке аккумуляторной батареи. И, напоследок, ЭМА – КИНГ, как я уже писал ранее, делает автоэкипаж абсолютно пожаробезопасным, нетоксичным и чрезвычайно более устойчивым против опрокидывания.

   В этой публикации я привожу расчёты усовершенствованного ЭМА – КИНГа, в котором проведена дальнейшая оптимизация конструкции за счёт использования рабочего тела с ещё меньшей удельной плотностью и комбинирования несущих нагрузку материалов корпуса.

   Суть усовершенствования. В предыдущей конструкции рабочим телом было борное волокно, которое из всех твёрдых конструкционных материалов обладает наиболее высоким отношением предельной прочности на разрыв к удельной плотности. Расчёты показали, что это позволяет вдвое повысить удельную энергоёмкость вышеупомянутого ЭМА по сравнению с литий-ионными ЭХА (360 – 400 против 160 – 220, Вт*ч/кг).

   Однако, как покажут мои расчёты ниже, это далеко не предел возможностей ЭМА. Дело в том, что удельная энергоёмкость ЭМА прямо пропорциональна величине предельной прочности вещества поверхностного слоя на разрыв и обратно пропорциональна удвоенному значению его удельной плотности: E=σ_max/2p. Т.к. σ_бор=5,90 ГПа и p=2000 кг/м³, то для него E=5,9*10⁹/(2*2000)=1,475*10⁶ Дж/кг=410 Вт*ч/кг. Но, если в качестве рабочего тела маховика использовать машинное масло (p=910 кг/м³), а в качестве удерживающего его корпуса использовать полый цилиндр из высокопрочного чугуна (σ_чуг=1,00 ГПа), обмотанный снаружи борным волокном (σ_бор=5,90 ГПа), то теоретический «потолок» такой конструкции может достигать величины E=5,9*10⁹/2*910=3,242*10⁶ Дж/кг=900 Вт*ч/кг, что впятеро больше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Рассматриваемый вариант с машинным маслом является маховиком переменной массы - МПМ (масло подаётся в корпус или откачивается из него для поддержания постоянной скорости вращения).

   Ниже приведён авторский эскиз предлагаемой конструкции и расчёт технических характеристик (ТХ) при её использовании для легкового автомобиля в варианте размещения в моторном отсеке.

Вариант №1. ЭМА размещается в моторном отсеке.

R=0,6 м, r=0,5 м, h=2*0,2 м=0,4 м, τ_чуг=0,005 м (5 мм), τ_бор=0,01 м (10 мм).

Определим полную массу ½ маховика (М_полн).

М_полн=М_масло+М_чуг+М_бор.

М_масло=p_масло*V_масло=p_масло*S_масло*h/2=p_масло*(π*R²/2- π*r²/2)*h/2=π*h*(R²-r²)/4*p_масло=3,14*0,4*((0,6²-0,5²)/4)*910=3,14*0,40*(0,11/4)*910=31,43~30 кг.

М_чуг=p_чуг*V_чуг=p_чуг*S_чуг*τ_чуг=p_чуг*(π*R²+π*R*h)*τ_чуг=p_чуг*π*R*(R+h)=7200*3,14*0,6*(0,6+0,4)*0,005=67,82 кг~70 кг.

M_бор=p_бор*S_бор*h/2*τ_бор=p_бор*2π*R*h/2*τ_бор=2000*2*3,14*0,6*0,4/2*0,01=15,07~15 кг.

Полная масса ½ маховика M_полн= М_масло+М_чуг+М_бор=30+70+15=115 кг; полная масса всего маховика M=2*M_полн=2*115=230 кг.

Тогда полная запасаемая энергия маховика W=M*(v_max)²/2=M*E=M* σ_max/2p=230*5,90*10⁹*/2*910=745,604 МДж=207 кВт*ч.

Рассчитаем запас хода S при μ=0,02, M_снар=1400 кг, g=9,81 м/с², c=0,35, A=2 м² (ширина 1,8 м, высота 1,2 м) и p_возд=1,2 кг/м3.

Для средней скорости v=20 м/с (72 км/ч):

W_возд=c*A*p_возд/2*v³=0,35*2*1,2/2*(20)³=3360 Вт=3,36 кВт;

W_трен=μ*M_снар*g*v=0,02*1400*9,81*20=5490 Вт=5,49 кВт и

W_сопр=W_возд+W_трен=3,36+5,49=8,85 кВт.

Тогда время пробега T=W/W_сопр=207/8,85=23,4 ч=23 ч 24 мин.

Пробег S=v*T=72*23,4=1685 км.

Для максимальной скорости v=40 м/с (144 км/ч):

W_возд=c*A*p_возд/2*v³=0,35*2*1,2/2*(40)³=26880 Вт=26,88 кВт;

W_трен=μ*M_снар*g*v=0,02*1400*9,81*40=10980 Вт=10,98 кВт и

W_сопр=W_возд+W_трен=26,88+10,98=37,86 кВт.

Тогда время пробега T=W/W_сопр=207/37,86=5,47 ч=5 ч 28 мин.

Пробег S=v*T=144*5,47=788 км.

Аналогичным образом можно просчитать вариант №2 (маховик расположен в подсалонном пространстве легкового автомобиля; R=0,8 м, r=0,7 м) и вариант №3 (маховик расположен в подсалонном пространстве автобуса; R=1,15 м; r=0,9 м).

Прикинем массо-весовые характеристики отдельных элементов авто. Если его снаряжённая масса M_снар=1400 кг, вес пяти пассажиров М_пасс=5*80=400 кг, масса маховика М=207 кг (~205 кг) и масса ЭДГ (синхронного электродвигателя/генератора переменного тока) М_эд/ген=225 кг (модель MeCC Alte ECP32-1M/4SAE 3/11,5 (40 кВт), n=1500 об/мин, цена 238 620 рублей), то масса корпуса авто + зубчатый редуктор (k=53280^*/1500~36) M_корп=1400 – 400 – 205 – 225 = 570 кг.

*- максимально возможные обороты маховика; см. материал «Вместо электромобиля – гиромобиль».

Как нетрудно заметить, предлагаемый проект гиромобиля (гиробуса) вполне конкурентоспособен в сравнении с автомобилями (автобусами) и имеет в сравнении с ними целый ряд преимуществ (не считая, разумеется, нулевой экологической токсичности).

P.S. от 28.04.2023 г. В день публикации материала, 19.04.2023 г., направил его Генеральному директору (Президенту) ГК "Ростех" Сергею Викторовичу Чемезову. Жду ответа после майских праздников.