Ямполев Владислав Владимирович: другие произведения.

Энергетика будущего: Твердотельные генераторы для автомобиля

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс фантастических романов "Утро. ХХII век"
Конкурсы романов на Author.Today

Летние конкурсы на ПродаМан
Открой свой Выход в нереальность
[Создай аудиокнигу за 15 минут]
Peклaмa
 Ваша оценка:


  
  
   Уже давно назрела необходимость замены коптящего и неэффективного автомобиля, оснащенного ДВС, и работающего на бензине на эффективный и экологически чистый. Один из вариантов решения этой проблемы-электромобиль. К сожалению, существующие прототипы электромобилей имеют ряд существенных недостатков, что вызывает опасения по поводу их возможности вытеснить автомобили с ДВС в сколь-нибудь обозримом будущем. Главные проблемы-это недостаточный запас хода, долгий процесс зарядки аккумуляторов и их дороговизна,необходимость переодической замены дорогих аккумуляторов. Запасы лития на Земле явно недостаточны для оснащения литиевыми аккумуляторами всех в мире автомобилей. Одним из реальных путей решения этой проблемы является использование металлических топливных элементов. Высокой энергоемкостью отличается аллюминий. На уже созданных моделях алюминиевых ТЭ можно проехать несколько сот километров. Есть утверждения о прорыве с созданием ТЭ на основе диборида ванадия и диборида титана. Они, якобы, имеют бOльшую энергетическую емкость чем бензин, особенно на единицу объема. Однако для использования подобных батарей на автотранспорте нужна инфраструктура по их механической замене на зарядных станциях, когда водитель оставляет отработанную батарею и вставляет новую. Но создания такой инфрастуктуры нужно дого ждать. Не оправдывают надежд и ТЭ работающие на водороде-все существующие типы их конструкций имеют существенные недостатки. А что если попытатся просто повысить КПД превращения энергии топлива в механическую работу? Большинство современных бензиновых двигателей имеют средний КПД около 20%, и превышение его в два раза позволило бы сократить и потребление топлива в два раза. Давно известна теорема Карно, согласно которой для увеличения КПД двигателя необходимо повысить температуру его работы и снизить потери тепла в системе охлаждения. В 1980-х годах японцы экспериментировали с керамическим двигателем,способным,якобы,выдерживать температуру до 3000 градусов цельсия. Однако керамика не очень пригодна для создания пистонных двигателей из-за хрупкости и сложности в обработке. КПД ракетных двигателей достигает 70%, что является, наверное, абсолютным рекордом среди современных тепловых двигателей. По очевидным причинам его применение на автотранспорте затруднительно. Существуют идеи создать небольшой роторный импульсно-реактивный двигатель, который бы вращаясь вокруг оси генерировал электричество и приводил в действие эл. двигатель. Но такой двигатель будет производить, скорее всего, сильный грохот, и результаты практических эксперриментов не известны. Наиболее интересным в этой области, мне кажется, являются методы прямого преобразования тепла или инфракрасного света, излучаемого нагретым телом, в электричество. Это позволяет полностью отказаться от таких деталей автомобиля как ДВС, коробка передач, маслосистема и др. Удачным будет и сочетание с гибридным приводом. На данный момент известно немало методов прямого преврщения тепла или излучения в эл-во. К ним относятся:
  
   МГД генераторы
  
   Принцип МГД генератора основан на преобразовании кинетической энергии заряженных частиц (газа или жидкости), движущихся в магнитном поле, в эл. ток.
  
   Преимущества:
   1) Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку.
  
   Недостатки:
   1) Относительно скромный КПД (реально достигнутый). Рекорд средней эффективности 22-30%.
   2) Необходимость применения сверх жаропрочных материалов.
   Угроза расплавления.
   3) Лучше подходит для стационарных применений.
  
   Электрогидродинамические генераторы
  
   Преобразуют энергию заряженных частиц движущихся в электрическом поле. Создает разницу потенциалов на электродах.
  
   Недостатки:
   1) Работающие прототипы широко не известны.
  
   Щелочные генераторы
  
   Представляют, по сути, электрохимические элементы регенерируемые тепловым путем.Используют натрий в качестве рабочего вещества и бета-алюминат в качестве электролита.
  
   Недостатки:
   1) Невысокий КПД.Рекорд в лаборатории-16%.
   2) Содержат горячий натрий под высоким давлением.
   3) Довально низкая мощность, около 0.4 Ватта на сm2.
  
   Термоэлектрики
  
   Термоэлектрики генерируют ЭДС в присутствии тепла между двумя разными металлами или полупроводниками. Хороший термоэлектрик должен иметь как можно лучшую электропроводность, как можно худшую теплопроводимость и носители заряда одного вида. Спустя много десятилетий такой идеальный материал все еще не был найден,поскольку КПД термоэлектриков продолжает оставатся очень малым. Предел КПД для высокотемпературных веществ пока не установлен окончательно.
  
   Недостатки:
   1) Весьма низкий КПД: 10-15%.
   2) Относительно небольшая мощность.
   3) Часто применяются очень редкие металлы-телур, сурьма.
  
   Фотоэлементы
   На данный момент это наиболее продвинутый вид твердотельных генераторов. В развитых странах пытаются развивать солнечную энергетику. Практически достигнутый рекорд КПД в лаборатории-42%. Некоторые ученые считают, что с применением квантовых точек КПД составит 65%. Похожие результаты обещают и ученые, пытающиеся создать фотоэлементы на горячих электронах. Фотоэлементы могут работать и от ифракрасных лучей, производимых нагретым телом. Тогда будет возможно их использование в сочетании с ДВС или каким-то иным видом нагревания. Фотоэлементы способны выдавать очень большую мощность. Уже достигнута практически концентрация солнечного света на солнечной панели в тысячу раз,что должно составлять примерно 100 тыс. Ватт на метр квадратный.
  
   Преимущества:
   1) Высокий КПД. 42%-практически достигнут. 65% в потенциале.
   2) Очень высокая мощность. До 100 тыс. Ватт на метр квадратный и возможно выше.
   3) Возможность изготавления в виде тонкой пленки.
   4) Полностью твердотельный генератор.
   5) Не очень большой расход редких и драг. металлов на метр квадратный.
  
   Небольшие недостатки:
   1) Некоторая сложность в изготовлении и не очень дешевая стоимость.
   Цена постепенно падает по мере применения новых технологий изготовления.
   2) Необходимость создания большого количества ячеек для создания приличного напряжения.
   3) Возможны проблемы при работе в среде подверженной вибрации,шуму,дыму и мех. нагрузкам.
  
   Пироэлектрики
  
   К ним относятся вещества при нагревании которых происходит поляризация кристаллов и возникает статический заряд. К таким веществам относят PZT (свинец-цирконий-титанат), ниобат лития и др.Некоторые исследователи обещают высокий КПД при использовании многослойных пироэлектриков, а также нанопроводов из него. Пироэлектрики реагируют только на изменение температуры, а поэтому нет определенности как создать практичный и компактный генератор.
  
   Преимущества:
   1) Высокий КПД в каскаде. Вплоть до предела Карно, при определенных условиях.
   2) Мгновенная реакция на приложенную энергию.
  
   Недостатки:
   1) Требуют работы в импульсном режиме, что грозит снижением КПД и компактности.
   2) Есть возможность диэлектрического пробоя при слишком большом эл. поле.
   3) Требуют трансформации потенциала в ток движущий эл. мотор.
  
   Термионные генераторы
  
   Используют принцип тепловой эмиссии электронов при нагревании вещества до очень высокой температуры.
  
   Преимущества:
   1) Относительно высокая мощность.
   2) Не слишком высокая стоимость.
  
   Недостатки:
   1) Достаточно скромный КПД. Около 20% в большинстве случаев.
   2) Применение редкого металла (цезий).
   3) Могут быть проблемы со стартовым временем. Лучше подходят для стационарных применений.
  
   Следующие технологии находятся на заре разроботок.
  
   Тепловые диоды
  
   Один из вариантов представляет твердотельный вариант термоэмиссии. Используется принцип квантового тунеллирования "горячих" электронов. Находится в стадии разработки. Изготовление таких диодов может быть очень дорогим.
  
   Инфракрасные антенны
  
   Используют волновые свойства света. Инфракрасные лучи вызывают колебания в микроантеннах. Требуются миллионы микродиодов и микроконденсаторов для выпрямления тока. Полностью работающий прототип пока не создан. Энтузиасты утверждают, что после разработки всей технологии, микроантенны будут очень дешевыми и очень эффективными.
  
   Все выше указанные технологии (за исключением самых хрупких), могут работать в совокупности с ДВС,двигателем Стирлинга и прочими тепловыми двигателями. Какая технология "выстрелит", сейчас предсказать довольно сложно. Но думаю,что превышение среднего КПД у ДВС вполне реальная задача. Использование инфракрасных фотоэлементов на квантовых точках для собирания бросового тепла двигателей и нагреваемых тел, выгладит наиболее интересной перспективой отдаленного, но все же обозримого будущего.

 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com А.Минаева "Академия Алой короны. Обучение"(Боевое фэнтези) А.Ардова "Жена по ошибке"(Любовное фэнтези) В.Василенко "Смертный 2: Легат"(Боевое фэнтези) E.The "Странная находка"(Киберпанк) К.Демина "Одинокий некромант желает познакомиться"(Любовное фэнтези) Д.Соул "Не все леди хотят замуж. Игра Шарлотты"(Любовное фэнтези) Ю.Руни "Близнец"(Научная фантастика) О.Герр "Невеста на продажу"(Любовное фэнтези) Д.Сугралинов "Дисгардиум. Угроза А-класса"(ЛитРПГ) А.Ардова "Брак по-драконьи. Новый Год в академии магии"(Любовное фэнтези)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
И.Мартин "Время.Ветер.Вода" А.Кейн, И.Саган "Дотянуться до престола" Э.Бланк "Атрионка.Сердце хамелеона" Д.Гельфер "Серые будни богов.Синтетические миры"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"