На позициях сотрудничества

Накопители энергии издавна помогают друг другу в работе. Если паровой и, скажем, дизельный двигатели ни к чему ставить на автомобиль одновременно, то аккумуляторы разных типов, наоборот целесообразно объединять.

Я уже говорил о том, как тепловые аккумуляторы помогают газовым отдавать больше энергии, – рассказывал про трамвай, который «заправлялся» и сжатым воздухом и кипятком, про свой микромобиль, где газовый аккумулятор – баллон с углекислотой работал вместе с тепловым аккумулятором – кастрюлей с расплавленной солью. А могут ли столь же успешно «сотрудничать» маховичные накопители, ну, хотя бы с электроаккумуляторами?

Оказывается, это сотрудничество одно из самых перспективных. Помните недостатки электромобиля? Он медленно разгоняется, не идет в гору, не может использовать кинетическую энергию, выделяемую при торможении. И всему виной невысокая плотность мощности электроаккумуляторов. По той же причине сами электроаккумуляторы не выносят быстрой зарядки. Они либо портятся, как, например, свинцово-кислотные, либо просто тратят «лишнюю» мощность на нагрев, как щелочные. Обыкновенные же маховики, не говоря об «энергетических капсулах» – супермаховиках, развивают какие угодно мощности, лишь бы выдержал привод, и, кроме того, позволяют сохранять кинетическую энергию транспорта. Соединив эти два накопителя на одном электромобиле, получаем большой выигрыш.

Электроаккумуляторы движут такой электромобиль только по ровным дорогам без уклонов, где не требуется торможений и разгонов, – иными словами, они обеспечивают ему крейсерскую скорость. А там, где нужны разгоны, обгоны, торможения, подъемы в гору, берется за дело супермаховик. По сравнению с обычным электромобилем здесь значительно повышается максимальная скорость, вдвое и больше сокращается время разгона, путь пробега увеличивается почти в два раза.

Так, у последней модели американского «гибридного» электромобиля с супермаховиком длина пробега без подзарядки составляет 112 километров против 63 километров у обычного электромобиля. Масса супермаховика с приводом для полуторатонного электромобиля – всего 75 килограммов. Выпуск этих электромобилей «второго поколения», оснащенных супермаховиками, предполагается начать примерно с 1985 года.

Неплохой «гибрид» получается из электроаккумуляторов и гидрогазовых накопителей. Последние также помогают использовать кинетическую энергию машины, значительно повышают путь пробега, скорость электромобилей, сокращают время их разгона.

На маленьких электромобилях эффективны даже резиновые накопители. Они просты и вполне применимы для накопления небольшой энергии. Я совсем было собрался поставить на самодельный электромобиль для накопления энергии торможения свой накопитель от резиномобиля. Но когда узнал, что подобное уже сделали английские инженеры, раздумал – не хотелось повторять чужой эксперимент.

Можно соединять вместе и аккумуляторы одного вида. В Японии, например, на электромобиле установили два типа электроаккумуляторов – стартерные и тяговые батареи. Первые, хорошо переносящие большие токи и мощности, работают на разгонах и обгонах, а вторые, имеющие более высокие КПД и плотность энергии, – на крейсерской скорости, питая электромобиль на ровной дороге без подъемов и разгонов. Конечно, стартерные электроаккумуляторы по плотности мощности не идут ни в какое сравнение с маховичными или гидрогазовыми накопителями, но и эта «гибридизация» в чем-то полезна.

Электромобиль с супермаховиком: 1 - тяговый двигатель; 2 - супермаховик; 3 - батарея аккумуляторов.

Очень широко распространены «гибриды» статических и динамических накопителей одного и того же вида энергии. Всем известный маятник, в том числе и балансир с пружинкой в наручных часах, – «гибрид» статического аккумулятора механической энергии в виде поднятого груза или скрученной пружины и динамического аккумулятора той же энергии – маховика. «Перетекание» энергии из статического аккумулятора в динамический и обратно носит колебательный характер. Эти колебания необычайно точны по частоте, что и обусловило их применение в самых разнообразных часах.

Совершенно такой же эффект получаем, объединив статический и динамический электрические аккумуляторы – конденсатор и катушку индуктивности. Вместе они образуют так называемый колебательный контур. Электрический колебательный контур – аналог механического маятника, законы колебаний и того и другого одинаковы. Потери энергии в обоих случаях приводят к одному и тому же – колебания затухают, накопленная энергия переходит при этом в тепло.

И все-таки электрический и механический «маятники», несмотря на общность законов их колебаний, не могут заменить друг друга в технике. Представьте себе, что было бы, если бы в подвеске автомобиля вместо рессор ставили конденсаторы, в телевизоре вместо конденсаторов – рессоры, а катушки заменили маховиками!

Успешно сотрудничают не только накопители разных типов. «Союз» с накопителями очень полезен и для тепловых двигателей. Любой двигатель хорошо работает на какой-то одной скорости, в каком-то одном режиме. Тогда у него и расход горючего наименьший и выхлоп менее вредный. Изменение режима всегда ухудшает работу двигателя.

К сожалению, постоянные скорость и мощность двигателя чаще всего не нужны машине, на которой он установлен. Автомобилю, например, для разгона и подъема в гору требуется наибольшая мощность, при движении по ровной дороге без уклона на невысокой скорости – совсем небольшая, а на спусках и при торможении мощность им не только не потребляется, но даже выделяется. Сейчас эта мощность безвозвратно теряется, впустую нагревая тормоза и изнашивая их, хотя накопители энергии, в первую очередь маховичные и гидрогазовые, отлично могли бы сохранять ее и отдавать при разгонах машины.

Поэтому специалисты если и видят будущее тепловых двигателей на автомобилях, то непременно в союзе с накопителями. Двигателю предоставят возможность работать в наилучшем для него режиме, выдавать среднюю мощность, «подпитывая» накопитель. А остальное – дело накопителя. Он будет или расходовать энергию на разгонах, подъемах, обгонах, или накапливать ее при торможениях и на спусках. Такой режим работы позволит чуть ли не вдвое снизить расход горючего, во много раз уменьшить вредность выхлопа, получить немало всяких других преимуществ.

Предвижу твой вопрос, читатель: «Почему же сегодня, несмотря на очевидные выгоды, причем выгоды огромные, мы еще не встречаем «энергетические капсулы» повсюду?»

Прежде всего потому, что супермаховик – изобретение молодое: ему нет и 20 лет. А первые серьезные опыты, показавшие преимущества супермаховиков над другими накопителями, проведены только несколько лет назад. К слову сказать, преимущества дизеля над бензиновым двигателем или щелочного аккумулятора над кислотным доказаны уже около 100 лет назад, но до сих пор ни те ни другие не вытеснили своих менее перспективных собратьев.

Кроме того, супермаховичная «энергетическая капсула» – устройство весьма непростое. Для изготовления полномасштабного супермаховика для реально работающей машины необходимо сложное и дорогое оборудование. Пока это могут позволить себе лишь крупные авиационные и аэрокосмические предприятия. Но постепенно такие устройства, как говорится, «спускаются на землю» и начинают служить, может быть, на менее экзотичных, но гораздо более распространенных машинах. Над созданием супермаховиков сейчас усиленно работают научные и инженерные коллективы многих высокоразвитых государств мира, включая нашу страну.

Уже получены успешно работающие опытные образцы автомобилей, электромобилей, метропоездов, солнечных и ветровых электростанций, различных приборов и многих других устройств, использующих супермаховики. Но и при разработке этих опытных образцов встречается много трудностей, порой непредвиденных.

Мне с товарищами по работе довелось строить и испытывать автобусы как с гидрогазовыми, так и с маховичными накопителями в соединении с тепловым двигателем. Поскольку накопители здесь могли сохранять, или, иначе говоря, рекуперировать, кинетическую энергию машины, мы их называли просто рекуператорами.

Признаться, строя свой, первый у нас в стране маховичный рекуператор, мы изрядно намучились. Виноваты были где-то и мы сами, где-то производственники, сказывалось и полное отсутствие опыта в этом новом деле. Все перипетии нашей работы я описал в шуточном рассказе, опубликованном лет десять назад в одном популярном журнале. Вот этот рассказ.