慎言奇迹 空气动力车的可行性与不可行性分析

老张

编者:今年5月,北京科博会上展出一辆空气动力大巴,得到了央视《新闻联播》等报道。产品展出者介绍这种利用源源不断的空气作为动力源的客车,听上去似乎是完美的交通解决方案:资源取之不尽,排放也是无污染的空气——这非常诱人。搜索可知,该企业还曾以此进行集资,但遭到反传销网等机构的批评,指其为原始股集资骗局。空气动力汽车背后的原理究竟是什么?实用性如何?我们邀请了专栏作家老张撰文评述。

【第一电动网】(专栏作家 老张)空气动力汽车本不是什么新的技术,最早可以追溯到1820年。当时主要设想是类似有轨电车的设计,轨道沿途铺设高压气管,给发动机提供高压空气,驱动车辆在轨道上行驶,当时还有一个名字,叫“Pneumatic Railway”。但是由于当年的技术条件所限,这种机车并没有真正生产出来,直到70年后,基于压缩空气的发动机车,开始陆续上市并投入使用。

空气动力汽车

早期的气动发动机,都是采用了蒸汽机一样的结构,体积庞大,效率低下,并不能解决城市的交通问题,而一百多年以后的今天,空气动力发动机有了长足的进步。发动机越发紧凑精致,效率也明显升高,这让人们动起了空气动力汽车的脑筋来。

空气动力汽车发展了一百多年,诸如美国、法国、韩国都开发出了自己的产品。比如法国的雪铁龙公司就曾宣布,空气动力汽车可能在2016年投放市场。这款车是空气动力和燃油的混动车型,燃油费将降低45%,如果在城镇驾驶,费用可以降低到80%。由于空气动力系统的成本优势,该车将比现有的混合动力汽车便宜大约1500美元左右。这篇报道发布在2013年,但是到了2015年的7月,似乎还没有看到这款汽车上市的相关消息。

相比法国合资企业,国内企业要靠谱的多。在北京举办的第15届科博会上,就出现了这么一款产品:空气动力大巴。根据车辆官网的数据,这款车型号应该是祥天A4-0001,功率可以达到240KW,时速为140km/h,续航里程为200km,排量为6L。整车配备了6速的变速箱,有53个座位,整备质量达到16800kg。很多参观者对这款车非常关注,工作人员也现场介绍了这款汽车的工作原理。

空气动力大巴

祥天空气动力大巴

从目前已知的参数上来看,这辆大巴车配备了2000L的气瓶,气瓶的压力大概在30MPa左右,通过加热膨胀,气体体积将增加1224倍。

根据热力学定律,气体在绝热过程中膨胀做功的能量是最少的(绝热膨胀),在完全吸热经历等温过程时做功的能量是最多的(等温膨胀)。因此储罐中容器的压缩空气所包含的能量,与气体释放时的膨胀方式有关,其具体数值的大小,应该介于绝热膨胀与等温膨胀之间。

那么这些压缩气体,到底蕴含着多少的能量呢。我们根据上述结论,带入相关数据,计算结果。如果排气压力为0.15MPa时,这个2000L的钢瓶所包含的能量大约在117MJ到318MJ之间。(注:绝热系数按照1.4计算)。

计算结果可以理解为气体膨胀做功最多不超过318MJ,这个计算结果不大直观,折算成电能不过88度电左右,如果这算成汽油,也不过是5~6升的样子。

这个计算结果让我有点跌破眼镜,针对两百公里的续航要求,储罐储备的能量并没有我想象的那么高。是不是我的基础数据有问题了,除了储罐压力和排气压力外,其他参数都是官方的参数,出问题的概率并不大。而且根据热力学知识,可以知道储罐压力和排气压力的差值,决定着能量的大小,因此,我想再对数据进行进一步的“审核”。根据发明专利《CN201310292631-压缩空气动力汽车》和实用新型专利《CN201320413749-压缩空气动力汽车》(以下统称“专利”)中公开的数据,汽车储罐压力在20~45MPa之间,优选30MPa。出口压力,按照《新闻联播》中的说法,气体会膨胀1224倍来计算。看看这次的计算结果有什么变化。

储罐储存的能量,和储罐压力是正相关的。在压力到达45MPa时,储存能量达到640MJ左右,折合成电能约为180KWh。这个在极其理想的条件下计算得到的数字,也没给我带来太大的惊喜。

作为压缩空气动力系统,实际能真正获得的能量比储能量要小的多。

首先,理论上看,640MJ的计算结果是基于等温膨胀的理想条件下得到的,实际工况条件下,等温膨胀实际上是很难实现的。那么无论如何,实际储罐储存的能量,大约是介于117MJ~640MJ之间的某一个数值。

第二,气动发动机的功率,与发动机进出口的压差正相关。若要气动机工作(保证功率输出时),尤其当汽车爬坡或者加速时,由于动力需求的上升,则需要气动机进出口有足够的压差。也就是说,储罐内气体压力不能完全使用完,当压力降低到一定水平时,就无法保证气动发动机的动力输出要求,这就给空气动力汽车的续航又打了一次折扣。

第三,根据热力学原理,气体减压膨胀过程一般来说是个吸热的过程,因此,这个环节当中势必会造成温度的下降。从积极的意义上来看,我们可以额外获得一些冷量,这些冷量可以用于汽车系统的降温,让系统效率更高。但是实际应用上看,这些冷量在应用上来并不是那么方便。撇开作为传输介质的冷媒不论,在时间上,冷量产生的时候,并不一定是需要散热的时候。反之,当需要散热的时候,也不一定有足够冷量可以用。因此,当使用这部分气体膨胀做功所产生的冷量的时候,为系统稳定,至少还需要额外的一套冷却系统,以备不时之需。或者也可以把冷量存储,在需要的时候再使用。但是不论选择哪种方法,都会使系统更加复杂。复杂的系统可以带来额外的功能,但是也会带来额外的成本和额外的故障。带来的益处有限,带来的麻烦却不少,如果1MPa减压到0.1MPa,可能带来的会是几十度的温度下降,这意味着可能温度会直接降到零下,可能会使管路结霜或冻结,造成换热效率的下降甚至损坏。所以在此时,加热装置是必要的,在专利中,也确实配备了加热装置。这个加热装置可以提高气体的问题,增加膨胀时的做功输出,但是也会额外带来新能量损失,给空气动力汽车的续航再一次打了折扣。

第四,根据气体的热力学特性,在等容条件下,气体的压力与温度正相关。这意味着储罐的储能容量,与环境温度息息相关。在25摄氏度的时候,假设气瓶的压力是30MPa的话,那么在零下10度的时候,气瓶压力只有26.5MPa(按照理想气体计算),这代表着至少有百分之十的能量损失掉了。当然,可以做保温解决这个问题。

第五,作为发动机这样的设备,它本身的效率是很有限的。气瓶中压缩空气所蕴藏的能量,通过气动发动机释放的能量之间,会有非常大的能量损失。这可能是整个空气动力系统中最大的能量损失项。它受到热力学定律的限制,基本说是一个无法逾越的壁垒。虽然专利中所表述的,通过尾气压力回收来提高系统的效率,但是回收所消耗的能量和回收的能量来比,是否有价值,还是值得探讨的。

除上文所述外,空气动力电池还有两个重要的问题需要注意。

首先,压缩空气从哪里来。空气的压缩过程中,是非常耗能的过程。根据能量守恒定律,空气压缩消耗的能量一定会大于压缩空气本身的能量。一般来讲,空气压缩机的等熵效率无非也只有70~80%的水平。而且压缩过程中,也有一定热热量损失了。从环保的角度来看,可能只是把污染做了转移,并没有解决污染问题。尤其是由于转换效率的问题,获得相同能量时,可能会浪费更多的能源,造成更多的排放。

第二,还是老生常谈的安全问题。“专利”当中,描述空气动力汽车的储罐压力在20~45MPa之间,这是个相当高的数值。应用于运动中的汽车当中,一旦因为外力或其他因素造成破裂,后果是不堪设想的。另外,这样高的压力系统,还处在一个颠簸、震动的环境当中,密封的要求也很高。

作为未来技术的一个流派,空气动力系统和储能上的压缩空气师出同门。不同国家上百年的研究,空气动力汽车也有不少的优势。比如基于空气动力汽车的造价会比基于电能的新能源汽车更加有优势;在正常使用的过程下,空气动力系统的寿命要高于电化学动力系统。在形式上,通过加压缩空气,也比充电要方便不少。这一切都说明空气动力汽车还是有市场空间的。但是我认为一定要找到一个合理的应用场合,比如作为混合动力系统,或者是做一些特殊的应用,比如清洁库房内的叉车,或者是用于短途的低速车辆。从应用方式上看,我更倾向于作为功率补充型的应用,而不是基于储能形式解决续航问题。这是因为压缩空气系统本身的密度并不太高(尤其是体积比能量)。在储能上有一些案例,是以压缩空气做成调峰单元应用的。作为空气动力汽车产品而言,我觉得还是应该多试验几年,既要验证技术,也要验证是否可以满足市场的要求。

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老张 大牛作者

电池行业从业人员。长期从事“非主流”电池技术的开发工作。对电池界的新技术,新思路,很感兴趣。希望能和大家多多交流。


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