Setrvačník, inovativní řešení pro hybridní a elektrická vozidla, 2. díl

Jan Plomer - 03 Leden 2011

První díl článku na téma byl věnován historickým gyrobusům z poloviny 20. století a dalším podobným konstrukcím současnosti. Ve druhém díle se podrobněji zaměříme na tzv. , která se v poslední době jeví jako velmi perspektivní konstrukční řešení a mohla by se v blízké budoucnosti rozšířit zejména u .   
setrvačník elektromechanická baterie

Elektromechanická baterie umožňuje přeměnit elektrickou energii na mechanickou a tuto energii po určitou omezenou dobu akumulovat. Následně lze tuto energii opět přeměnit na elektrickou a využít pro pohon hybridního či elektrického vozidla.

Energie, tedy schopnost setrvačníku konat práci, je přímo úměrná jeho hmotnosti a úhlové rychlosti.

Platí tedy Ek = ½ • J • ω2

kde J = moment setrvačnosti a ω = úhlová rychlost.

Ze vztahu vyplývá, že potenciál setrvačníku je možné zvyšovat hmotností, průměrem nebo rychlostí otáčení. Zvyšování hmotnosti nebo rozměrů by v dopravě přineslo další zvyšování některých jízdních odporů, proto se vývoj ubírá směrem zvyšování otáček. Perspektivní setrvačník pro automobil má hmotnost např. 20 kg, průměr 30 cm a otáčky 60.000 1/min.

PROFIL AUTORA
Jan Plomer, specialista v oblasti alternativních pohonůautoři Jan Prolmer * nar. 1978. Vystudoval ČVUT Praha, Strojní fakultu, obor motorová vozidla. Jeho diplomová práce se zabývala vývojem automatické převodovky pro . V současné době dokončuje doktorské studium tamtéž, zabývá se především hybridními pohony. Pracoval ve společnostech Mercedes-Benz Engineering, Škoda Auto nebo německé vývojářské centrále ZF Getriebe GmbH na vývoji inovativní automatické převodovky ZF 8HP.

Základními problémy setrvačníku se jeví gyroskopický moment, vyvážení hmot setrvačníku, uložení hřídele a aerodynamický odpor. Všechny jsou ovšem v současné době technicky řešitelné, např. uložením hřídele setrvačníku v keramických ložiskách a po nabytí určité rychlosti levitací v magnetickém poli, rotací setrvačníku ve vakuu apod.

Od setrvačníkové baterie nelze očekávat, že by byla schopna pojmout dostatečné množství energie pro pohon vozidla na delší vzdálenosti. Její hlavní funkcí by měla být zejména „stabilizace“ spotřeby energie ve vozidle. Spotřeba energie při nerovnoměrném pohybu je proměnlivá a tyto rozdíly by právě mohla setrvačníková bateri po omezenou dobu vyrovnat. Špičková zatížení, zejména při akceleraci, pokryje energie akumulovaná setrvačníku a při nízkém zatížení se bude energie do setrvačníku akumulovat.

Odhaduje se a některé experimenty to potvrzují, že díky setrvačníku by úspora energie při nerovnoměrném pohybu mohla být 20-30 %. Na rozdíl od má setrvačníková baterie další výhody. Výrazně nižší výrobní náklady, provozní spolehlivost i při nízkých teplotách a životnost srovnatelnou s celkovou životností automobilu.

setrvačník výřez

Současné nejmodernější lithium-iontové baterie je třeba v  po několika letech provozu vyměnit. Potrvá ještě min. pět až deset let, než se podaří vyřešit současné problémy li-ion baterií a jejich cena klesne natolik, aby byly elektromobily cenově konkurenceschopné automobilům se spalovacím motorem.

V tomto mezidobí představuje setrvačník velmi slibné řešení krátkodobé akumulace energie ve vozidle. Setrvačník by se z tohoto důvodu mohl v nejbližší budoucnosti stát standardní součástí hybridních a elektrických vozidel.

Zpět na HybridPřidat komentář
Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Zná někdo odkaz na setrvačníky jako skladování energie v podnicích
na vyrovnávání špiček.
Tam tak gyroskopický moment nevadí.Jen od rotace země.
Díky za info
MT

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Jenom tak ze zvědavosti jsem si spočítal, že pokud by byl setrvačník tvaru tlustostěnného pláště válce o vnějším průměru průměru těch 30 cm a např. vnitřním průměru 20 cm, m = 20kg a otáčky 60 000 min-1, čili 1000 s-1, pak by energie takového setrvačníku byla 6,4 MJ. Průměrná výhřevnost benzínu je 32 MJ/l, čili při spotřebě automobilu 7 l/100km by jízda pouze na setrvačník vystačila cca na 2,9 km.

Myslím, že to není až tak tragická hodnota, protože např. energie akumulátoru předchozí generace Toyoty Prius (nevím, jak je tomu u současné)při jízdě 50 km/h vystačila zhruba na 2 km.
Další hledisko, které není vhodné opomenout, je, že při jízdě pouze na setrvačník by pohonná jednotka měla daleko vyšší účinnost než spalovací motor (i kdyby pouze 60%, takže dvojnásobek), takže by se dojezd "pouze na setrvačník" zdvojnásobil.

Dobrý den, rád bych doplnil Váš výpočet a zajímavou energetickou úvahu. Při zvolených parametrech v příkladu (m=20kg,d1=0.2m,d2=0.3m,n=60000min-1) vychází energie skutečně 6,4MJ. U baterií se obvykle uvádí údaj v kWh. Při převodu 1kWh=3600Ws=3600J pak vychází kapacita setrvačníku 1,78kWh. Tuto energii 1,78kWh resp. 6,4MJ lze ovšem přeměnit pro pohon vozidla s účinností okolo 80-90%, tedy s výrazně vyšší účinností než u spalovacího motoru. Mechanická energie v setrvačníku se totiž přemění v generátoru na elektrickou a ta vzápětí v trakčním elektromotoru opět na mechanickou. Při orientační spotřebe 20kWh/100km by taková energie vystačila na necelých 9km.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Dobrý den, děkuji za doplnění. Já jsem to nijak nechtěl přehánět s účinností, abych nebyl nařčen, že přeháním, protože se elektřinou příliš nezabývám.

Každopádně zde zazněl správný názor, že při tak vysokých otáčkách bude setrvačník velmi namáhán (z velké části na tah), přičemž síly budou dosahovat hodnot 10^7 nebo 10^8 N (tak nějak mi to myslím vycházelo při zjednodušeném výpočtu). Čili na materiál setrvačníku budou kladeny velké nároky, nejen na jeho pevnostní charakteristiky, protože např. při vnzniku trhliny by se takový setrvačník mohl rozletět.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Ono to zas asi nebude take jednoduche roztocit 20 kg otackami 60000 za minutu. Jednak tam bude velka odstrediva sila, velke razy, velke naroky na vyvazenie, atd... Urcite to nebude tak jednoducha a lacna zalezitost, ako sa pise v clanku. A v podmienkach, ked auto jazdi po nerovnych cestach, zrychluje a spomaluje, nebude ani to ulozenie v loziskach bez problemov. Pre sportove auta na rovnych povrchoch sa to mozno da urobit, ale do nejakej mastskej premavky to urcite nebude najlacnejsie a urcite nie najjednoduchsie riesenie. V USA by tomu povedali, ze to nie je dost "robustne" rieswnie. Ale myslim, ze zotrvacnik by sa dal pouzit velmi vyhodne v nejakych kontrolovanych podmienkach na rychle dobijanie baterii na dobijacich staniciach. Dali by sa nim perfektne vyrovnavat nerovnomerne poziadavky na dobijanie (vela aut naraz) zo siete a bolo by to aj velmi ekologicke a bezpecne riesenie (v porovnani so skladovanim vodika, alebo vysokonapatovym vedenim v dazdi, atd...).

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Velká odstředivá síla tam bude, ale při správném vyvážení nebude působit na ložiska, protože se jednotlivé elementy této síly navzájem vyruší.
Ovšem to zrychlování a zpomalování, ale i samotné zatáčení vozu (viz gyroskopický moment v článku), budou mít vliv na změnu směru momentu hybnosti setrvačníku, takže setrvačník bude de-facto klást odpor proti rozjíždění vozu, zatáčení, brzdění.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Pri tej odstredivej sile nejde ani tak o vyvazenie, ale o to, ci take otacky znesie material zotrvacnika. Odstrediva sila je reakcia na dostredive zrychlenie materialu zotrvacnika.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

otáčky 60000 za minutu dosahují běžně turbíny leteckých motorů při nesrovnatelně větším průměru a délce a tudíž dramaticky větších dymamických silách působících na celé uložení, navíc jde o zařízení složené ze stovek dílů a tudíž vyvážitelné nesrovnatelně obtížněji než kus železa poměrmě jednoduché a relativně kompaktní kontrukce

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Nemozete porovnavat letecky motor so zotrvacnikom. Tie dve veci nemaju vela spolocneho, akurat, ze sa tocia. Turbina musi byt co najlahsia a zotrvacnik presne naopak. Pre zotrvacnik je idealne mat co najvacsiu vahu na co najvacsom polomere.

Možno predbieham no nerozumiem celkom princípu. Zotrvačník by bol napojený mechanicky alebo elektricky.
Mechanicky chápem, tak že vo vhodný čas by sa pripájal, resp odpájal cez nejakú spojku.
Elektricky, že by odoberal časť prebytočnej energie (zrejme pri hybridných vozidlách) a rotáčal by sa vlastným elektromotorom a v čase potreby by zas bol schopný generovať elektrickú energiu naspäť pre elektromotor poháňajúci auto?
Zásadnou pre ďalšie použitie zrejme bude cena a množstvo uloženej energie. Mám pocit, že zotrvačníky budú zvádzať súboj hlavne so superkondenzátormi. Ako to vyzerá v porovnaní s nimi?


Nabíječky elektromobilů CircontrolAutonabíjení.cz - vše pro Váš elektromobilveletrh e-Salon
O ČEM SE PRÁVĚ DISKUTUJE?