Я рад вас приветствовать, друзья.

Приведенная ниже информация может быть интересна людям, которые поддерживают проекты, связанные с альтернативной энергетикой, возможностями, которые наша планета предоставляет для получения энергии и способами ее рационального использования.

Обеспечение частных домохозяйств, мини бизнеса и мини-производств энергией, создание экологически чистого транспорта с максимально широким спектром его использования, включая средства доставки - наземные и воздушные, личный и общественный транспорт, в том числе и водный, спец транспорт для выполнения разного вида работ и решения разных задач. Это малый перечень из того, что людям необходимо создать быстро и качественно.

Материал не является широким обзором разных вариантов аккумулирования энергии, сравнении их преимуществ и недостатков. Приведенные ниже данные интересны были для меня, как для новатора, создающего и продвигающего свой проект по данной теме.

Электричество - самый привычный, приемлемый и необходимый вид энергии для человечества на протяжение последних 100 лет. Подавляющее большинство инструментов, оборудования и гаджетов работают благодаря электричеству.

Даже те, которые работают благодаря предварительно сжатому воздуху, заряженному аккумулятору, сжиженному азоту, или выделенному водороду. Электричество является вторичной энергией, получаемой из первичных источников. В мировом производстве ЭЭ доли различных источников в % соотношении выглядят примерно так:

Данные в разных источниках не сильно, но разнятся и доля возобновляемых источников постоянно увеличивается (к 2040 году должна составить 40%).

Но при современных темпах развития электротранспорта генерация ЭЭ должна возрастать постоянно. Например, в России на 70% в год, а в США на 90% в год.

И это при том, что в 2020 году доля автомобилей с электродвигателем составила 0,7% от общего их количества. Так что генерировать не перегенерировать. Оговорюсь сразу - производством ЭЭ в промышленных масштабах занимаются очень серьезные специалисты с умными головами на плечах и они на месте точно не сидят. Я это понимаю и стараюсь только помочь.

Транспорт

Он везде, разный по назначению, средам, в которых он работает, силовым агрегатам, которые приводят его в действие. Он шумит, занимает много места, стоит дорого, загрязняет окружающую среду и сам по себе пахнет не очень. Но отказаться от него нельзя никак. Все это понимают и стараются его усовершенствовать, акцентируя внимание на его силовых агрегатах.

ДВС

Решение для своего времени прекрасное. Тысячи гениальных инженеров доводили его до совершенства, на его основе были созданы целые отрасли и направления, миллиарды людей получили работу. Колоссальные нагрузки по времени, весу, комфорту были переложены с плеч на рамы машин, кораблей, самолетов. Но коллективный разум и коллективная экономика приняли решение о закрытии этого направления в пользу развития других.

Уже практически все ведущие автопроизводители объявили о постепенном, в ближайшие годы переходе на электротягу. Правительства ведущих промышленных стран обозначили сроки, после которых ДВС будут вне закона. Надежда на то, что воздух в городах станет чище перестает быть призрачной и не осуществимой. Король умер, да здравствует король.

Водородный транспорт

Экологически чистый, КПД у ДВС - 35%, КПД водородника более 45%. Автобус канадской компании Ballard Power Systems показал КПД - 57%.

Сырье доступно. Toyota, Honda и Hyundai уже производят, Daimler, Audi, BMW, Ford, Nissan и многие другие - разрабатывают. Водород используется как в чистом виде, так и  в смеси, как на ДВС (не лучший вариант), так и на роторных ДВС. Технология водородных топливных элементов позволяет производить ЭЭ для электродвигателя на борту автомобиля без участия ДВС. Среди негативных моментов в использовании водорода выделено несколько:

• летучесть водорода самая высокая среди газов, полбака топлива BMW Hydrogen испаряется за 9 дней. Испарение происходит через самые незначительные микропоры.

• второй негативный фактор использования водорода - его взрывоопасность при смешивании с воздухом. В июне 2019 г. на водородной заправочной станции в Норвегии по причине утечки водорода произошел мощный взрыв.

Toyota и Hyundai приостановила продажу своих водородных автомобилей до выяснений причин взрыва. Все водородные заправки в Норвегии были закрыты.

Строительство водородных заправок обходится в 5 - 10 раз дороже бензиновых.

Сложность и стоимость производства водорода из природного газа значительно выше стоимости другого топлива, при получении водорода методом электролиза себестоимость возрастает в 2,5 - 3 раза. Перевод транспорта на водород, полученный путем электролиза, например, во Франции потребует увеличить производство ЭЭ в 4 раза. Получается, что водород на всех этапах: производство, хранение, транспортировка, заправка автомобилей, использование, значительно дороже и опаснее других источников энергии. Некоторые автопроизводители объявили о сворачивании водородных проектов в пользу электрических. Тем не менее в авиации, космосе, на железной дороге он находит достойное применение.

Морской транспорт из-за использования низкокачественных и дешевых сортов топлива выбрасывает в атмосферу оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный.

Сотни компаний объединяются в консорциумы и некоммерческие организации с целью развития водородных технологий для морского транспорта. Германия производит и получает заказы на подводные лодки U-212, Испания начинает производство подводных лодок S-80, Исландия переводит все рыболовецкие суда на водород.

Море, космос, большегрузный транспорт - это те позиции, за которые водород может побороться на правах одного из лидеров.

Электротранспорт

Беспроводной электротранспорт доказал и продолжает подтверждать свою состоятельность как глобальный проект. Практически все автопроизводители, плюс созданные недавно компании усиленно осваивают рынок электрокаров, который находится в стадии зарождения.

Акции Тесла за последний год подорожали  в 9 раз, а китайская компания NIO (которая предлагает бизнес-модель BaaS "аккумулятор как услуга" - это возможность купить электромобиль без АКБ, водитель платит ежемесячную аренду за использование батареи) увеличила цену своих акций в 14 раз и обошла по размеру капитализации Daimler и General Motors.

Преимущества электротранспорта очевидны:

• экологичность - фактор важный для жителей больших городов с "пробками" и "тянучкой", складские погрузчики и средства доставки на ДВС просто невозможны;

• адаптивность - нет необходимости в создании более сложного оборудования, станков, агрегатов. Все технологии для перехода на электротягу известны, понятны и развиваются как запланировано.

• технические - КПД тягового электродвигателя - 88-95%, у ДВС - 22-42%;

• возможность рекуперативного движения при торможении и использование амортизаторов для получения энергии. В статье за 2011 год есть интересные данные. Коллектив лаборатории Университета штата Нью-Йорк во главе с профессором Лей Цзо разработал устройство, преобразующее энергию удара в электричество, повышая энергоэффективность авто до 8%.

Принцип заключается в следующем: магнитная трубка колеблется большей по размерам катушки. Грузовики и внедорожники смогут вырабатывать до 10 кВт на не очень хорошей дороге. Время окупаемости 1-2 года. "Если хотя бы 5% из 256 млн зарегистрированных в стране автомобилей будут оснащены этой системой, мы создадим рынок, объемом более $6 млрд. Общая  энергия, которую нам удастся произвести за год, будет больше, чем энергия электростанции на Ниагарском водопаде" Цзо.

Компания Audi также сделала ротационный амортизатор, вырабатывающий электричество от колебаний подвески.

- уровень шума электромобилей регулируется от минимального до необходимого.

- у электромобилей нет коробки передач и они не потребляют моторное масло.

А еще у электромобилей есть АКБ. Все недостатки электротранспорта это следствие технических особенностей аккумуляторной батареи в данный момент. Одно исключение - это слабо развитая структура. Но это ненадолго. Меньший запас хода по сравнению с аналогичными версиями, комплектуемыми ДВС.

- влияние температуры: при низких температурах электромобили больше теряют в запасе хода по сравнению с ДВС. При увеличении температуры электроника ограничивает выдаваемую мощность.

- зарядка занимает значительно больше времени, чем заправка ДВС.

Экологичность: АКБ на любом из этапов - изготовление, эксплуатация, переработка, утилизация очень сильно оставляет желать лучшего. По данным T&E на апрель 2020 г. выбросы вредных веществ при производстве и эксплуатации АКБ на 22% меньше, чем у дизеля и на 28% меньше, чем у карбюратора. Обидно, что не учли утилизацию. Батарея постоянно деградирует, в зависимости от условий эксплуатации. Через 10-15 лет использовать ее по назначению не имеет смысла. Переработка и утилизация АКБ очень вредна и стоит не дешево.

Для перевода транспорта на АКБ необходимо такое количество элементов и металлов, которого нет на Земле. Немало  статей и видео роликов, в которых рассказывается о работе известных институтов и лабораторий по улучшению характеристик АКБ, но  у любой технологии есть предел, который выражен весом, размером, энергоемкостью, экологичностью, безопасностью и противодействием компаний, получающих прибыль от использования технологий сегодняшнего дня. Последнее - он дорогой.

Пневмотранспорт

Много известных и менее значимых автопроизводителей разрабатывали и продолжают разрабатывать пневмомобили по нескольким причинам: 

• это безусловно экологичность. На любом этапе, включая изготовление, эксплуатацию, переработку и утилизацию оборудования. Более чистой технологии нет. Развитие пневмотранспорта подразумевает применение новых материалов, необходимых для облегчения кузова пневмомобилей, изменение конструкции для размещения баллонов со сжатым воздухом и другие решения, которые ставят автопром на более высокий технологический уровень.

Силовые агрегаты, используемые в пневмотранспорте известны и понятны давно и их изготовление не требует новых дорогих материалов, оборудования, условий. Практически все, что использовалось автопроизводителями, может быть легко адаптировано и применено при создании пневмомобилей. Об уровне задействованности сжатого воздуха людьми говорят следующие цифры. В странах Европы около 10% электроэнергии расходуется промышленностью на производство сжатого воздуха. Это соответствует 80 ТВт часам в год.

На данный момент несколько крупных производителей, пройдя трудный путь первопроходцев и потратив на исследования немало лет, смогли представить предсерийные концепты пневмо литражек для города.

Скорость заправки и количество циклов зарядки-разрядки сопоставимо с транспортом на жидком топливе.

Холодный воздух, который образуется при работе может быть использован при необходимости в салоне авто или помещении.

Уровень влияния температуры внешней среды на работу пневмомобиля в сравнении с автомобилями, оснащенными ДВС и электромобилями самый низкий.

В 2009 году на Женевском автосалоне франко-итальянская компания MDI преобразовала пневмо коляску MDI AIRpod и ее более продвинутый вариант MDI OneFlowAir. MDI AIRpod воздушному двигателю, мощностью 5,45 л.с. мог разогнать трехколесную микролитражку до скорости 75 км/ч.

Запас ее хода составлял 100 км в базовом варианте и 250 км в более продвинутом. Заявленная стоимость передвижения пол евро на 100 км (2009 г). 

Индийский автогигант Tata, используя усовершенствованный силовой агрегат MDI, купив право на использование разработок последней за $28 млн предложили полноценный 4-ёх колесный микроавтомобиль с багажником MiniCAT.

При весе 350 кг он обладал запасом хода 120 км и разгонялся до 100 км/ч.

Компания Peugeot планировала в 2016 г. оснастить кроссоверы Peugeot 208 гибридной силовой установкой ДВС и пневмотягу, в котором 80% движения в городском цикле происходит за счет сжатого воздуха, скорость ограничивается до 70 км/ч . Предполагаемая суммарная экономия топлива равна 35%.

Honda Air, Volvo Air Motion, Cadillac Aera, пневмовелосипеды, мопеды, мотоциклы, автобусы. Многие компании продолжают разработки в этом направлении. Даже тот факт. что ни одна модель не пошла в серию не останавливает новаторов - приз того стоит.

• Экологичность самая высокая на любом из этапов.

• Воздух доступен.

• При соблюдении простейших правил техники безопасности технология не приносит вреда ни людям, ни окружающей среде.

• Сырьё, станки, технологии, необходимые для развития пневмотранспорта и его инфраструктуры имеются в наличии в данное время, причём с возможностью масштабирования. 

• Пневмотранспорт предполагает малый вес кузова, нет необходимости во многих тяжеловесных агрегатах и узлах трансмиссии, упрощая тем самым конструкцию шасси и снижая стоимость примерно на 20%. На качестве дорог это тоже отразится положительно.

• Заправку транспорта можно осуществлять на компрессорных станциях за несколько минут, а можно дома за 4-5 часов от домашнего или бортового компрессора, подключившись к сети.

Но при всех преимуществах технологии, при большом количестве сильных компаний на этом рынке и нескольких десятилетий потраченных ими, серийных образцов пневмомобилей нет до сих пор. Один из недостатков технологии это низкий КПД пневмодвигателя. В качестве мотора используются переделанные поршневые или роторные аналоги ДВС. КПД пневмодвигателя 5-7%, а у ДВС 18-20%. Ещё один - относительно низкая плотность энергии - 50 кВт*ч, а литр бензина - 9411 кВт*ч.

Законы термодинамики тоже не дают расслабиться. При сжатии воздух сильно нагревается и на это уходит много энергии, а при расширении сжатого воздуха происходит сильное охлаждение и без качественного влагоотделения влага, которая есть в охлажденном воздухе превращается в лед, который попадая в пневмодвигатель, может привести к его поломке. Сейчас существует несколько проектов по аккумулированию сжатого воздуха в построенных под водой резервуарах, или в подземных соляных шахтах.

В последнем случае тепло, выделяемое во время сжатия аккумулируется и используется во время расширения, значительно повышая энергоэффективность технологии.

Недостатком является ограниченная энергоемкость пневмоаккумуляторов (баллонов), и их вес. Но и здесь прогресс не стоит на месте. В качестве материалов применяют алюминий, углепластик, кевлар, как по отдельности, так и в сочетании их друг с другом, интегрируя баллоны в части кузова автомобиля.

Как мы видим, любой вариант аккумулирования энергии (водород, АКБ, сжатый воздух), в момент минимальной нагрузки на энергосети, с целью возврата накопленной энергии во время пикового потребления явного преимущества не имеет.

Два фактора - энергия, без которой человек не сможет ни жить, ни развиваться и экологичность, без которой сможет, но не долго. Могут существовать только в согласии друг с другом. Третий фактор - экономическая целесообразность, улучшаясь с каждым годом должен поддерживать два первых, ни в коем случае не пытаясь занять позицию лидера.

Прошу еще несколько минут Вашего внимания, для того, чтобы объяснить Вам свой интерес к этой теме. Как и любой из жителей больших городов, который ежедневно тратит по несколько часов в день на дорогу из дома на работу и обратно и, проводя немалую часть этого времени в "тянучках" и "пробках", я прекрасно понимаю, что экологически чистый транспорт это само по себе уже хороший результат. 

  Из всех технически возможных вариантов, существующих на данный момент, мне лично, ближе всего пневмотранспорт, слабым местом которого я считаю применение в качестве силового агрегата модернизированных аналогов поршневых и роторных ДВС.

Возможным техническим решением проблемы я вижу применение тороидального универсального механизма (Торум). Техническое применение Торума это компрессор, насос, двигатель, электродвигатель, электрогенератор с возможностью, применяя механическую энергию использовать Торум как электрогенератор и насос, или компрессор, используя электроэнергию, получать работу двигателя и компрессора или насоса. Давление сжатого воздуха дает нам возможность применять Торум как электрогенератор и двигатель совместно, или раздельно по необходимости.

Такие технические возможности позволяют, при использовании энергии сжатого воздуха, обеспечивать подводное транспортное средство, или дрон любого назначения, или склад, или дом и т.д. необходимым количеством электроэнергии, механической работой, достаточным количеством дыхательной смеси любой чистоты и гарантированной возможностью эвакуироваться на поверхность. И все это при экологической нейтральности, простоте и дешевизне при изготовлении и эксплуатации Торума. Еще маленький бонус - возможность использования энергии сжатого воздуха неоднократно. Получить сжатый воздух, имея энергию ветра, волны и солнца вполне осуществимая задача и создание сети заправок по маршруту фантастикой не является.

Возможность использования этого решения на земле и в воздухе больше в разы. Применяя Торум в качестве гидрогенератора с пневмоаккумулятором с помощью способа, при котором “побочкой” является горячая вода и холодный воздух прекрасно подойдет для домохозяйств и микробизнеса.

Использование инфраструктуры сетей заправок, которые есть на данный момент позволит развить пневмотранспорт планомерно, не внося хаоса в работающую систему транспортных потоков. Чистый воздух в городе без экологических последствий - это вызов, который нужно принимать. Есть еще много информации, которую я не могу обсуждать в широком поле, но сложив воедино такие составляющие как экологичность, безопасность, простота, адаптируемость и добавив новые возможности, экономическая целесообразность сжатого воздуха приобретает совсем другие значения. 

Сейчас хочу предложить его использование в качестве гидрогенератора с пневмонакопителем, где жидкость выполняет роль передаточного звена в передаче энергии от накопителя. Минимальное количество деталей механизма, простота и дешевизна его изготовления, малый вес и габариты, это только часть преимуществ Торума в сравнении с применяемыми в данное время вариантами.

Краткое описание устройства Торума

Внутри пустотелого тороидального продольно-рассеченного блока находится кольцевой поршень. В канавках, нарезанных в поршне, установлены компрессионные полукольца. Смазывающе охлаждающая жидкость (СОЖ) из одного блока под давлением подается через редуктор по синей магистрали к втулкам (на видео втулки обозначены коричневым цветом), пройдя путь от одной втулки к следующей, жидкость по красной магистрали, через редуктор направляется в другой бак. Между блоком и поршнем есть зазор - рабочие камеры. Между втулками и поршнем зазор минимальный - втулки удерживают поршень в определенном положении. Проходя через втулки компрессионные полукольца прячутся в канавках поршня. Пройдя втулки полукольца разжимаются и выполняют свою работу. Магниты, находящиеся в кольцевом поршне, проходя сквозь индукционные катушки (установленные на блоке) вырабатывают электроэнергию. Если правильно подавать электричество на катушки, Торум можно использовать как насос, компрессор, или двигатель. Также, работу можно получить с помощью маховика, магниты которого взаимодействуют с магнитами поршня. При использовании в связке, например, Торум + генератор одной станины взаимосвязь маховика с поршнем можно обеспечить без подшипников. Маховик - это колесо, пропеллер, винт, привод другого оборудования.

Еще одним преимуществом использования такого варианта является невозможность появления льда в механизме от слова вообще. Возможность получать работу при уравнивании давления в 2-ух и более баллонах  - тоже хороший бонус.

Мы проводили компьютерное моделирование механизма на кафедре Биотехники и инженерии (КПИ им. Игоря Сикорского) при следующих заданных параметрах: диаметр поршня в продольном сечении 250 мм, диаметр поршня в поперечном сечении 25 мм, материал - нержавеющая сталь AISI 316, вес поршня - 2 кг 480 г, вес механизма - приблизительно 5 кг. Давление на входе в систему принимало 2 значения: 3 кг/см2 и 5 кг/см2.

Получены следующие результаты:

Данные характеристики сравнимы с характеристиками двигателя F8CV, устанавливаемом на автомобиль Daewoo Matiz, при весе последнего 70 кг:

⦁ рабочий объем - 796 см3

⦁ мощность - 38 кВт - 52 л.с. 

⦁ крутящий момент 64 Нм

Увеличив продольный диаметр поршня на 50% и оставив при этом поперечный диаметр без изменений, компьютерное моделирование показало увеличение крутящего момента и мощности на 80%.

По данной теме получены патенты на изобретения в Украине и Российской Федерации, проводится работа по получению патентов в доработанном варианте еще в нескольких странах. Пройдена международная экспертиза в Швейцарии.

Четко понимая, усилий какого количества ученых и специалистов в разных областях необходимо для продвижения проекта, буду рад советам специалистов в разных областях, буду рад общению, буду рад конструктивной критике и интересным решениям. Буду рад максимально содействовать всем желающим достойно реализовать себя в этом проекте.

Заинтересованы в сотрудничестве со специалистами в областях, имеющих отношение к проекту Торум. Искренне надеемся, что каждый желающий сможет достойно реализовать себя в нашем проекте.

Благодарю Вас за уделенное время!

С уважением, Александр.

Всех, кого заинтересовал проект прошу писать на почту: torum.group@gmail.com