Доклад: Солнечный транспорт
В 1982 г. известный австралийский искатель приключений Ханс Толструп на построенном им с Ларри Перкинсом солнцемобиле "Quiet Achiever" ("Тихий рекордсмен") пересек пятый континент с запада на восток со средней скоростью 20 км/ч. Автомобилисты, легко разгонявшиеся до 200 км/ч на серийных машинах, завидев неторопливый экипаж, снисходительно улыбались...В 1996 г. победитель IV Международного ралли солнцемобилей - "Dream" ("Мечта"), на создание которого японская компания "Honda" не пожалела 2 млн долл., прошел 3000 км между Дарвином и Аделаидой со средней скоростью почти 90 км/ч, на отдельных участках достигая 135 км/ч. Снисходительных улыбок уже не было...
Во имя чего авто- и аэрокосмические концерны вкладывают в экзотические солнцемобили миллионы долларов? Дело не только в амбициях и рекламе, но и в том, что транспорт на солнечной энергии со временем поможет выбраться из глобальной экологической катастрофы и энергетического кризиса.
Автомобиль, воплотивший мечту человека о свободе передвижения, тем не менее, называют чумой XX в. Завоевав планету, он стал главным потребителем невосполнимых природных ресурсов, загрязнителем земли, воды и воздуха, источником шума. Его доля в загрязнении атмосферы Москвы - еще недавно одной из самых чистых столиц - превышает 90%.
Автомобиль ХХI в. должна быть экологически чистым. Во всех развитых странах реализуются государственные программы по экологичному и экономичному транспорту. Так, в США по программе PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles - сотрудничество в создании нового поколения транспортных средств) в 1999-2004 гг. выделено. 161млн долл. на разработку прототипа экологически чистого легкового автомобиля с расходом топлива не более 3 л на 100 км.
К наиболее перспективным транспортным средствам грядущего столетия относят электромобиль. Однако его источники энергии - аккумуляторные батареи - пока не могут конкурировать с бензином и дизельным топливом. Без качественного скачка их характеристик электромобили будут иметь ограниченное применение (перевозки по заданным маршрутам, выставочные, парковые и другие закрытые зоны). Пока они не сравнимы с традиционными автомобилями ни по техническим данным, ни по стоимости, ни по удобству эксплуатации. Конкурентоспособное и сравнительно "чистое" транспортное средство сегодня можно разработать только по схеме "гибридного электромобиля" с комбинированной энергетической установкой, включающей двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электродвигатель и буферный накопитель энергии. Исследования по программе PNGV подтверждают технико-экономическую целесообразность создания такого электромобиля, который примерно на порядок "чище" обычного автомобиля из-за меньшего расхода топлива и работы ДВС в оптимальном режиме.
Экологическая чистота электромобиля на самом деле далеко не бесспорна (если его аккумуляторы заряжают энергией от тепловых электростанций - это, по сути, "нефте-" или "углемобиль", если же от атомных - "атомобиль"). Иное дело солнцемобиль - разновидность электромобиля, получающего электроэнергию от бортовых или стационарных фотопреобразователей. Благодатное Солнце - поистине неисчерпаемый источник экологически чистой и бесплатной энергии. Национальные программы развития гелиоэнергетики и гелиотехники приняты в 70 с лишним странах - от Скандинавии до Австралии.
Однако, как ни впечатляют достижения рекордсменов трансавстралийских и других престижных ралли, солнцемобили на дорогах сегодня не встретишь. Похоже, что и в ближайшем будущем солнцемобили смогут позволить себе лишь нынешние обладатели "Rolls-Royce", "Ferrari" и "Porsche".
Специалисты полагают, что солнечный транспорт станет всерьез конкурировать с автомобильным, когда эффективность доступных по цене солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей) составит 40-50%. Пока же их КПД всего 10-12%. Чтобы солнцемобили с мощностью солнечных батарей 1,5-2 кВт "догнали" автомобили с двигателями в 100 раз мощнее, необходимо использовать легкие и прочные конструкционные материалы, эффективные системы электропривода, достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук. Конструкции транспортных средств будущего и отрабатываются на ралли солнцемобилей.
У солнцемобилей достигнут минимальный для наземных экипажей коэффициент аэродинамического сопротивления (0,1). Опыт концерна "General Motors" при разработке рекордного солнцемобиля "Sunracer" ("Солнечный гонщик") использован в проектировании электромобиля "Impact" ("Удар"), серийное производство которого началось в 1996 г. Его скорость достигает 130 км/ч, до 100 км/ч он разгоняется за 9 с и на обычных свинцово-кислотных аккумуляторах проходит 100 км.Специально для солнцемобилей сконструированы легкие бесколлекторные двигатели постоянного тока с магнитами из редкоземельных металлов и КПД до 98%, а также эффективные микропроцессорные системы управления. В 1993 г. на трех солнцемобилях - лидерах трансавстралийских гонок впервые низкооборотные двигатели встроили непосредственно в ступицы ведущих колес. Идея мотор-колеса, сама по себе не новая, в солнцемобилях позволила отказаться от трансмиссии и довести КПД привода до 96-97%. В 1996 г. в трансавстралийском ралли участвовало уже 12 таких конструкций, а компания "Honda", вдохновленная успехом своей "Мечты", приступила к серийному выпуску электровелосипедов с мотор-колесом. Известные производители шин - "Michelin", "Bridgestone", "Dunlop" - разрабатывают новые материалы и протекторы для покрышек солнцемобилей. Уже созданы шины, которые при хорошем сцеплении с дорогой обладают самым низким коэффициентом сопротивления качению - всего 0,007. Фирма "Michelin" производит подобные энергосберегающие шины и для серийных автомобилей.
Солнечные батареи небольшой мощности на обычных автомобилях кондиционируют воздух в салонах и подзаряжают пусковые аккумуляторы на стоянках, питают радио- и телеаппаратуру.
Солнцемобили участвуют в образовательных программах ряда стран, содействуя не только техническому, но и экологическому образованию. Так, после победы в первых международных гонках в Австралии "Sunracer" проехал по Северной Америке и Западной Европе, делая остановки в университетах, колледжах, школах, музеях, автосалонах и местах проведения конференций по гелиоэнергетике, электротехнике, электронике. За год в 170 таких акциях его увидели 8,5 млн человек. Более 100 тыс. школ США и Канады получили материалы о нем (лекции, компьютерные программы, задачи, описания экспериментов). Разработку солнцемобиля использовали как учебные проекты в колледжах. Цикл лекций о солнцемобилях, прочитанный в Калифорнийском технологическом институте, издан отдельной книгой, которая есть в любом университете США. Как считает президент "General Motors" Р. Штемпл: "Главная цель проекта "Sunracer" - способствовать повышению уровня теоретических и инженерных знаний в университетах, стимулировать интерес студентов к современной технике...". Этой же цели служат организованные "General Motors " и Министерством энергетики США гонки солнцемобилей по дорогам штатов Флорида, Алабама, Теннеси, Кентукки, Индиана, Огайо и Мичиган специально для команд технических университетов и колледжей США и Канады. Участие в гонках рассматривается как дополнение к прослушанному курсу. Каждый университет самостоятельно разрабатывает конструкцию, ищет средства, подбирает материалы и комплектующие, строит и испытывает оригинальный солнцемобиль, обучает гонщиков и т.д. Три победителя студенческих гонок участвуют в трансавстралийском ралли "Всемирный солнечный вызов".
Солнцемобили конструируют студенты и школьники всех континентов. Это позволяет овладеть последними достижениями в различных областях науки и техники и освоить разные специальности - от программиста и электронщика до слесаря и гонщика. Международная федерация солнцемобилей (ISF) ежегодно проводит до 30 соревнований экипажей и судов с солнечными батареями. Более половины участников - школьники и студенты технических колледжей и университетов.
Солнцемобиль - такая же сложная машина, как современный автомобиль. Но в серийном автомобиле все отлажено, он выпускается огромными партиями с гарантией на десятки тысяч километров пробега. Солнцемобиль же - всегда уникальный образец, сделанный энтузиастами. Бывало, прибывшая в Японию или Австралию команда так и не могла стронуть с места заупрямившийся "солнечник". Мелкие и крупные ремонты, переделки, доводки - удел всех команд. На ралли все оказывают поддержку и посильную помощь. Случалось, студент из Швейцарии перед стартом паял микросхему заокеанскому сопернику, а редкая деталь из японских запасов выручала команду австралийских школьников. В "Комсомольской правде" участники одного из ралли названы "детьми Солнца": "В них было что-то и детское, и философское, и бескорыстное. Они хотят спасти Землю, уберечь ее от преждевременной траты. Они говорят: не обязательно ездить очень быстро, но обязательно - очень экономно, чтобы что-то осталось детям, внукам, правнукам, чтобы не коптило и не громыхало".
На меня особое впечатление произвело участие в гонках солнечных велосипедов в Австралии осенью 1999 г. команды специальной школы "Woodville" из Аделаиды. Ребята с заметными задержками и отклонениями в развитии в экстремальных условиях австралийской пустыни на равных состязались с профессионалами, съехавшимися на престижное ралли со всех континентов. Нужно было видеть их сияющие глаза и улыбки на пьедестале почета - их трехколесный "Dynamic 2000" занял третье место!
На наших глазах рождается новый интеллектуальный вид спорта. К сожалению, и один из самых дорогих - это состязание не только интеллектов, но и кошельков. Отсутствие спонсоров затрудняет участие российских команд в международных ралли и регатах. Семейный коллектив "Экотранспорт" в составе автора и двух его сыновей в последний раз представлял самодельный солнцемобиль на соревнованиях в Японии летом 1995 г., а позже был вынужден выступать на требующих меньших затрат солнечных велосипедах и надувном катамаране с солнечными панелями. С 1990 г. мы 16 раз участвовали в международных ралли и регатах на трех континентах. Во время этих престижных международных соревнований рядом с государственными флагами других стран гордо реял российский триколор. В этом факте не было бы ничего необычного, если бы о нем ведала хотя бы одна государственная, общественная или спортивная организация России.
В развитии экологически чистого транспорта Россия заметно отстает от других стран. Между тем, солнцемобили вполне могли бы разрабатываться на оборонных предприятиях в рамках конверсии. Например, на российско-американском предприятии "Совлакс" в Москве фотопреобразователи получают в виде тончайших пленок из аморфного кремния. Низкий расход полупроводниковых материалов и автоматизированное производство заметно снижают их стоимость. Производительность конвейерной линии по выпуску солнечных элементов методом непрерывного осаждения аморфного кремния на тончайшую подложку из нержавеющей стали составляет 2 МВт/год. С конвейера сходят гибкие и легкие модули, выгодно отличающиеся от хрупких и тяжелых конструкций из кристаллического кремния на стекле.
Не уступающие зарубежным схемы велосипедных электроприводов без трансмиссии разработаны Московским научно-инженерным центром "Мехатроника", фирмой "Инкар" в подмосковном Королеве, ТОО "Рэдос" (многоцелевые моторы В.А.Евсеенкова). К сожалению, это лишь единичные образцы, из года в год бесплодно путешествующие по международным выставкам и салонам.
Виктор Евсеенков на базе низковольтного электродвигателя постоянного тока с дисковым печатным якорем разработал гамму мотор-колес различной мощности для таких транспортных средств, как электроколяска для инвалидов, электровелосипед, электроскутер, электровелорикша, электроплатформа. Его оригинальные конструкции, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, отличаются надежностью, быстродействием и безопасностью, малым уровнем шума и радиопомех, легко ремонтируются. В 1999 г. я участвовал в международном ралли солнечных велосипедов через австралийскую пустыню (по словам организаторов, "последнем великом приключении миллениума") на трехколесном веломобиле с мотор-колесом Евсеенкова под тентом из модулей "Совлакса".
В лабораториях мира в муках рождаются аккумуляторы и топливные элементы, энергоемкость которых не меньше, чем у бензина и дизтоплива. Но большинству из них предстоит еще долгий путь к массовому потребителю. Другие обладают поистине замечательными свойствами, но баснословно дороги. Одно из исключений - никель-металл-гидридные аккумуляторы, разработанные "Совлакс" и американской фирмой "Ovonic". Долговечные и доступные по цене (при массовом производстве) эти аккумуляторы вскоре начнет выпускать в г. Глазове "Чепецкий механический завод". Удмуртские специалисты обладают уникальными достижениями в разработке многокомпонентных сплавов. Один из них стал основой отрицательного электрода для новых аккумуляторов с высокими энергоемкостью и сроком службы. На предприятиях Москвы и Подмосковья созданы тяговые конденсаторы большой емкости, заменяющие привычные аккумуляторные батареи. Их заряжают всего минуты, а срок их службы на порядок больше, чем у аккумуляторов. Они почти не требуют затрат на обслуживание, легко поддаются утилизации и не загрязняют окружающую среду.
Конструкторы многих стран пытаются предугадать контуры солнцемобиля будущего. Так, японская компания "Sanyo" выпустила опытную партию открытых одноместных экипажей с солнечной панелью площадью 0,6 м2, за 6 часов заряжающей никель-кадмиевую аккумуляторную батарею. Запас хода трехколесного транспортного средства весом 50 кг составляет 36 км, максимальная скорость 24 км/ч. Другая японская компания "Hokuriku Electric Power" предлагает солнцемобиль "Феникс" с солнечной панелью мощностью 750 Вт и скоростью 40 км/ч.
Сегодня наибольший практический интерес представляют "легкие электротранспортные средства" с электрическим или мускульным приводом и солнечными батареями. Президент американской компании "EV Global Motors" Ли Якокка убежден, что в ближайшие годы тот или иной вид электротранспорта: электророллер, электроскутер, электромобиль, электровелосипед - будет у каждого американца.
Разработка легких электротранспортных средств, в том числе с солнечными батареями, в рамках национальной программы позволила бы не только преодолеть наше отставание в этой области, но и предложить на внутреннем и международном рынках широкий ассортимент наукоемкой продукции с новыми потребительскими свойствами.
Список использованной литературы :
Журнал "Экология и жизнь". Статья А.C. Пополова, кандидат технических наук.