Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия

Николай Яковлевич Надеждин

Кто подарил нам компьютеры, маленькие транзисторные приёмники и фломастеры? Как и когда были сделаны эти изобретения? Как устроен проигрыватель дисков DVD и что такое цифровое телевидение? На множество подобных вопросов ответы можно найти в этой книге.

Глава 9

Электромобиль — прошлое, настоящее и будущее

Рассказывая о первых шагах развития автомобиля, мы упустили одну важную деталь. Автомобиль конца XIX — начала XX века был вовсе не бензиновым чудищем, напоминавшим карету с мотором. Это был… электромобиль. Да, да, самые массовые модели, во всяком случае, самые продаваемые, выпускавшиеся если ни тысячами, то десятками и сотнями, имели электрический двигатель. И скоростной барьер в 100 километров в час взял гоночный электромобиль, а не автомобиль. Правда, в силу разных причин электромобиль быстро сошёл со сцены. И к началу Первой мировой войны электромобили уже воспринимались как технические казусы, бесперспективные самобеглые игрушки, но не как средство транспорта.

Почему это произошло? Почему электромобиль не получил развития? Ну, не совсем так — электромобили выпускались всегда и в достаточно ощутимых количествах. Это первое. И второе — они и не могли конкурировать с автомобилями, имевшими двигатели внутреннего сгорания, в силу технических причин.

Аккумулятором энергии бензинового двигателя служит жидкое топливо — бензин. Это справедливо для любого теплового двигателя, для газовой турбины, реактивного мотора, паровой машины. Кстати, первые автомобили имели и паровые двигатели. Причём, паровой двигатель считался удобней, практичней, чем двигатель внутреннего сгорания, поскольку работал на любом подручном топливе — чурках, соломе, жидком топливе. А двигателю внутреннего сгорания нужен был бензин, который приходилось добывать из сырой нефти путём отделения от неё лёгких фракций. Переработка нефти находилась ещё в зачаточном состоянии, а потому бензин был дорог и малодоступен.

Но вернёмся к электромобилю. Аккумулятором энергии электромобиля является перезаряжаемый источник постоянного тока — кислотный свинцовый аккумулятор. Есть множество иных типов аккумуляторов, в частности, энергоёмкие и долговечные щелочные аккумуляторы. Но в начале века они были ещё не изобретены, да и потом, с их появлением, выяснилось, что у кислотного аккумулятора конкурентов нет. Свинцовый аккумулятор выдерживает очень большие токи нагрузки, легко обслуживается и, главное, очень дёшев в производстве и эксплуатации. Сразу оговоримся — дёшев в сравнении с другими типами аккумуляторов, с щелочными элементами. А сравнивать его с доступностью бензина просто невозможно, поскольку это затраты разного порядка, эксплуатация электромобиля оказывается гораздо дороже.

Как работает «аккумулятор» бензинового двигателя? Накопленная древними растениями солнечная энергия содержится в нефти в виде горючих углеродных соединений. Сгорая в двигателе, эта энергия высвобождается и превращается в механическое действие — в крутящий момент на валу двигателя и, в конечном итоге, во вращение колёс автомобиля. Так же работает «аккумулятор» парового двигателя, только здесь используется солнечная энергия, накопленная современными растениями (если используются дрова) или древних (если используется каменный уголь). В аккумуляторе электромобиля используется электрическая энергия, накопленная во время заряда. То есть мы не можем взять природные «энергетические консервы» в готовом виде, а должны сначала зарядить аккумулятор, подав на его выводы электрический ток. Следовательно, сам процесс «заправки» электромобиля значительно удлиняется — прежде чем подключить к аккумулятору электрический ток, нам придётся его, этот ток, каким-либо образом выработать (запустить электрогенератор с приводом от гидротурбины или от того же теплового двигателя). И это сильно влияет на стоимость эксплуатации автомобиля с электрическим приводом.

Далее — энергоёмкость только что рассмотренных аккумуляторов энергии очень сильно различается. Самым ёмким окажется жидкое топливо. Сжигая литр бензина, мы можем получить столько энергии, сколько даст свинцовый аккумулятор огромных размеров. Меньше энергоёмкость каменного угля и ещё меньше у древесины. Но это легко восполняемый ресурс — во всяком случае, в начале XX века, чего не скажешь об электроэнергии. Энергоёмкость определяет в конечном счёте мощность двигателя, скорость и дальность поездки на транспортном средстве. Даже сегодня, когда выпускаются очень ёмкие аккумуляторы, серийный легковой электромобиль (а таковые производятся) способен двигаться со скоростью в 50—70 километров в течение 2—3 часов. После этого электромобиль нуждается в многочасовой зарядке аккумуляторов. С бензиновым мотором даже сравнивать не хочется…

Но есть же у электромобиля и достоинства? Есть. Да ещё какие достоинства! Во-первых, абсолютная экологичность — электромобиль не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. Во время активной разрядки из аккумулятора в небольших количествах выделяется только водород, который безвреден для окружающей среды. Но здесь не следует забывать об оборотной стороне дела — о работе электростанций, которые вырабатывают энергию, которой заряжается аккумулятор электромобиля. Если электростанция тепловая, то вредные выбросы всё равно имеют место. Но не такие токсичные, как у выхлопа автомобильного мотора (поскольку у стационарных электростанций есть целая система фильтров очистки отработавших газов). Затем — простота и надёжность конструкции. Электромобилю не нужна сложная многоступенчатая трансмиссия. Электромотор можно встроить в ступицу колеса и, таким образом, до предела упростить ходовую часть машины. Но и здесь есть свои «подводные камни». Полный электропривод всех четырёх колёс — это замечательно. Но электродвигатель не обладает гибкостью сблокированного с коробкой передач двигателя внутреннего сгорания. Рабочий диапазон оборотов ротора достаточно узок. Поэтому на троллейбусах, которые тоже относятся к электромобилям, устанавливают двухступенчатые коробки передач. А ещё мотор-колесо, так называется встроенный в колесо электродвигатель, сильно увеличивает неподрессоренную массу электромобиля, ухудшая работу подвески и ходовые характеристики транспортного средства. Наконец, аккумулятор электромобиля можно сделать сменным, заменяемым на «заправочных» (точнее — зарядных) станциях, упростив решение проблемы нехватки энергии для движения электромобиля. Но это, как раз, решение больше теоретическое, чем практическое. Нет таких станций. И, скорее всего, появятся они не скоро (если появятся вообще).

Существует и целый ряд второстепенных проблем, которые ан первый взгляд не видны. Например, электромобили хуже справляются с подъёмами, а плавность разгона оставляет желать лучшего. Салон электромобиля приходится отапливать ТЭНами — трубчатыми нагревательными элементами, а это дополнительный расход и без того дефицитной электроэнергии…

И всё же электромобили выпускаются и в очень больших количествах, которые, правда, трудно сравнить с количеством выпускаемых автомобилей. Электрокары и электропогрузчики, используемые в промышленности, строительстве и в складском деле — это электромобили. На электромобилях разъезжают туристы, осматривающие достопримечательности, и игроки в гольф. В начале нашего столетия в США начато производство электрического компьютеризированного самоката «Джинджер», которому прочили роль «транспорта будущего», но он им пока, по всей видимости, не стал… Наконец, мы каждый день входим в троллейбус, который пусть и частично, но можно отнести к электромобилям. Конечно, троллейбус привязан к токонесущим проводам — троллеям. Но если приглядеться, то можно легко различить «настоящие» троллейбусы и троллейбусы со вспомогательными дизельными двигателями. Там, где троллей нет, такой троллейбус передвигается, как обычный автобус.

Мы подошли к любопытной теме — к транспортным средствам с гибридными силовыми установками. Это изобретение не сегодняшнего и даже не вчерашнего дня. Огромные карьерные самосвалы — «Комацу» и «Белазы» — снабжены гибридными силовыми установками. Двигатель внутреннего сгорания (огромный, локомотивный!) вращает вал генератора, который вырабатывает электрический ток. А вместо механической трансмиссии здесь применяются мотор-колёса со встроенными электромоторами.

Кроме упомянутых «автобусов-троллейбусов», выпускаются и легковые автомобили с гибридными силовыми установками. Но устроены они иначе, чем карьерные самосвалы. В этих машинах обычный автомобильный двигатель приводит во вращения колёса через обычную автомобильную трансмиссию. Но в городе, там, где крайне необходимо сократить выбросы до минимума двигатель отключается и в работу вступает электродвигатель и кислотный свинцовый аккумулятор, а двигатель внутреннего сгорания останавливается. Разряженный аккумулятор заряжается от генератора — в то время, когда работает основной бензиновый мотор. Это одна из двух распространённых гибридных схем силовой установки. Вторая же схема устроена проще. Здесь двигатель внутреннего сгорания работает постоянно — он приводит во вращение генератор, который заряжает аккумулятор электромобиля. А колёса приводятся только электродвигателем. Смысл этой конструкции в том, что работающий на постоянных оборотах двигатель выбрасывает в атмосферу меньше вредных веществ, меньше потребляет горючего (поскольку не работает с ускорениями и торможениями) и, между прочим, меньше шумит. Подобные легковые автомобили выпускаются небольшими сериями, а потому достаточно дороги (один из производителей — Toyota). Говорят, за этими машинами будущее.

А что же «чистые» электромобили? Разработки электромобилей будущего не сходят с кульманов конструкторов. Но проблема в том, что электромобилю нужен принципиально иной источник энергии — не свинцовый (и даже не щелочной) аккумулятор, у которого слишком много недостатков (и ничтожный кпд — коэффициент полезного действия), а — топливный элемент. В этих источниках тока в качестве «топлива» используется вода (как источник водорода). Водород вступает в химическую реакцию с материалом электродов, и топливный элемент вырабатывает электроэнергию, которая и используется для привода электромоторов.

На какой стадии находятся разработки? Вот одно из недавних сообщений. Компания Toshiba обещает в скором времени выпустить серийные ноутбуки, у которых в качестве источника питания будет применяться топливные элементы. Значит, ждать осталось недолго. Сначала портативный компьютер, затем — электромобиль…