IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электромобили - залог здорового будущего планеты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сегодня мы являемся свидетелями настоящей революции, которая в ближайшие годы может буквально перевернуть нашу жизнь. Речь идет о бурном развитии электротранспорта – одной из главных тенденций современной промышленности.
Развитие электротранспорта находится в общемировом тренде перехода на чистую или возобновляемую энергетику. Так человечество пытается хотя бы приостановить глобальную климатическую катастрофу. Всё больше стран заявляет о желании полностью отказаться от автомобилей с ДВС уже в ближайшие десятилетия. Среди них Великобритания, Франция, Индия, Германия и Израиль.
Реальны ли такие планы? Смогут ли электромобили полностью заменить привычные дизельные и бензиновые авто, и сколько это будет стоить мировой экономике? Прежде чем ответить на эти вопросы, следует сказать несколько слов о самих электромобилях, об их недостатках и преимуществах, интересной истории, а также основных отличиях от традиционных авто.
1.История создания электромобилей.
134 года назад, 29 января 1886 года Карл Бенц получил патент на свой первый автомобиль. С тех пор этот день считается Днем Рождения автомобиля или Днем изобретения автомобиля с бензиновым двигателем.
Электромобиль появился раньше, чем двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Ещё в 1828 году венгерский изобретатель Аньос Джедлик смастерил передвигающуюся на электрической энергии тележку, больше напоминающую скейтборд, нежели автомобиль. Изобретение Джедлика послужило мощным толчком в развитии данного направления инженерии. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году.
Появившиеся электромобили заметно превосходили своих бензиновых “собратьев” практически по всем параметрам. Они были тише, проще в управлении, ездили быстрее. Электрокарам принадлежат почти все ранние рекорды скорости, и даже знаковую планку в 100км/ч первым преодолело авто с электрическим мотором.
В 1899 году в Санкт-Петербурге русский дворянин и инженер-изобретатель Ипполит Романовсоздал первый русский омнибус на 17 пассажиров. Романов даже разработал схему городских маршрутов для этих прародителей современных троллейбусов и получил разрешение на работу. Однако, найти нужные инвестиции не смог, поэтому дело не получило развитие.
Позже возрождение интереса к электромобилям было дважды: в 1960-е годы из-за экологических проблем автотранспорта и в 1970-е годы из-за резкого роста стоимости топлива в результате энергетических кризисов.
В последние годы в связи с непрерывным ростом цен на нефть электромобили вновь стали набирать популярность. В 2008 году Tesla Motors – американская автомобильная компания - начала выпуск спортивного электромобиля Tesla Roadster, не уступающего по ходовым качествам обычным автомобилям.
2. Внутреннее устройство электромобиля
Электромобиль – это тип автомобиля, приводящийся в движение тяговым электродвигателем (ТЭД). От привычных троллейбусов и трамваев он отличается наличием автономного источника энергии, которым, как правило, является химический аккумулятор (АКБ). Внешне электрокары весьма похожи на своих бензиновых “собратьев”: вы не заметите особой разницы в системе управления, устройстве ходовой части или конструкции кузова.
2.1. Конструкция ЭМ, устройство, отличие от ДВС.
Основными элементами электромобиля являются:
Тяговый электродвигатель (ТЭД).
Аккумуляторная батарея.
Трансмиссия.
Зарядное устройство.
Инвертор.
Преобразователь постоянного тока.
Система управления.
Сердцем любого электрокара является двигатель (1). В настоящее время автопроизводители чаще всего используют устройства переменного тока – асинхронные и синхронные (с постоянными магнитами ). Они могут быть одно-, двух- или трёхфазными. Некоторые модели авто комплектуются сразу двумя моторами: синхронным и асинхронным. Ещё одним интересным решением является так называемый мотор-колесо, в котором ТЭД передача, тормозная система и непосредственно само колесо объединены в единый агрегат.
Важнейшей частью конструкции подобных авто является инвертор (5), преобразующий постоянный ток аккумуляторной батареи в переменный, необходимый для энергопитания двигателя. Кроме этого, инвертор (5)способен моделировать частоту и амплитуду тока, меняя тем самым вращение мотора и его мощность.
Зарядное устройство (4)позволяет пополнять запас энергии в аккумуляторе, а преобразователь постоянного тока (6) питает через отдельную батарею дополнительные системы автомобиля.
Специальная электронная система (7) управляет тягой двигателя и рекуперативным торможением, регулирует напряжение, обеспечивает плавность хода авто, производит запас заряда в батареях. Практически получается, что для управления электромобилем достаточно одной педали: при нажатии на педаль газа машина набирает скорость, при отпускании этой же педали, происходит торможение. Энергопитание силовой установки обеспечивает тяговая аккумуляторная батарея (2), которая состоит из ряда модулей, соединённых последовательно. Аккумуляторные модули могут оснащаться системой охлаждения, которая значительно повышает эффективность работы батареи.
Электрический мотор имеет массу преимуществ по сравнению с традиционным двигателем внутреннего сгорания. Главное из которых – высочайший уровень эффективности, а также простота конструкции. Коэффициент полезного действия (КПД) любого ТЭД составляет от 90% до 95%, тогда как у ДВС этот показатель обычно не дотягивает и до 40%.
2.2. Достоинства и недостатки электромобилей
К сильным сторонам, несомненно, можно отнести следующее:
Экологичность. Электродвигатель во время работы не выделяет никаких вредных выхлопов. Электрокарам не нужны масляные и воздушные фильтры, они используют гораздо меньше смазочных материалов, что очень неплохо для окружающей среды.
Низкая стоимость эксплуатации. Электроэнергия дешевле бензина. Дешевле всего заряжать авто дома, использую льготный ночной тариф. Кроме того, владельцу электрокара не приходится тратиться на моторные масла, свечи зажигания, антифриз и фильтры. Плановое ТО существенно дешевле, да и проводить его нужно гораздо реже.
Надёжность и долговечность. По сравнению с бензиновыми авто, конструкция электромобилей настолько незамысловата, что в них практически нечему ломаться. Электрокар содержит в десятки раз меньше количество деталей, чем его бензиновый аналог.
Высокий КПД мотора и его динамика. Это обеспечивают особенности электрической силовой установки.
Бесшумность. Электромобили практически не шумят, поэтому их массовое использование сделает наши города гораздо тише и комфортнее.
Безопасность. Низкий центр тяжести уменьшает риск опрокидывания электрокара на 50% по сравнению с любым бензиновым авто. Отсутствие мотора перед водителем существенно повышает его шансы на выживание во время фронтального столкновения. Электрокары горят реже в 11 раз, чем автомобили с ДВС.
Минусы электоромобилей следующие:
Невысокая ёмкость аккумуляторных батарей. Это главное на сегодняшний день, в чем проигрывают электрокары автомобилям с ДВС. Запаса батареи хватает для легкового на 300-500 км по городу. Конечно, этого маловато для осуществления дальних грузовых перевозок.
Долгая зарядка. Для полной “заправки” легкового электрокара от обычной бытовой розетки понадобится от 8 до 12 часов. Есть, конечно, станции быстрой зарядки, где весь процесс займёт от 30 до 40 минут, но всё равно это ощутимо дольше, чем залить полный бак бензина на АЗС.
Высокая стоимость электромобилей. Экология – это, конечно, здорово, но большинство потребителей ориентируются в первую очередь на ценник товара. Одной из главных причин является высокая стоимость батареи, которая на первых порах составляла едва ли не половину цены машины. Когда наконец-то наладится действительно массовое производство электромобилей, тогда и решится проблема с массовым выпуском батарей, будут отработаны все цепочки поставок, инженеры доработают все мелочи конструкции.
Недостаточное количество зарядных станций. Пока это действительно проблема. Если в Китае, в США, в Европе вы уже можете путешествовать, не боясь быть “обесточенным”, то в бывших советских республиках ситуация с зарядными станциями достаточно печальная.
Статистика
Чтобы объективно оценить будущее электрокаров, обратимся к статистическим данным.
В 2010 году в странах Евросоюза было всего лишь 700 электрических машин, а в 2017 году – на континенте продали 1260000 электрокаров и подзаряжаемых гибридов.. В 2018 году в мире эксплуатировалось около 5,6млн электрических авто, а через год прирост составил 2.2 млн штук!
Пятерка лидеров по количеству электрокаров выглядит так:
Китай
США
Норвегия
Великобритания
Франция
Самой “электромобильной” страной мира является Норвегия. В этой стране с населением в 5,5 млн человек почти 30% всех авто – электрокары или гибриды. В начале нынешнего года более 40000 граждан Норвегии стояли в очереди за своими электромобилями. Добиться подобных результатов удалось благодаря продуманной государственной политике.
Сложилась уникальная для мирового автопрома ситуация: если раньше производители думали, как реализовать свою продукцию, то сегодня основной проблемой является изготовить её в требуемых количествах.
Исследования аналитических агентств показали, что общая сумма инвестиций в электромобили составляет 300млрд долларов, 45% которых приходится на Китай. Средства пойдут на разработку и производство новых аккумуляторов, постройку и переоснащение автозаводов, развитие инфраструктуры для электрокаров!
Больше всего в отрасль планирует вложить Volkswagen/Audi/Porsche, на втором месте находится Mercedes/Smart, на третьем – Hyundai/Kia.
Электромобиль в России
После создания первого омнибуса Ипполитом Романовым, работа над созданием электрокара в России прекратилась. Первая мировая война и революционные события в нашей стране надолго приостановили развитие электротранспорта в Советской России.
Отечественные производители.
Только с 1935 года опять начинается работа в этом направлении. На базе автомобиля ГАЗ-А был построен первый советский электромобиль. Тогда же был создан первый электробус на основе троллейбуса. В 50х годах XX века создается электромобиль для перевозки почтовых грузов. В октябре 1978 года советские инженеры демонстрировали машину, работающую на переменном токе на всемирной выставке в Филадельфии. Машина с такой разработкой была единственной. Сейчас предпочтение отдается именно переменному току.
В период с 1980-1985 годы было выпущено 65 штук автомобилей УАЗ-3801. В 2005 году создан электромобиль нового поколения на базе УАЗ. Также ВАЗ выпустил опытную партию электромобилей, но массовой ни одна из моделей не стала.
В июле 2008 года московское правительство объявило о покупке электротранспорта для муниципальных нужд.
В 2011 году вышло поручение Президента РФ : “ … разработать программу государственного стимулирования поэтапной замены муниципального транспорта электромобилями и гибридными автомобилями отечественного производства, а также определить меры финансовой поддержки отечественных разработок….и предоставление льгот …”
Льготы Правительства России для пользователей ЭМ и производителей ЭМ.
Льготы, необходимые для пользователей:
Государственная субсидия на покупку автомобиля.
Бесплатная или частичная оплата парковки.
Предоставление скидок на электроэнергию.
Страховые льготы.
Освобождение от транспортного налога.
Льготы, необходимые для производителей:
Налоговые льготы.
Льготы на НДС.
Государственные субсидии.
5. Экологический вопрос
Ещё полвека назад стало ясно, что темпы автомобилизации влекут за собой экологические проблемы. Так что в 1960-е годы человечество вновь обратилось к электрокарам с целью защиты окружающей среды, а в 1970-е – ещё и из-за стремительного роста цен на топливо в результате энергетических кризисов.
Популярность электромобилей начала набирать обороты в 1990-е годы в США, когда Калифорнию признали одним из самых загазованных регионов. Как только электромобили начали раскручиваться, дело приняло неожиданный оборот: внезапно был отменён закон о транспорте с нулевым выбросом. General Motors отозвало автомобили у пользователей и уничтожило их, объяснив это окончанием срока службы аккумуляторов.
Сегодня причина таких мер очевидна – нефтяной бизнес мог потерять миллиарды долларов дохода из-за производства электромобилей. Более того, многим концернам грозило банкротство, сотни тысяч людей остались бы без работы.
В мире давно поняли, что шутки с природой могут обойтись человечеству слишком высокой ценой. Автотранспорт создает в крупных городах обширные зоны с долей загрязнения воздуха в 70-90%. В связи с ростом количества личного автотранспорта смог над большими городами стал приметой времени. Часто наблюдаются “пробки” на дорогах, в этих пробках длительное время простаивают автомобили, отравляя окружающую среду не меньше, чем при нормальном режиме езды. Но передвигаются машины при этом со скоростью пешехода! Один из путей решения проблемы глобального загрязнения экологии - внедрение электромобилей.
Электромобильный бум начнется со стимулирующих мер от государства, задача которого перераспределять деньги налогоплательщиков на те цели, которые могут не приносить прибыли в ближайшие годы (иначе в них бы уже и так вложился частный бизнес), но в итоге обеспечивают выживание и благополучие общества.
В связи с этим возникает вопрос – неужели необходимость сохранить планету живой и дышащей, а человечество здоровым не является аргументом для поддержания производства электротранспорта в мировом масштабе?
Заключение
Разработчики электромобилей ориентируются на сложившийся тип организации движения транспорта, а транспортники организуют движение под существующие транспортные средства.
Создание принципиально новых машин должно позволить выбраться из пробочного ада с обеспечением максимально возможного комфорта для людей. Поэтому автогиганты двинулись в сторону создания нового типа небольшого городского автомобиля. Большинство из них одноместные, напоминающие больше мотоциклы, управление которым рассчитывается электроникой.
В ходе исследования был выявлен высокий интерес к электромобильной тематике. Большинство респондентов считают себя первопроходцами , которые хотели бы купить электромобиль или рассматривают его в качестве возможного приобретения. Но после покупки эйфория улетучивается. В первую очередь из-за цены. Доплата за электромотор составляет не менее 10000 долларов США. Важно отметить, что в начале XX века цены на электромобили и авто с ДВС были примерно одинаковыми. Во-вторых, из-за небольшой дальности пробега на одной зарядке, ее необходимо как минимум удвоить. И в-третьих, время зарядки. В идеале ее продолжительность должна быть не больше, чем у топливных авто.
В США на рубеже XIX- XX веков приблизительно 38% авто имели электрические моторы, 40% - паровые, и только22% использовали двигатели внутреннего сгорания! Подкосили дальнейшее активное производство электротранспорта те же недостатки, что и сегодня – низкая ёмкость аккумуляторов и длительности подзарядки. Были и другие причины. В 1908 году Генри Форд совершил революцию в производстве авто с бензиновым двигателем. Через несколько лет цены на такие авто упали вдвое. Плюс к этому, началась активная добыча техасской нефти, что превратило жидкое топливо в доступный и дешёвый ресурс.
Спустя почти два десятка лет подобную революцию в автомобилестроении сделал Никола Тесла. Он предложил заменить ДВС на Электричество. Это, несомненно, автомобиль будущего, автомобиль XXI века.
Человечеству необходимо постоянно и серьезно задумываться о том, какие необратимые процессы возникают в природе из-за постоянных технических совершенствований и нанодостижений. Технический прогресс должен всегда идти рука об руку с живой природой, а сила мысли человека должна быть направлена на созидание, а не на уничтожение!
Список литературы
Семенов В.Г. “Концепция использования электромобилей в крупных городах”, ЭнергоСовет.ру
Федотов Ю.Б., Шевелев К.А. “История создания и развития электромобилей”, журнал Огарев-Онлайн, 2014г.
Коврига Е.В. , Сумская О.А. “Электромобили, как решение проблемы обеспечения экологичности окружающей среды”,2017г.
Зарипов Р.Ю. “Анализ применения солнечных элементов питания на автомобильном транспорте”, 2017г.
Википедия.
Фильм про TESLA – YouTube.