Μάθημα ομιλίας για ΗΣ: Το ηλεκτρικό σκάφος, εξηγήσεις για εσωτερικής καύσεως μηχανοεραστές
Ήρθε η ώρα: Τα ηλεκτρικά σκάφη και τα πλοία έρχονται. Είναι αναπόφευκτο, οπότε είτε σου αρέσει είτε όχι, ήρθε η ώρα να το αποδεχθείς. Πρώτον, όμως, πρέπει να κατανοήσουμε μερικούς όρους και τις βασικές έννοιες πίσω από αυτούς τους όρους πριν μπορέσουμε να πάμε σε λίγο πιο βαθειά νερά. Διάβαζες και άκουγες για ηλεκτρικά σκάφη και αναρωτιόσουν, “Τι σημαίνουν όλα αυτά;” Είμαστε εδώ για να βοηθήσουμε.
Βολτ (V):
Σκεφτείτε το βολτ ως μέτρηση της ηλεκτρικής “πίεσης”, όπως θα βρείτε σε έναν κοινό σωλήνα νερού στον κήπο. Για μια δεδομένη διάμετρο του εύκαμπτου σωλήνα, η αύξηση της πίεσης μετακινεί περισσότερο νερό. (Το νερό είναι ισοδύναμο με την ισχύ σε αυτήν την αναλογία.)
Αμπέρ (Α):
Συνεχίζοντας την αναλογία του εύκαμπτου σωλήνα νερού στον κήπο, σκεφτείτε τα αμπέρ (aka amp) ως μέτρηση της ηλεκτρικής “ροής”, με έναν εύκαμπτο σωλήνα μεγαλύτερης διαμέτρου – υψηλότερη ένταση – που ρέει περισσότερο νερό (ηλεκτρική ενέργεια) σε οποιαδήποτε δεδομένη πίεση (τάση).
Βατ (Watt):
Με το όνομα του James Watt, ο οποίος όρισε επίσης τον όρο “ιπποδύναμη”, το watt είναι ένα μέτρο της δαπάνης ενέργειας με την πάροδο του χρόνου. Οι λεπτομέρειες δεν έχουν σημασία εδώ. Αυτό που έχει σημασία είναι ότι το watt μετρά ακριβώς το ίδιο πράγμα που κάνει η ιπποδύναμη. Είναι απλά μια διαφορετική μονάδα. Όπως λίτρα και γαλόνια. Ένας ιππος δύναμη ισούται με 745,7 watt.
Κιλοβάτ (KW):
Το κιλοβάτ είναι μόλις 1.000 βατ. Τα Watt είναι μικρά, οπότε ένα σύνολο από αυτά πρέπει να ομαδοποιηθούν για να έχουν νόημα στον κόσμο της ισχύος σε επίπεδο σκάφους: Ένα κιλοβάτ είναι ίσο με 1,34 ίππους.
Ιπποδύναμη:
Μια μονάδα που αρχικά εφευρέθηκε για να βοηθήσει στις πωλήσεις και την εμπορία ατμομηχανών, μετρώντας την παραγωγή των τότε νέων μηχανημάτων με γνωστούς, κατανοητούς όρους. Όπως και το watt, η ιπποδύναμη είναι ένα μέτρο της παροχής ενέργειας με την πάροδο του χρόνου.
Ροπή:
Ένα μέτρο μιας δύναμης που εφαρμόζεται γύρω από έναν άξονα. Με απλά λόγια, είναι το πόσο σκληρά μπορεί κάτι να στρίψει μια βίδα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ροπή είναι ανεξάρτητη από την κίνηση ή το χρόνο. Ροπή μπορεί να εφαρμοστεί στις μηδέν στροφές/λεπτό. Για να βγάλεις νόημα από αυτό, σκέψου να στρίψεις ένα πόμολο μέχρι να σταματήσει και μετά να το κρατάς εκεί. Η δύναμη που χρησιμοποίησες για να το γυρίσεις είναι η ροπή, το ίδιο και η δύναμη που χρησιμοποιείς για να την κρατήσεις, παρόλο που το πόμολό σου δεν περιστρέφεται πλέον.
Ιόντα λιθίου:
Ένας γενικός όρος που καλύπτει πολλά διαφορετικά σκευάσματα της μπαταρίας. Με τους πιο βασικούς όρους, μια μπαταρία ιόντων λιθίου είναι οποιαδήποτε μπαταρία που χρησιμοποιεί κάθοδο με βάση το λίθιο (θετικό ηλεκτρόδιο). Κατά τη διαδικασία φόρτισης, τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια παρέχονται στην άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο), αντλώντας φορτισμένα σωματίδια λιθίου (ιόντα) μέσω ηλεκτρολύτη από την κάθοδο στην άνοδο, όπου αποθηκεύονται. Όταν η μπαταρία εκφορτίζεται, τα ιόντα μετακινούνται πίσω στην κάθοδο λιθίου, απελευθερώνοντας τα αποθηκευμένα ηλεκτρόνια για να κινηθούν, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Ένας διαχωριστής εμποδίζει το ρεύμα να ταξιδέψει μέσα στην μπαταρία.
Στροφείο:
Ο στροφέας είναι, όπως υποδηλώνει το όνομα, η περιστρεφόμενη αιχμή σε έναν ηλεκτροκινητήρα. Σκέψου το σαν τον στροφαλοφόρο άξονα μιας μηχανής καύσης. Οι δυνάμεις στο μοτέρ προκαλούν τον στροφέα να περιστρέφεται, και αυτή η περιστροφή είναι η έξοδος του κινητήρα.
Στάτορας:
Τα σταθερά μέρη που περιβάλλουν το περιστρεφόμενο τμήμα ενός ηλεκτρικού κινητήρα. Ο στάτορας προκαλεί τον στροφέα να περιστρέφεται δημιουργώντας ένα συνεχώς περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο γύρω από την περιφέρειά του. Αυτό το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο του ρότορα, προκαλώντας το να περιστρέφεται.
Σύγχρονο μοτερ μόνιμου μαγνήτη:
Το μαγνητικό πεδίο του στροφέα τροφοδοτείται από μόνιμους μαγνήτες σπανίων γαιών και περιστρέφεται σε συγχρονισμό με το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτορα, εξ ου και το “σύγχρονο” μέρος του ονόματος.
Ασύγχρονο μοτέρ 3-φάσεων μόνιμου μαγνήτη:
Αντί για τους σύγχρονους κινητήρες, οι ασύγχρονοι κινητήρες είναι σαν κινητήρας επαγωγής, ένας μόνιμος κινητήρας μαγνητών έχει ένα στάτορα διαμορφωμένο για να παρέχει μια σειρά από πόλους, συνήθως για μια τρισδιάστατη παροχή. Ωστόσο, αντί να περιέχει ράβδους στροφέα, ο στροφέας έχει μαγνήτες τοποθετημένους ή ενσωματωμένους στο σώμα. Αυτοί οι μαγνήτες, οι οποίοι είναι συχνά κατασκευασμένοι από στοιχεία σπάνιων γαιών (νεοδυμίου ή κοβαλτίου σαμαρίου), παρέχουν ένα ισχυρό μόνιμο μαγνητικό πεδίο γύρω από τον στροφέα.
Αυτό το πεδίο αντιδρά με τους περιστρεφόμενους μαγνήτες του στάτορα (με τον ίδιο τρόπο όπως σε έναν κινητήρα επαγωγής), αλλά υπάρχει μια σημαντική διαφορά: σε αντίθεση με τον κινητήρα επαγωγής, ο οποίος βασίζεται στην περιστροφική ολίσθηση μεταξύ των μαγνητικών πεδίων ρότορα και στάτορα για να προκαλέσει ένα μαγνητικό πεδίο στον στροφέα, σε έναν μόνιμο κινητήρα μαγνήτη, ο στροφέας ακολουθεί απευθείας το μαγνητικό πεδίο στάτορα. Επιπλέον, το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που μαγνητίζει – απομαγνητιζει τους κατάλληλους πόλους του μοτέρ. Έτσι, μεταβάλλοντας το χρονισμό ή το μοτίβο της διαδικασίας, οι κινητήρες ΑC θα μπορούσαν να μεταβάλουν την ταχύτητά τους απείρως και να αλλάξουν την κατεύθυνση περιστροφής.
Μπορεί να φαίνεται ότι τα ηλεκτρικά σκάφη είναι περίπλοκα και ακατανόητα,παρέα με όλα τα καλώδια και τις μπαταρίες τους και τους αθόρυβους κινητήρες και τους υπολογιστές συνδεδεμένους σε όλη τη διάρκεια για να ελέγχουν την κατάσταση. Ακόμα χειρότερα, συχνά μετρούνται σε άγνωστες μονάδες και επισημαίνονται με ακούσια ονόματα. Είναι σχεδόν αδύνατο για τους περισσότερους ανθρώπους του σκάφους να δουν ένα φύλλο προδιαγραφών που τονίζει την χωρητικότητα της μπαταρίας, την απόδοση του κινητήρα σε κιλοβάτ και την τάση φόρτισης και να φτιάξουν μια αρχή και ένα τέλος για το τι σημαίνουν πραγματικά αυτές οι προδιαγραφές, με την έννοια του χρησιμοποιούμε μόνο την κρίση μας και των αποκλειστικά δικών μας γνώσεων.
Αλλά δεν χρειάζεται να παραμείνει έτσι. Είναι δυνατόν να χτίσετε μια συνολική κατανόηση του θέματος και να καταλάβετε τους αριθμούς των Η.Σ. ή τουλάχιστον να πλησιάσετε αρκετά σε μια τέτοια κατανόηση. Ακριβώς όπως οι περισσότεροι εραστές των μηχανών εσωτερικής καύσεως και των γραναζιών, ίσως ειδικά οι ναυτικοί της παλιάς σχολής, γνωρίζουν ότι το 1 λίτρο είναι περίπου 61 κυβικές ίντσες, υπάρχουν εύχρηστες αναφορές πίσω από το στοιχείο και για άλλου είδους μετατροπές.
Πάρτε για παράδειγμα την ιπποδύναμη και τα κιλοβάτ. Όπως σημειώνεται στην εικόνα 1 στην αρχή, 1 ίππος ισούται με 745,7 watt. Χαίρομαι που το μαθαίνω, αλλά τι σημαίνει; Πες ότι θέλεις να μάθεις πόσα κιλοβάτ είναι το υπερφορτισμένο V-8 σου. Εύκολο: Για να μετατρέψετε από ιπποδύναμη σε κιλοβάτ, απλά αφαιρέστε το ένα τέταρτο του αριθμού ιπποδύναμης (π.χ. εάν το V-8 σας βαθμολογείται με 800 hp, αφαιρώντας τις αποδόσεις ενός τετάρτου έχουμε 600 kW, ένα αποτέλεσμα εντός 1 τοις εκατό της ακριβούς μετατροπής). Θέλετε να καταλάβετε πόση ιπποδύναμη παράγει το νέο Η.Σ.; Απλά αυξήστε τον αριθμό των κιλοβάτ κατά ένα τρίτο. Η αντιστροφή του προηγούμενου παραδείγματος το καθιστά προφανές. Τώρα πια δεν θα μπερδευτείτε ποτέ ξανά, ώστε να πάρετε μια αίσθηση για το πόσα Knots μπορείτε να περιμένετε από 236 kW.
Μετά είναι οι μπαταρίες και η φόρτιση. Πολλά νέα γίνονται στον κόσμο των Η.Σ.όταν ένας κατασκευαστής σκαφών ή προμηθευτής φόρτισης ανοίγει ένα νέο σύνολο σταθμών φόρτισης, συνήθως υψηλότερης χωρητικότητας και προσφέρει μικρότερους χρόνους επαναφόρτισης από πριν. Η Tesla, για παράδειγμα, ξεκίνησε πρόσφατα νέους εξαιρετικά γρήγορους σταθμούς φόρτισης 250 kW και το δίκτυο γρήγορου φορτιστή της Porsche κυκλοφόρησε για την φόρτιση των μπαταριών της Taycan, φορτιστές 270 kW. Αν και μοιράζονται παρόμοια μέγιστα νούμερα εξόδου ισχύος, έφτασαν εκεί με διαφορετικούς τρόπους. Εκεί έρχονται βολτ και ενισχυτές.
Μπαταρίες αυτοκινήτων όπως οι μπαταρίες του Tesla Model S και του Model 3 λειτουργούν σε ονομαστικές τάσεις περίπου 375 volts και 350 volts, αντίστοιχα. (Τα δημοσιευμένα στοιχεία διαφέρουν ελαφρώς.) Οι μπαταρίες της Porsche Taycan λειτουργούν στα 800 βολτ ονομαστική. Έτσι, για να φορτίσει η Tesla το Μοντέλο 3 3 των 350 βολτ με 250 kW, πρέπει να στείλει ston ενισχυτή περίπου 715 Amps και μέσω καλωδίωσής της στην μπαταρία. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται μερικούς σωλήνες μάλλον μεγάλης διαμέτρου — ή, στον πραγματικό ηλεκτρικό κόσμο, καλώδια μεγάλης διαμέτρου. Το Taycan, από την άλλη πλευρά, χρειάζεται μόνο έναν ενισχυτή 312 Amps για να επιτύχει ένα ποσοστό φόρτισης 250 kW στα 800 βολτ. (Με τον κατάλληλο γρήγορο φορτιστή, το Taycan μπορεί να φορτίσει μέχρι 270 kW, το οποίο θα απαιτούσε περίπου 337 amps.) Οι υψηλότερες τάσεις σημαίνουν χαμηλότερα αμπέρ, και αυτό σημαίνει μικρότερα καλώδια διανομής ενέργειας, πράγμα που σημαίνει λιγότερο βάρος. Περισσότερη ένταση μπορεί επίσης να σημαίνει περισσότερη θερμότητα, αν και υπάρχουν πολλές μεταβλητές.
Αλλά αυτό δεν είναι κάτι που θα χρειαστούμε στα Ηλεκτρικά Σκάφη εκτός αν ο πελάτης χρειάζεται μια υπερταχεία μέθοδο φόρτισης, κάτι που μπορούμε επίσης να αποκτήσουμε με μικρότερες μπαταρίες τάσης και τάση εναλλασσόμενου ρεύματος..
Το θέμα ωστόσο, δεν είναι τα πλεονεκτήματα της φόρτισης υψηλότερης τάσης και της παροχής ενέργειας, αλλά ο τρόπος με τον οποίο τα βολτ και οι ενισχυόμενοι σχετίζονται μεταξύ τους. Με τον γρήγορο φορτιστή “χαμηλότερης πίεσης, μεγαλύτερου σωλήνα” Tesla, η ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας μετακινείται στο ίδιο χρονικό διάστημα με την Porsche με το σύστημα “υψηλότερης πίεσης, μικρότερου σωλήνα”. Η Porsche και η Tesla έχουν ακολουθήσει δύο διαφορετικές διαδρομές σε ένα παρόμοιο τελικό σημείο, αλλά είναι αυτές οι διαφορές που κάνουν οι μάρκες – όπως η Ford και η Chevy και οι δύο κάνουν μεγάλα V-8 μικρού μπλοκ, αλλά είναι τόσο διαφορετικά όσο είναι παρόμοια και αυτές οι διαφορές έχουν σημασία. Το ίδιο ισχύει και για τις μπαταρίες.
Οι μπαταρίες, σε αντίθεση με τα περισσότερα συστήματα Η.Σ., φαίνονται αρκετά οικείες. Χρησιμοποιούμε μπαταρίες λιθίου όλη την ώρα, σωστά; Είναι αλήθεια, το κάνουμε, και παρόλο που οι μπαταρίες πολυμερούς λιθίου (όπως αυτό που θα βρείτε στα περισσότερα smartphones και φορητούς υπολογιστές αυτές τις μέρες) δεν είναι ακριβώς οι ίδιες με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται στα Η.Σ., όμως είναι αρκετά κοντά. Αλλά κιλοβατώρες; Ακούγεται σαν τον λογαριασμό ρεύματος. Και τα κιλοβάτ δεν είναι σαν την ιπποδύναμη; Αυτό δεν θα έκανε το kW-hr το ίδιο με την ιπποδύναμη τότε; Ναι, ναι, και, στην πραγματικότητα, ναι , αυτό είναι το θέμα. Η βαθμολογία kW-hr μιας μπαταρίας συχνά είναι ανάλογη με το μέγεθος της δεξαμενής καυσίμου της, και όπως και σε ένα σκάφος με κινητήρα εσωτερικής καύσης, όσο πιο δύσκολο το ζορίζετε- όσο δηλαδή περισσότερη ιπποδύναμη χρησιμοποιείτε – τόσο μικρότερη είναι η εμβέλεια που θα πάρετε.
Μόνο που, όπως πολλά πράγματα με τα Η.Σ., δεν είναι τόσο απλό στον πραγματικό κόσμο. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που παίζουν ρόλο στην εμβέλεια, όπως το μέγεθος της μπαταρίας, η χημεία της μπαταρίας, ο τρόπος συντήρησης και φόρτισης και φυσικά όλα τα χαρακτηριστικά του σκάφους που κλίνουν προς την απόδοση ή την μείωση, όπως η υδροδυναμική, η τριβή στο νερό και πολλά άλλα.
Είναι πιο εύκολο να το σκεφτείτε όπως οι παλιοί, ιπποδύναμη ανά λίτρο: Η βαθμολογία kW-hr της μπαταρίας είναι τα λίτρα και η απόσταση που μπορεί να πάει (ή / και η απόδοση που μπορεί να προσφέρει) είναι η ιπποδύναμη. Εκεί είναι όπου οι μάρκες διακρίνονται, όχι μόνο για την τεχνική ικανότητα αλλά και από την άποψη όπου κάθε εταιρεία τοποθετεί την ισορροπία του εύρους, της απόδοσης και της αποδοτικότητας για κάθε σκάφος – πράγματα που καθορίζουν το χαρακτήρα ενός Η.Σ..
Εν μέρει επειδή η Transfluid έχει χρόνια εργασίας στους αλγορίθμους και στους ελεγκτές κινητήρων της, μπορεί να εξάγει μεγαλύτερο βαθμό αποδοτικότητας στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε κίνηση. Επίσης, παίζουν ρόλο ο εξοπλισμός, η επιλογή του κινητήρα και φυσικά όλοι οι τυπικοί παράγοντες για τη σειρά, όπως η υδροδυναμική και η αντίσταση κύλισης.
Όλη αυτή η ισχύς της μπαταρίας πρέπει να πάει κάπου, σωστά; Εδώ είναι που έρχονται τα μοτέρ. Υπάρχουν δύο κύρια είδη ηλεκτρικών κινητήρων που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά σκάφη, αν και υπάρχουν πολλές παραλλαγές σε αυτά τα θέματα. Η Transfluid και η Bellmarine, για παράδειγμα, χρησιμοποιούν ασύγχρονα μοτέρ μόνιμου μαγνήτη (AC) στα σούπερ μοντέλα μας, αλλά και σύγχρονα μοτέρ μόνιμου μαγνήτη (DC) σε μικρότερους κινητήρες. Υπάρχουν πλεονεκτήματα και στους δύο τύπους κινητήρων, αλλά γενικά, οι ασύγχρονοι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος είναι πιο αποτελεσματικοί από τους κινητήρες DC μόνιμου μαγνήτη σε πλήρες φορτίο. Αν και είναι δυνατόν να πάρετε επίσης τεράστια απόδοση από κινητήρες DC, οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη AC θεωρούνται συχνά ως αναβάθμιση. Ελέγξτε την ενότητα ορισμών για μια υπενθύμιση σχετικά με τις διαφορές μεταξύ των δύο τύπων ηλεκτροκινητήρων και των εσωτερικών τους εργασίων.
Αυτή είναι, φυσικά, μόνο η κορυφή του παγόβουνου. Αλλά ας ελπίσουμε ότι πλέον είστε λίγο καλύτερα εξοπλισμένοι για να βάλετε όλα τα νέα Η.Σ. ή τους κινητήρες που βγαίνουν στην αγορά τώρα και στο εγγύς μέλλον, σε όρους που είναι πιο εύκολο να κατανοηθούν, να σκεφθείτε επ’ αυτών και να διαφωνήσετε επ’ αυτών.
