세계 최초의 기술! 압축 공기가 자동차를 운전할 수 있습니까? 전기 자동차와 연료 자동차를 대체할 수 있습니까?

저탄소 및 환경 보호에 대한 요구에 부응하여 Xu 샤먼 대학교 교수가 개발한 지능형 마찰 기술은 베어링 분야의 산업화 실험에서 획기적인 진전을 이루었습니다. 2021년 4월 7일, 샤먼대학교는 창립 100주년을 맞아 지능형 마찰과 새로운 운동 에너지에 관한 일련의 대표적인 과학 연구 결과를 발표했습니다.

앞으로 이 기술은 풍력발전, 공기압축에너지저장, 공력에너지엔진 분야에서 빛을 발할 것이다. 이번에 개발된 공기역학 엔진은 이미 승용차에 사전 설치되어 작동될 수 있다.

공기 역학 엔진은 어떤 검은 기술입니까? 압축 공기만 있으면 자동차를 운전할 수 있습니까?

공기 역학적 엔진은 매우 진보 된 것처럼 들리지만 실제로 원리는 매우 간단합니다. 자동차에 고압 공기 탱크가 설치되어 있으며 압력 방출로 인해 공기 흐름 에너지가 발생한다는 것입니다. 피스톤을 작동시켜 자동차를 움직이게 합니다. 그것과 전기 구동의 차이점은 동력원에 있는데, 하나는 압축 공기 구동이고 다른 하나는 전기 모터 구동입니다. 에너지 효율이 매우 높은 전기 모터와 비교할 때 공기 역학적 엔진의 작동 원리는 내연 기관의 작동 원리에 더 가깝습니다.

피스톤 내연기관은 공기 혼합 연료의 연소로 발생하는 고온, 고압의 가스를 이용해 피스톤 운동을 구동하고, 자동차의 운동에너지를 제거하는 엔진이다. 연소 단계에서 압축 공기의 압력 완화를 통해 피스톤을 직접 구동합니다.

공기역학 엔진은 이르면 1903년에 개발됐다. 당시 영국의 한 액체공기회사는 변덕스러워 휘발유를 피하고 직접 압축공기를 이용해 자동차를 운전하고 싶어했다. 공기역학적 엔진의 원리는 매우 간단하여 간단한 교체를 통해 발명을 완성했지만, 그들이 제작한 엔진은 무거운 자동차를 운전할 만큼 충분한 토크를 생성하지 못했습니다.

점점 더 심각해지는 화석 연료 오염으로 인해 이 연구는 100년 넘게 다시 의제에 올랐습니다. 압축 공기 차량(CAV)과 전기 자동차는 모두 연료 차량을 대체할 수 있는 제품입니다. 미래.

한때 기믹이 가득했던 수소연료자동차도 신에너지 자동차의 주요 연구 방향이다. 하지만 에너지 전환 효율이 낮아 수소 생산에 직접 사용되는 전력보다 더 많은 전력이 소모될 수 있다. 이 프로젝트는 경쟁력을 완전히 상실하게 되었습니다. 최근 몇 년간 등장한 압축공기 자동차가 전기차와 경쟁할 수 있을까?

에너지 청정도 측면에서만 보면 압축공기 차량은 완전히 깨끗해 전기자동차와 다르지 않다. 하지만 에너지 손실의 관점에서 볼 때, 압축공기 생산에 전기를 사용하게 된다면 결국 수소연료자동차처럼 되기 때문에 전기에너지의 손실이 불가피하게 되므로 직접 전기를 사용하여 자동차를 운전하는 것이 더 좋습니다. .

문제의 근원은 압축공기 생산에 있다. 압축공기 제조에 전기가 꼭 필요한가?

압축 공기는 생산하기 쉽습니다. 시중에는 많은 압축 공기 기계가 있지만 이러한 기계는 모두 전기로 구동됩니다. 대규모 압축 공기 생산에는 확실히 그러한 기계를 사용할 수 없습니다. 풍력, 수력, 태양광 발전과 마찬가지로 이러한 재생 에너지는 압축 공기 에너지로 직접 변환되어 저장될 수 있습니다.

사실 우리나라의 전기에너지는 대체로 낮의 전력소비가 밤보다 높다고 해서 밤에 전력이 가동되지 않는 것은 아니다. 생성된 물질은 저장할 수 없으며 자체 장치에만 남겨둘 수 있습니다. 이렇게 손실된 에너지를 다른 에너지로 변환하여 저장할 수 있다면 많은 에너지가 절약될 것입니다.

에너지 저장 용량 측면에서 최신 준등온 압축 공기 에너지 저장 기술은 압축 공기의 에너지 저장 효율성을 크게 향상시켰습니다. 이제 압축 공기 에너지 저장 용량은 리튬 배터리 용량 계수의 4배인 2.7Mj/kg 또는 3.6Mj/m3에 도달했습니다. 시중에 판매되고 있는 인산철리튬 배터리의 주류 에너지 밀도는 160Wh/kg이며, 이를 단위로 환산하면 0.576Mj/kg이다. 이러한 화력 발전소에서 발생하는 과잉 열과 수력 발전소에서 낭비되는 물 에너지는 공기를 압축하고 저장용 공기 에너지로 전환하는 데 직접 사용될 수 있습니다.

실제로 우리나라는 에너지 활용 효율을 높이기 위해 수년 전부터 잉여 에너지 저장 계획을 시작했는데, 이 계획의 핵심은 양수에너지 저장이다. 물 절약 조건을 갖춘 수력발전소 상류에 저수지를 설치하고 잉여 전기를 이용해 물을 끌어올려 저장한 뒤 전력 수요가 높을 때 저수지에서 물을 방류해 전기를 생산하는 방식이다. 우리나라의 양수발전소 설치용량은 2018년 말 현재 30GW로 전체 발전설비 용량의 1.6%를 차지하며 건설 중인 규모는 50GW이다.

그러나 물 보존형 전력 저장의 단점도 분명합니다. 즉, 물과 높이 차이가 필요합니다. 반면에 압축 공기 에너지 저장은 지리적 요인에 영향을 받지 않으며 적용 가능성이 높습니다. 미래에. 에너지 저장 장치를 업그레이드하고 압축 공기 생산에 제약이 없다면 압축 공기 자동차는 미래에 신에너지 자동차 목록에서 전기 자동차와 반드시 경쟁하게 될 것입니다.

에너지 생산 문제를 해결한 후에도 압축 공기 차량에는 여전히 넘어야 할 큰 산이 있는데, 그것이 바로 엔진 에너지 효율입니다. 전기자동차가 점차 연료자동차를 대체할 수 있는 주된 이유는 전기모터가 내연기관보다 에너지 효율이 훨씬 높기 때문이다.

내연기관은 연소를 통해 팽창된 가스를 생성하여 피스톤 운동을 구동하는데, 이 자체로 많은 양의 열에너지가 손실되어 내연기관의 에너지 활용률이 크게 감소합니다. 통계에 따르면 내연기관이 운동에너지를 자동차로 변환하는 효율은 17.9에 불과한 반면, 전기모터가 운동에너지를 자동차로 변환하는 효율은 67이다. 물론 이는 평균적인 데이터일 뿐이며, 국내 상위권 기계들은 각자의 분야에서 더 높은 수준을 달성할 수 있습니다.

공기역학적 엔진은 얼마나 효율적인가요?

최신 연구 보고서에 따르면 2020년 기준 캐나다 박사 레자 알리자데 에브린(Reza Alizade Evrin)이 출시한 준등온 압축 공기 차량 프로토타입은 74에 도달해 압축 공기 차량 중 가장 높은 에너지 효율 성능을 가지고 있다고 합니다. 이 데이터는 리튬이온 전기차와 일맥상통하는 자동차 효율은 73~90 사이에 여전히 어느 정도 격차가 있지만 여전히 놀라운 잠재력을 보여준다.

하지만 사진을 보시면 아시겠지만 이는 단순한 모형 기계일 뿐이고 실제 사용되기까지는 아직 갈 길이 멀다는 것을 알 수 있습니다.

일반적인 상황에서는 공기 압축과 고압 가스 방출 모두 많은 에너지를 소비합니다. 가스는 압축 중에 가열되고 압력을 완화하는 동안 냉각됩니다. 간단한 예를 들자면, 소화기 사용시 소화기는 고압의 내용물을 분사하여 노즐과 파이프가 빠르게 냉각되므로 소화기 사용시에는 파이프를 잡지 말고 특수물을 잡으십시오. 동상을 예방하기 위한 절연 노즐.

이러한 물리적 특성으로 인해 기존 공기 에너지 저장의 시스템 효율은 40~45에 불과합니다. 단열 압축의 경우에만 에너지 저장 효율을 70~75까지 높일 수 있으며, 압축 공기 압력 완화의 경우 방출 과정에서 일반 공기 역학적 엔진의 에너지 효율은 50에 불과합니다. Reza Alizade Evrin 박사의 프로토타입은 저압 공기 탱크와 배기 가스 회수를 사용하여 파라핀 열 교환기 시스템에 전력을 공급합니다. 공기 역학적 엔진의 효율을 극대화하여 공기 운동 에너지 엔진은 리튬 이온 전기 자동차 에너지 효율의 한계점에 도달하여 74에 도달했습니다.

압축 공기 에너지 저장 측면에서 엔진 에너지 효율까지, 압축 공기 차량은 전기 자동차에 비해 나름의 장단점이 있다고 할 수 있지만, 이러한 데이터는 성능이 실험 단계에 불과하고 상용화되기까지는 아직 갈 길이 멀다.

압축 공기 차량이 상업용으로 사용되면 전기 자동차와 동일한 문제, 즉 배터리 수명에 직면하게 됩니다. 위에서 언급한 매우 효율적인 공기역학적 프로토타입의 주행 거리는 140km에 불과합니다. 이 데이터는 오늘날 일반 순수 전기 자동차의 400km보다 훨씬 적습니다.

더 높은 내구성을 얻으려면 두 가지 방향을 고려해야 합니다. 하나는 단위 에너지 저장량을 늘리는 것이고, 다른 하나는 압축 가스 탱크 수를 늘리는 것입니다. 압축 공기 탱크의 평균 공기압은 30MPa 이상입니다. 안전을 보장하기 위해 매우 강한 탄소 섬유 재료가 탱크 재료로 사용되었습니다. 단위 에너지 저장량을 늘리는 것은 매우 어렵습니다. 주행거리를 ​​늘리기 위해 연료탱크를 쌓는 개수까지 고려하면 비용이 크게 늘어나게 된다.

전기차가 나왔을 때는 주행거리가 100~200km 정도밖에 안 됐던 것 같은데, 수십 년간의 기술 축적 ​​끝에 이제 연료전지 자동차와 경쟁할 수 있게 됐다. 전반적인 방향이 좋다면 압축 공기 차량도 차세대 신에너지 차량이 될 수 있습니다.

공기역학적 엔진이 신뢰할 만하다고 생각하시나요? 상업적으로 활용된다면 앞으로 나아갈 방향은 무엇인가요?