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未來新能源汽車的三種設想

2009-09-10 10:01:52 能源雜志

眼下全世界對新能源汽車研究都十分重視,但問題是這些研究太重視車輛而輕新能源技術、裝備的研發。借新能源之名行內燃發動機改良之實,如混合動力、乙醇、甲醇汽油、天然氣、液化石油氣、二甲醚、燃氫發動機等,實際上這些研究離真正意義上的新能源尚遠。即使是二次電池儲能、電機驅動車輛也只是常規傳統技術,不過性能不同而已。其實,真正的新能源汽車應該在于通過新的裝置產生動力驅動汽車行使。因此,名副其實的新能源汽車使用的能源發生裝置應該是:研發多年并有示范產品的“氫氧燃料電池發電裝置”,已有實驗原型機的“移動式途中

  無線供電系統”,以及正在啟動研究的“濃縮海水聚變發電裝置”等。

  就此三項而言,所需能源依次是氫和氧,常規電轉換成的電磁能和取之不盡的海水。至于二次電池,不管將來性能多么完美,都還只是一個儲能器。太陽能汽車、風能汽車從實用角度來看,只能是前面幾項技術的一個輔助發電裝置,因為其產生的電量有限而且是靠天發電,在市區林蔭道等地方毫無用武之地。

  移動式途中無線供電系統、海水濃縮聚變發電裝置這兩項離示范樣機尚遠,但前景誘人,給人以無限想象空間。應該注意的是,智慧的幻想是偉大發明的前兆。而我們目前缺的就是這種意識和勇于嘗試的行動及獨立思考的精神。

  氫氧燃料電池

  在跨世紀的電動汽車研發技術中,氫氧燃料電池最為熱門也最受重視,尤其是在美國,受重視程度不亞于“曼哈頓工程”和“阿波羅計劃”。現今美國在這一領域取得了絕對的優勢,但商業化日程卻一再推遲,究其原因是制造成本高昂,氫燃料的供給困難。但各國政府、企業、研發者仍未放棄,期望有一天能取得成功。

  燃料電池不是電池,實際上是一套氫氧發電裝置。如果氫源不是純氫,而是由汽油、甲醇等碳氫化合物經改質器分離出純氫進行發電,那么改質器實際上是一套化工反應裝置。試想,車上裝了一個“化工車間”和一個“發電車間”,成本能低嗎?再加上鉑催化劑和進口膜、高壓氧氣泵,成本更是愈加高昂。燃料電池的出路在簡單,惟有簡單才能實用和普及,否則只能是樣機。如果做不到簡單,將來的車輛駕駛員、維修者都得是專業人員。最后是氫氣加注、氫氣泄漏及安全性問題,這些都是市場化的前提,但很難跨越。

  筆者認為燃料電池產業化的成功率大致是50%。而業界對此的爭論也是不可開交,繼續力托“氫經濟”者有之,反對或建議停止、放緩研發者也不乏其人。其實不緊不慢也許較為合理,只要是按照技術發展規律辦。

  當然,燃料電池汽車示范項目是沒有問題的。在特定場合(如公交線路)、有加氫設施的地方可以使用。若用金屬氫化物貯存氫氣,在15℃以上是可以正常釋放氫氣發電的,要在常年平均氣溫在15℃-20℃的地區使用,那么在北緯30°以南地區是完全適用的,且氫氣貯存十分安全。在宜駛的區域示范運行是商業化、產業化的第一步。

  移動無線途中供電新技術

  筆者在七、八年前曾接觸過此技術,如今在海歸人員中也有研究此項技術的。無線充電技術是電動 汽車(二次電池為動力源)的最高境界,猶如飛機之空中加油一般,可以在車輛行使途中,在具有移動充電設施的路途上進行超快充電,或直接將電能無線引入車中驅動電動機,最終驅使車輛行使。這個夢想多年來一直吸引著人們,目前該技術(IPT)已應用于室內平面、垂直輸送機械,供電與受電距離是CM級的,其原理猶如變壓器的原邊與副邊之電能傳輸。國外曾有人應用于游樂場的電動車輛,但車輛必須像有軌電車一般沿供電帶行使,偏離出有效距離后無法受電。這一技術目前受CM級供電之局限,難以應用于道路用電路汽車,但可以給電動汽車提供非接觸充電。

  最近美國麻省理工學院一個科研小組經過多年努力,成功研制出樣機,在兩米以上距離的固定的供電器、受電器之間成功進行60W功率的電磁能傳輸。筆者認為,該項技術最終將發展到移動無線供電。我國相關人士應密切關注此技術,并適時啟動原理性研究。

  研發可以按照以下步驟:會同物理學家、電工專家弄清電磁共振原理,研制無線供電、受電樣機,達到在3-4米間距傳送電能的要求,解決固定供電、移動受電的具體措施;建立實驗性無線供電、移動受電的實驗道路,造出帶有受電器的電動汽車,載有計算機控制、帶有通訊功能的計費器械聯絡設備(即車頂盒),使行駛途中的電動汽車猶如空中加油飛機般得到電能,供電機驅動或充入車載電池中貯存;車輛移動受電與車速有關,應從低速開始逐步向高速升級。

  這也許是電動汽車續能的最高階段、最完美境界。它取決于“電磁共振”技術的突破,取決于供電器、受電器的性能和車輛行駛中的受電能力。這項技術成功了,電動汽車即便仍需用電池儲能,其容量也很小了,進而最終拋棄重量、體積過大的電池。屆時馬路旁或上空布設 “電磁共振”供電設施,行駛于馬路上的電動汽車以智能付費方式通過計算機控制得到供電,電能源源不斷按需供給驅動電機或儲電設備,人們也將不會再為途中無電而煩惱。

  這種移動途中無線供電之車輛,即無軌無線電動汽車最適宜于長途大客車、長途運輸的卡車。由電網公司組織參與建設道路供電設施是最好的辦法。另外,該項技術也可用于“氣懸浮列車”、電氣化列車等。

  海水聚變發電

  海水中含有豐富的氘和氚,而氘、氚發生聚變反應所釋放出來的能量,是同質量裂變核燃料發生裂變反應所釋放能量的4-5倍。1.5kg氘、氚混合物發生聚變反應可釋放出5.8萬噸TNT當量的能量。每1L海水中含30mg氘用于聚變反應產生的能量相當于300L汽油燃燒,即1L海水相當于300L汽油。而且聚變產生的能量不像裂變那樣有放射性,它是一種清潔能源。核聚變發電各國都在實驗,中國的“人造太陽”托克馬克裝置已運行多年,當然這種裝置未來成功后將主要用于大型發電廠。

  上述裝置將來可能用于車輛、船舶的聚變核反應發電機,與上述情況不同。首先,發電量在幾百到幾千千瓦時的范圍,其次必須是微型化、輕量化,否則無法用在車輛、船舶上。另外,聚變核反應的燃料不是氘和氚,而是氘化氚。若按海水含有0.015%氘化氚,平均“燒”掉一個氚可提供7.2Mev(兆電子伏)能量來計算,從幾升海水中提取的氚,即可提供1萬千瓦時能量,這相當于千余升汽油供給的能量。次高溫熱堆發電技術,是一種區別于托克馬克裝置“人造太陽”的新型受控聚變熱核反應堆。1噸濃縮海水核燃料,可發出相當于300噸汽油所發出的電量,而且不存在排放有害物質與核污染問題。或許,這種方式可以徹底解決人類用盡石油和煤炭之后的能源問題。用次高溫堆發電技術制造的發電機組可大可小。大可至幾百萬千瓦時,用于大型發電廠,發電成本可降至3.5分/千瓦時,而小可至幾個千瓦時,安裝在電動汽車上。在不久的將來,人類駕駛以濃縮海水做燃料并且零排放的電動汽車并不是夢想。

  海水聚變反應發電機,首先由反應堆產生核熱能量,再由此熱能對水進行加熱,產生一定氣壓的蒸汽來推動渦輪機、汽輪機發電,并由這個電源驅動電動汽車的電機工作使車輛行駛。當然也可直接由渦輪機、汽輪機輸出扭矩、轉矩直接驅動汽車行駛。

  汽車裝了海水聚變反應發電機后,汽車可半年到一年加一次燃料(海水)。燃料(海水)費用幾乎是免費的,每一升可能只要幾元人民幣,其釋放能量等于300L汽油之能量釋放。并且,這種方式是零排放,人們也不再為二氧化碳等溫室氣體排放而煩惱。同時噪聲、機械震動與純電動汽車一樣輕微,其余熱還可以為車輛提供冷、熱空氣調節。這種汽車日后能產業化、商業化,世界汽車業也將產生一次飛躍、一次革命,加油站或將成為歷史,充電站失去必要,原有汽車研發、生產格局也隨之改變。也許中國汽車企業有了趕超世界先進水平的一次機遇。但必須要行動,“守株待兔”肯定是枉然的。

  對于次高溫熱堆(海水聚變反應)發電技術,全世界研發都還只是剛起步,而我們已在第一梯隊靠前位置。目前我國已有800瓦和2千瓦的實驗樣機,當然這個裝置目前更合適于地面固定式大型發電廠,其發電量為百萬千瓦時級的規模。要將這種原理的發電裝置用于船舶相對比較容易,因為船舶的艙容空間能安裝得下,而且重量也不會太大。而用于汽車則必須輕量化、微型化,必須以汽車可能的安裝空間、可承受的重量作為目標依據。

  海水聚變反應發電機也許會在5到10年后這個不遠的將來逐漸開始真正應用,我們姑且命名為原子能汽車。如果我們以發明家的毅力和智慧,企業家的敏銳反應,馬上動手,一往無前,百折不撓,并廣匯各種相關專業知識、技術、設備,這個目標是可以達到的,關鍵是思路、認識。

  抓住機遇開發新技術

  中國從“八五”開始,直至目前的“十一五”,在數個五年計劃里,都在進行新能源汽車研究。當時的認識是,我國在內燃機汽車方面與國外差距很大,難以趕超,而新能源汽車與國外相差不大,有可能達到并駕齊驅的目標,因此連續二十年持續投入研發。目前中國汽車企業甚多,產能已趨飽和,而且都是內燃機汽車,以合資企業為眾。現在對于新能源汽車,經濟實力有了,研發基礎雄厚。但企業目前以市場占有率、盡快獲得投資回報為目的,對研發新能源電動汽車反而積極性不高、主動性不夠。同時背上了既有產業基礎、現有產品市場這個包袱,企業全然沒有了二十年前的那種沖勁。同時,這種現象也充分反應在管理部門的作為方面,新能源汽車上牌上市長時間不能確定即可作為佐證。

  這與上世紀發生在半導體領域的案例有所類似:半導體問世以后,瑞士鐘表業公司很快生產出了石英數字手表。石英手表比發條手表走時更準確、價格更便宜。但由于瑞士在機械表上投資太大,因此決定局部推出石英表,且以高檔奢侈品定位。這一機遇被日本精工抓住了,利用這一技術再加上日本工藝,以更低成本、輕巧外形迅速推向市場,數年后幾乎占領了這一領域100%市場。瑞士公司如夢初醒,但為時已晚,將這一市場拱手讓給日本公司。

  新能源汽車與前述案例會否出現相似之處,若干年后出現了結局才知道。但筆者認為,這至少是“企業柔道戰略”的依據。若不利用這種機遇,中國車企難以制勝。同時我們的科研計劃也難以取得預計的效果。

  (作者為江蘇常熟合眾環保能源技術研究所所長)
 




責任編輯: 中國能源網

標簽:新能源 汽車