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于推广(LNEB)液氮冷电混合动力(超级电容)新能源公交客车的建议

  来源:新型建材网   作者:杨洋 有107人浏览 日期:2016-12-22放大字体  缩小字体

 于推广(LNEB)液氮冷电混合动力(超级电容)新能源公交客车的建议
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与“北上广深”在一个起跑线上,武汉市政府到2015年底前将投入16.8亿元推广1.05万辆新能源汽车。新能源汽车还有不少“特权”:免征车船税;免收城市道路桥梁隧道车辆通行费;免费在指定的公共充电设施场所充电;在市内行驶时不受尾号限制;对从事城市配送的新能源物流车发放通行证,可在三环线内按核定路线通行。国家将在“北京—武汉—深圳—香港”建造全线充电站设施,未来氨燃料电池(电动化学能源最佳动力)、动力电池备用储能模块(车载通信电源)、液氮储能动力模块(开关门等)与超级电容(主驱动与快速充电)混合动力汽车将成为最佳电动汽车的能源方式。
 
“氮”科学,特别是在合成氨领域,在持续100多年里诞生了数十位诺贝尔科学奖获得者。其中包括奖项创立者诺贝尔本人(炸药大王、托拉斯企业主),也是相关领域的佼佼者!时光更早一些,“近代化学之父”波义耳、以及“科学巨匠”牛顿,都是“氮”科学大师!在古代中国,历史最早的化学现象——丝绸染色技术(汞对蛋白质的色彩反应),已经至少有七千年,甚至可能上万年了。中国的火药——“黑火药”,更是氮科学的光辉杰作,世界历史因“中国火药”引发的“战争与和平”、以及“(平民)公民社会”的到来,而迎来了世人今天的历史。治理雾霾以及全球“减碳”污控,以及健康产业,将成为“氮”科学的未来舞台!“氮”科学产业,在1913年“合成氨产业化过程”中就已经成为“空气炼金术”。经过整整100年的时空穿梭,“氮科学”战略产业也将超过“碳科学”战略产业,而成为地球上最庞大的产业集群。与德国国防工程“合成氨产业化”项目一样,“液化空气与液氮”能源产业,定将成为其中的产业化新典范!
 
但售价为150万元的新能源纯电动公交客车,虽能享受国家和地方各45万元的补贴,却只能运营三五年就得更换动力电池。动力电池储能受限实际上相当于每度电储能管理总成本在一二十元的整体代价,实际上并不能有效地实现低碳经济。国内某公司按如下数据来分析(磷酸铁锂)动力电池新能源汽车的真实行驶成本。电池容量:500Ah,额定电压:3.8V,最大放电电:450A,充电次数1000次(实际只有300次),生产成本1.5元 /瓦左右。储能成本计算如下:3.8X450=1710瓦,每瓦成本1.5元共2565元,售价是3500元,但实际上最佳循环储能的充放电深度只有20%即350瓦,每瓦储能实际成本10元。电池每次放电能量是500X3.8X20%=380Wh=0.38 度电。整个寿命内1000次充放电提供350度电(计入损耗)。平均每度电的储能成本实际上在3500/350=10元以上。另外,动力电池组件的运行维护管理让储能开销成倍上涨。动力电池汽车在开关门等压缩空气储能与打气泵领域存在先天技术不足!
由于动力电池储能受限以及热季空调、健康安全等原因,纯电动汽车发展缓慢。动力电池新能源汽车最大的麻烦来自于对电网的冲击——为了满足公交客车与电动汽车等电动交通未来供电需求,城市电网需要十倍扩容,否则将“拉垮”城乡电网并摧毁所谓的“智能电网”。德国作为全球装备强国,对发展电动汽车甚为谨慎,个中原由即在于此。
东风集团目前正在寻求跟法国雪铁龙合作开发压缩空气新能源汽车(APV)。实际上立足于国情开发液氮汽车(LNV)在公交领域推广更具有应用前景。液氮的供应是一个非常成熟的产业化体系。中冶南方公司是液氮工程领域的佼佼者,如能跟国内顶级客车厂如潍柴动力集团旗下的“亚星客车”战略合作,将可以开发出全球最佳低碳公交客车。
液氮或液空动力车(LNEV/LNEB)适合于中国南方运行。电动汽车动力铅酸电池主流技术只有108-144kJ/kg的比能(每公斤0.03—0.04度电)。液氮是液化的氮气。液氮其环境温度下的可用能为769kJ/kg,如增加氨燃料电池余热利用则可提高到1000kJ/kg以上。如果液氮膨胀起始压力为3兆帕,温度为环境温度300K,理论上可输出的有用功为303kJ/kg。如果在液氮的膨胀过程中加入一个拔顶循环与其联合工作,其比功可超过567kJ/kg。以液氮作为动力,每公斤液氮能产生约400千焦耳的能量(每公斤液氮的最大可用能771千焦/卡诺效率74%),还能得到232千焦耳的有效冷量;相当于每吨液氮175度电的总输出能量,是动力电池最经济循环储能状态(即二成充放电)的近十倍。推动载满乘客的12米公共客车行走1公里(良好路况),需要9公斤(视路况可能增加到10公斤)液氮,而对动力电池而言则需要(伪造数据10公斤—)大约33公斤(3吨电池300公里——可实际上只有100公里)。因此,单位重量下液氮储能的本事至少是(磷酸铁锂)动力电池最佳循环储能密度的三倍以上。每公升柴油实际产生的动力输出是10000kJ,但柴油客车机械效率减半(相当于5000KJ),所以也只是液氮储能的七、八、九倍上下。液氮汽车可免除压缩空气泵,又相当于至少5%以上的能源节约,同时超级电容组件可以回收制动动能,两者加起来超过10%的节能潜力。液氮车可以对车厢直接降温,免去了空调的安装和耗电,因为车厢里的热气被液氮发动机拿去生产动力推动客车前进,且能降低大气的温度,抵消城市“热岛效应”。每公斤液氮温度升到27摄氏度时吸收热量232千焦耳,相当于0.064度电的冷量,相当于0.1度电的节能量。液氮市场价格是700元/吨,但生产成本可以控制在200元以内。12米LN系列新能源公交客车,每行使100公里,行使成本在200元上下。只要普及液氮使用常识及有效管理,液氮是非常安全的。
大型燃煤火电厂厂的设备有一个最佳效率工作点,但用电量是波动的,导致发电机组很长时间不能在最佳工作点工作,造成浪费。液氮具有可储存性,和电厂配合,将发电机组在最佳工作点生产的多余的电力转换为液氮储存起来。此时的电价必定能低于0.3 元,制造1公斤液氮耗电为0.334度电,生产液氮的能源成本将低于0.1元/公斤。如果由国网新能源投资公司等储能“央企”利用国家可再生能源补贴政策,则夜间点价0.28元减去可再生能源补贴0.25元,实际上每度电的电费开支只有 3  分钱,那么相当于每公斤液氮的电费开支只有约1 分钱。一些液氧或液氮大用户,譬如钢铁厂、玻璃厂、公共交通能源公司,可以利用夜间的谷底电价和低气温的良好条件生产液氮,供白天使用。空气深冷液化的过程中还可以分馏出液氧,这是比液氮更有经济价值的产品。(大型燃煤火电厂向直供电用户售电的价格在0.3元至0.4元之间。以每度电0.45元计算,则每公斤液氮的生产成本是0.15元。当然还要计算设备的折旧、储运和管理成本。)如减免税收则液氮的价格可控制在0.20元/公斤,最低可以作到0.10元/公斤。这样低的价格会让液氮车比电池车和汽油车有绝对的优势,形成广阔的市场前景。液氮车最好是需要兼顾冷能或临时氮气(惰性气体)供应的大型车辆,比如说高端旅游客车、冷链物流食品药品冷藏车、液氮灭火消防车辆等。
液氮也可不用纯粹通过消耗电力来制取,而是通过进口的LNG的换热,即利用进口LNG的零下163度的冷量,外加少量的电力消耗(压缩)来制备液氮。估计大规模生产的话,液氮的制造成本会低到100元一吨,而随着国内进口LNG的量达到1亿吨这个数量级,LNG气化与液氮生产,这将是一个全新的千亿级的战略新兴产业。
超级电容器(3000法拉/2.7伏)可储电量10千焦耳。超级电容器的任务是提高动态性能,为客车启动和紧急加速提供突发的大功率能量。假设满载乘客的12米公共客车的重量是15吨,加速到50公里/小时,客车动能是1500千焦耳,加上其他的能耗,需要1度电的启动能量。为确保良好的加速性能与行使动力,超级电容组件能提供20度电的能量,总重量为500公斤,可以提供客车行使20公里上下。整车配备的是50千瓦的增程式液氮发动机,整车动力总成由液氮发动机、发电机、超级电容组件、电动机、变速箱、离合器乃至轮胎轴传动,其传递总效率为50%。超级电容器的充放电次数是60万次,若平均15分钟加减速循环充放电一次,可用15万小时,每天16行使小时,可用20年。
LNEB系列新能源公交客车具有15年以上的整车寿命,续航里程一百公里到五百公里均从容实现,未来可以实现一次补能情形下五千公里续航里程;具有最高的空气调节舒适度,适应江南地区自零上55度高温高湿(桑拿天)与零下25度的气候条件;可应对风雨雷电以及积水等城市不良状态,可屏蔽电磁辐射避免病人如安装心脏起搏器、孕妇等人受到健康危害;
LNEB系列新能源公交客车百公里运营成本总计涵括在200元之内(冬季以超级电容为主驱动动力/夏季在此基础上以“冷”定电辅助液氮能源);且对城乡智能电网没有任何不良冲击效应,并能与GWe级城市智能电网储能电源相得益彰而成为智能电网最坚强最得力的本车化电源支撑。
LNEB系列新能源公交客车完全没有柴油客车的尾气污染,也没有动力电池新能源公交客车的全产业链系统污染(锂矿开采破坏环境——动力电池报废将造成极为严重的环境污染)。
LNEB系列新能源公交客车由于完全没有可燃物品,因此可有效防范各类恐怖袭击;灭火枪头可对各类燃烧源头当下扑灭(只是不能针对爆炸物品)。
液氮公交客车,立足于自主创新,由中冶南方公司与潍柴动力集团提供整车动力总成,将极大地改变国内外新能源汽车现存技术相对落后的困境,成为南方地区城市居民低碳出行的公交客车之首选,将构成低碳城乡可持续交通不可或缺的组成部分,在“武汉都市圈”内具有二万台的推广前景,而且具有低碳出行的旅游价值。
 
今后“大武汉”作为数千万人口的都市圈,冷链物流食品药品冷藏车前景广阔,市场空间在上万台。其他如灭火或惰性气体防护(防恐安全)用途的车辆也有一定市场空间。
 
全国市场容量可按照上述市场容量乘20倍,全球市场乘100倍来考虑。在新能源汽车领域,这是一个很独特的细分市场。
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 气动汽车
 
以压缩空气、液态空气、液氮等为介质,通过吸热膨胀做功供给驱动能量的汽车称为气动汽车,气动发动机不发生燃烧或其他化学反应,排放的是无污染物辐射的空气或氮气,真正实现了零污染。目前开发比较成功的是压缩空气动力汽车(APV),工作原理类似于传统内燃机汽车,只不过驱动活塞连杆机构的能量来源于高压空气。APV介质来源方便、清洁,社会基础设施建设费用不高,较容易建造。无燃料燃烧过程,对发动机材料要求低,结构简单,可借鉴现有内燃机技术因而研发周期短,设计和制造容易。但目前APV能量密度和能量转换率还不够高,续驶里程短。
 
空气动力汽车(APV)
 
利用空气作为能量载体,使用空气压缩机将空气压缩到30MP以上,然后储存在储气罐中。需要开动汽车时将压缩空气释放出来驱动启动马达行驶。优点是无排放、维护少,缺点是需要电源、空气压力(能量输出)随着行驶里程加长而衰减、高压气体的安全性。
 
超级电容汽车
 
超级电容器是利用双电层原理的电容器。在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双电层,因此电容量非常大。其优点是充电时间短、功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等,缺点是功率输出随着行驶里程加长而衰减,受环境温度影响大等。
 
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液态空气储能的效能较低,现制气行业用电制取液氮或液氧的平均能耗是0.7kwh/kg,液态空气是液氧和液氮的前期产品,能耗约为0.6kwh/kg,如果以压缩空气为“半成品”来制取液态空气,其工艺简单,总体能耗应该小于0.4kwh/kg,即能耗取1260kj/kg,而1kg的液态空气汽化有效做功约为320kj,能效为28.6%,这种能效利用率也是可以接受的,但需要投入更多的压缩空气采集设备才能保持一定的需求,好在储能成本较低,如果用这种方式储能发电总体经济成本会要高一些,但以液态空气作为液氮动力汽车能源使用,其利用价值就会大大提升,而效能的提高需要进一步优化液态空气的制取设备和做功设备。
 
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