Sähköauton energiahyötysuhde huono - Sähköautot - Nyt!

Onko kuitenkaan järkevää vertailla öljyn polttoa voimalassa siihen, että se käytetään autoissa? Sähköä voi kuitenkin tehdä muillakin tavoin. Ja jos aletaan saivartelemaan, niin Suomessahan tykätään vastapainevoimasta, jolla energiaa menee vähemmän hukkaan :)

Lisäksi tuon voimansiirron 15 %:n häviön voinee suoravedolla unohtaa, jos se vaikka olisi tulevaisuuden ratkaisu..

Suoravedossa taas hävitään itse sähkömoottorin hyötysuhteesta, kun teho joudutaan tekemään väännöllä eikä kierroksilla. Suurempi vääntö, suurempi virta, suuremmat ohmiset häviöt.

Entäs joku dual motor -sydeemi missä liikkeelle lähtö tehtään kahdella moottorilla, joista toinen on pieni vaihteellinen ja toinen ns ajomoottori suoravedolla. Tää vään heittona…

Viimeksi muokattu 05 May 2009 14:25 luonut PodPuhe Näytä lisää

Vaihteen asemesta moninapainen kestomagneettitahtikone. Voisiko ajatella 4-vetoa, jossa takaveto olisi käytössä vain pienillä nopeuksilla ja avustaisi liikkeelle lähdössä. Luulen kuitenkin, että induktiokone on autokäyttöön kestomagneettikonetta soveliaampi laajan kentänheikennysalueen vuoksi, jota kuitenkin tavitaan. Induktiokonetta ei vaan voi rakentaa järkevästi niin moninapaiseksi kuin kestomagneettitahtikonetta. Napalukua voi ajatella eräässä mielessä koneen sisään rakennetuksi välityssuhteeksi, sillä se määrää montako mekaanista kierrosta (kierroksen osaa) akseli pyörähtää yhden sähköisen kierroksen aikana.

regulus

Sähköjunissa on jo iät ajat käytetty hyväksi navoilla kikkailua.

Sähköautoilun loistava puoli on juuri siinä, että se ei lukitse energian tuotantotapaa vaan auto voi "vihertyä" sähköntuotannon vihertyessä. Litkuilla toimivat ratkaisut sitovat valittuun ratkaisuun valmistushetkellä.

Sähköauto voi myös "vihertyä" osia vaihtamalla. Jos esimerkiksi akkuteknologiassa tapahtuu edistysaskel, on sähköauton akun vaihtaminen uudenlaiseen suhteellisen pieni operaatio. Ainakin verrattuna esimerkiksi polttomoottoriauton muuttamiseen etanolikäyttöiseksi.

Napakikkailu ei vaikuta siihen tosiasiaan, että kun kierrosluku on matala täytyy väännön olla korkea.

Ja vääntöä saa vain kasvattamalla magneettivuon voimakkuutta, joka taas kasvaa ainoastaan laittamalla lisää kuparia käämiin tai nostamalla virran voimakkuutta. Ensimmäinen vaihtoehto on poissuljettu koska moottorin täytyy mahtua renkaaseen ja toimia suhteellisen korkeataajuisella sähköllä, siispä jäljelle jää virran voimakkuuden kasvattaminen, joka puolestaan laskee moottorin hyötysuhdetta.

Renkaisiin upotetut napamoottorit tuhlailevat energiaa erityisesti kaupunkiajossa jossa keskinopeus on hyvin matala ja moottori toimii jatkuvasti kaukana optimaalisesta kierrosnopeudesta.

"Renkaisiin upotetut napamoottorit tuhlailevat energiaa erityisesti kaupunkiajossa jossa keskinopeus on hyvin matala ja moottori toimii jatkuvasti kaukana optimaalisesta kierrosnopeudesta."

Eläköön! Todistit juuri meille kaikille miksi sähkömoottorit vaikkapa junissa on äärettömän epätaloudellinen keksintö, vai todistitko sittenkään. Jos ajatellaan, että meillä on moottori rakennettu renkaaseen. Moottorissa on vaikkapa kaksi napaa. No jos tuohon moottoriin syötetään virtaa, sanotaan, että virran taajuus on vaikkapa 2 Hz. Tällöin renkan optimipyörimisnopeus on 1 kierros sekunnissa. Nykytekniikalla tuota taajuutta on mahdollista säätää. Säätämällä voidaan sitten taajutta muuttaa vaikka yhden pykälän välein esim. 0-100:n, jolloin rengas pyörii siis 50 kierrosta sekunnissa. Tällöin nopeuden muutokset on mahdollista hoitaa siten, että moottori pyörii jatkuvasti optimikierrosaluella tai hyvin lähellä sitä.

Junissakin on kuitenkin käytössä alennusvaihde, eli moottori pääsee pyörimään ihan reilua vauhtia matalissakin nopeuksissa, kunhan ensin päästään liikkeelle.

2 Hz sähköllä käämi kuin käämi on käytännössä lähes oikosulku ja virtaa valuu hukkaan.

Asia on helppo ymmärtää raja-arvojen kautta:

Kun moottori on pysähdyksissä, käämistä haihtuu ilmoille P=RI^2 verran sähköä. Teho on nolla ja hyötysuhde on nolla.

Kun moottori pyörii, sen hyötysuhde alkaa nousta erinäisten ilmiöiden vuoksi.

Jos renkaan ympärysmitta on metri, ja autolla ajetaan 20 km/h niin pyörimisnopeus on vain 330 rpm. Jos samalla moottorilla ajetaan nimellisvauhtia 150 km/h niin nopeus on 2500 rpm. Kaupunkinopeuksilla ajetaan siis vain 13% moottorin nimellisnopeudesta. Mitä se sitten merkitsee hyötysuhteelle?

No, seuraavasta kuvaajasta voi ottaa hieman osviittaa:
http://www.metricmind.com/images/mes_200-250_efficiency.jpg

Liian pienellä nopeudella jyrääminen aiheuttaa hyötysuhteen romahduksen. Väliin tarvitaan väkisin vaihde jotta saadaan moottorin tehoalue skaalattua esim 1:3, jolloin välillä 0 - 150 km/h moottori pyörii välillä 0 - 7500 rpm ja kaupunkinopeudella 20 km/h saadaan n. 1000 rpm että päästään hyötysuhteessa 50% paremmalle puolelle. Mitä lujempaa moottori saadaan pyörimään, sitä paremmat hyötysuhteet siitä yleensä saadaan irti. Käytännössä autossa olisi kuitenkin hyvä olla kaksi vaihdetta, kaupunkiajoon ja maantieajoon, joilla moottorin tehoalue sovitetaan tarpeeseen.

"2 Hz sähköllä käämi kuin käämi on käytännössä lähes oikosulku ja virtaa valuu hukkaan."

Ei se virta hukkaan valu :). Magnetointiin menee osapuilleen saman verran virtaa kuin nimellispisteessä, mikäli vuo pidetään nimellisarvossaan. Jännitettä magnetointivirran tuottamiseen ei kuitenkaan tarvita paljoa. Vääntömomenttia voi sitten lopulla virralla tuottaa siinä missä suuremmillakin nopeuksilla. Sähköinen teho on kuitenkin pienempi kuin vastaavalla virralla suurella nopeudella koska taajuus ja jännite ovat pieniä.

Osakuormilla ja nimellisnopeutta pienemmilla nopeuksilla voi olla mahdollista saavuttaa nimellispistettä parempi hyötysuhde, koska koneen vuota voidaan alentaa nimelliseen vuohon nähden. Tällöin sekä rauta- että kuparihäviöt pienenevät nimellispisteeseen verrattuna. Itse asiassa kuulostaa luonnolliselta, että osakuormalla voidaan saavuttaa nimellispistettä korkeampi hyötysuhde, sillä osakuormalla koneen materiaaleissa on varaa, ts. kupari- ja rautapiirit ovat ylimitoitettuja osakuormapistettä silmälläpitäen.

"Sähköjunissa on jo iät ajat käytetty hyväksi navoilla kikkailua."

Mitä tarkoitat kikkailulla? Ei napaluvut yleensä mitään kikkailua ole. Hidaskäyntisiä koneita tarvitaan erilaisissa suoravetokäytöissä (esim. tuulivoima, matalien putouskorkeuksien vesivoima, teollisuuden suoravetokäytöt). Nämä ovat kestomagneettitahtikoneiden ominta sovellusaluetta. Napakikkailusta tulee mieleen vain vanhat hissit, joissa on oikosulkukone, jossa on kaksi erilaiselle napaluvulle tehtyä käämitystä. Toinen normaaliajoa varten ja toinen tasolle ryömintää varten. Käämin vaihto tehdään kontaktorilla. Brezneviläistä tekniikkaa.

"No jos tuohon moottoriin syötetään virtaa, sanotaan, että virran taajuus on vaikkapa 2 Hz. Tällöin renkan optimipyörimisnopeus on 1 kierros sekunnissa."

Noh. Jos 2 napaista induktiokonetta syötetään 2 Hz taajuudella synkroninopeus on 2 r/s. Pyörimisnopeus 1 r/s vastaa 50 % jättämää, jolloin jo pelkästään roottorihäviöt ovat yhtä suuret kuin mekaaninen teho. Pyörimisnopeudella 2 r/s taas mekaaninen teho olisi nolla, sillä se pyörii synkroninopeutta, koska konetta ei kuormiteta lainkaan.

"Napakikkailu ei vaikuta siihen tosiasiaan, että kun kierrosluku on matala täytyy väännön olla korkea. Ja vääntöä saa vain kasvattamalla magneettivuon voimakkuutta, joka taas kasvaa ainoastaan laittamalla lisää kuparia käämiin tai nostamalla virran voimakkuutta."

Koneen vuota ei oikein voi kasvattaa nimellisestä, koska induktanssit alkavat kyllästyä. Vääntöä saa virralla. Ja erityisesti sillä osalla, joka on vuohon nähden kohtisuorassa.

Osakuormilla ja nimellisnopeutta pienemmilla nopeuksilla voi olla mahdollista saavuttaa nimellispistettä parempi hyötysuhde, koska koneen vuota voidaan alentaa nimelliseen vuohon nähden. Tällöin sekä rauta- että kuparihäviöt pienenevät nimellispisteeseen verrattuna. Itse asiassa kuulostaa luonnolliselta, että osakuormalla voidaan saavuttaa nimellispistettä korkeampi hyötysuhde, sillä osakuormalla koneen materiaaleissa on varaa, ts. kupari- ja rautapiirit ovat ylimitoitettuja osakuormapistettä silmälläpitäen.

Näyttäisi siltä, että tässä kohtaa keskustelua puhutaan nimenomaan oikosulkumoottorista. Niissä todella tilanne on se, että yleensä paras hyötysuhde saavutetaan osakuormalla. Se osakuorma on kuitenkin nimelliskäytössä noin 75 %, mikä on autokäytössä useimmiten liikaa. Suuremmilla ja pienemmillä kuormilla hyötysuhde putoaa.

Oikosulkumoottoreista löytyy vähän huonosti tietoa siitä, miten niiden hyötysuhteet käyttäytyvät nimellistä matalammilla taajuuksilla. Osittain tämä johtuu siitä, että optimaalinen jännitteen ja taajuuden säätökin on jossain määrin haastava kysymys matalilla taajuuksilla (pelkkä V/Hz ei ole hyvä). Tyypillinen käyrä tuntuisi näyttävän siltä, että hyötysuhde 20 %:n taajuudella on noin 0,5, ja siitä pudotaan suhteellisen lineaarisesti nollaan nollassa.

Sellaista käyrästöä en ole onnistunut löytämään, jossa näytettäisiin oikosulkumoottorin optimihyötysuhde väännön ja kierrosluvun funktiona.

Tähän tulee lisää se, että taajuusmuuttajan hyötysuhde myös heikkenee pienillä kuormilla. Sille on kuitenkin enemmän tehtävissä.

Oikosulkumoottorilla on siis hyötysuhdemielessä useampia haasteita autokäyttöön. Kaupunkiajossa ei ole oikosulkumoottorille kuin vaikeita tilanteita; koko ajan on joko pieni nopeus tai pieni kuorma tai kumpikin samaan aikaan. Tämä vielä kertautuu sähköautossa, kun regeneratiivinen jarrutus rankaisee mennen tullen.

Kilpakäytössä tai maantieajossa oikosulkumoottori on jo kokonaan toinen juttu. Siellä nopeuden dynamiikka on paljon pienempi, jolloin hyötysuhde pysyy fiksumpana.

Joten on siihen syynsä, että sähköautoissa ja hybrideissä puhutaan kestomagneettimoottoreista.

Kyllä ja aivan oikein, puhdasta lisäsähköä voidaan tuottaa suuria määriä monella tavalla…aloittelen juuri gradua biosähkön tuotannosta, kaasuttamalla jätteistä ja puusta…
Greentapsa

Kyllä ja aivan oikein, puhdasta lisäsähköä voidaan tuottaa suuria määriä monella tavalla…aloittelen juuri gradua biosähkön tuotannosta, kaasuttamalla jätteistä ja puusta…

Pidäthän meidät ajan tasalla!

Noin äkkiä tuntuisi, että potentiaalin arviointi on vaikeaa. Jos puu poltetaan, siitä ei tehdä paperia. Ja jos se sama paperi tehdään muualla, niin sitten hakataan kaikkiaan enemmän. Ja tietysti metsän kasvatukseen, hoitamiseen ja korjaamiseen menee energiaa. Mikä on tämän vaikutus? Tai jos poltetaan vaikkapa keräyspaperia tai -kartonkia, sitten jossain käytetään enemmän neitseellistä kuitua. YTV:n uuden jätevoimalan sähköteho on 60 MW, joten ihan pelkkää sekajätettä polttamalla ei kaikkea fossiilista korvata.

Ja mikä on taloudellisesti järkevää? Entä ympäristön kannalta? Voidaanko kaikki fossiilinen poltettava (hiili, turve, kaasu) energiantuotannossa korvata jollain muulla jo nykyteknologialla?

Hyvä gradun aihe, ei voi muuta sanoa.

Ja mikä on taloudellisesti järkevää? Entä ympäristön kannalta? Voidaanko kaikki fossiilinen poltettava (hiili, turve, kaasu) energiantuotannossa korvata jollain muulla jo nykyteknologialla?

Sen haluan tuoda esille tässä, että suinkaan kaikki kaasu ei ole fossiilista (uusiutumatonta) polttoainetta. Kaasua voidaan tuottaa nykyteknisin toimenpitein suht helposti eikä kustannuksetkaan pitäisi ihan tähtitieteellisiä olla.

Sitten toinen, johon kyllä mielenkiinnolla odotan vastausta, on se kuinka paljon muiden energialähteiden tuottamisesta voinaa korvata kaasulla sekä muilla uusiutuvilla "polttoainella". Jo edellä esitetyt kysymykset taloudellisuudesta ja järjestä ympäristön kannalta muutenkin kuin CO2 osalta ovat niin ikään minustakin mielenkiintoisia.