M vyšší účinnost, tím lépe?
Rozhodli jsme se zjistit, co je účinnost. Alespoň ve vztahu k technologii, kde se často ztotožňuje s efektivitou, efektivitou. Jak se ukázalo, účinnost nelze vždy jednoznačně měřit, někdy se ukáže, že více než sto procent a často více neznamená lépe.
Účinnost je podle definice poměr přijaté energie k energii vynaložené. Pokud motor spaluje benzín a pouze třetina vzniklého tepla se přemění na energii pohonu vozidla, pak je účinnost třetinová nebo (zaokrouhleno na celé číslo) 33 %. Pokud žárovka produkuje světelnou energii padesátkrát méně, než je spotřebovaná elektrická energie, její účinnost je 1/50 nebo 2 %. Okamžitě se však nabízí otázka: co když se žárovka prodává jako infrazářič? Poté, co byl zakázán prodej žárovek, se zařízení přesně stejného designu začala prodávat jako „infrazářiče“, protože přes 95 % elektřiny se přeměňuje na teplo.
(Ne)užitečné teplo
Obvykle se teplo generované během provozu něčeho zaznamenává jako ztráty. To ale není zdaleka jisté. Elektrárna například přemění asi třetinu tepla uvolněného při spalování plynu nebo uhlí na elektřinu, ale další část energie lze využít k ohřevu vody. Pokud jsou do užitečných výsledků provozu KGJ zahrnuty také dodávky teplé vody a teplé baterie, zvýší se účinnost o 10-15%.
Podobným příkladem jsou „sporák“ do auta: ten přenáší část tepla vznikajícího při chodu motoru do interiéru. Toto teplo může být užitečné a nezbytné, nebo může být považováno za ztrátové: z tohoto důvodu se obvykle neobjevuje ve výpočtech účinnosti motoru automobilu.
Zařízení jako tepelná čerpadla stojí stranou. Jejich účinnost, počítáme-li poměrem dodaného tepla a spotřebované elektřiny, je více než 100%, ale to nevyvrací základy termodynamiky. Tepelné čerpadlo přečerpává teplo z méně vyhřívaného tělesa do více vyhřívaného a vynakládá na to energii, protože bez energetického výdeje je takové přerozdělování tepla stejnou termodynamikou zakázáno. Pokud tepelné čerpadlo odebere kilowatt z výstupu a vyrobí pět kilowattů tepla, pak čtyři kilowatty odeberou ze vzduchu, vody nebo půdy mimo domov. Prostředí v místě, kde zařízení čerpá teplo, se ochladí, dům se zahřeje. Ale pak se toto teplo spolu s energií vynaloženou čerpadlem stejně rozptýlí v prostoru.
Hodně nebo efektivně?
Některá zařízení mají velmi vysokou účinnost, ale zároveň – nevhodný výkon.
Elektromotory jsou tím účinnější, čím jsou větší, ale vložit motor elektrické lokomotivy do dětské hračky je fyzicky nemožné a ekonomicky nesmyslné. Účinnost motorů v lokomotivě proto přesahuje 95 % a v malém rádiem řízeném voze nejvýše 80 %. Navíc v případě elektromotoru jeho účinnost závisí také na zatížení: nedostatečně zatížený nebo přetížený motor pracuje s nižší účinností. Správný výběr zařízení může znamenat i víc než jen výběr zařízení s maximální deklarovanou účinností.
Pokud jsou elektromotory vyráběny pro různé účely, od vibrátorů v telefonech po elektrické lokomotivy, pak má iontový motor mnohem menší výklenek. Iontové motory jsou účinné, ekonomické, odolné (fungují bez vypínání roky), ale zapínají se pouze ve vakuu a poskytují velmi malý tah. Jsou ideální pro vysílání vědeckých vozidel do hlubokého vesmíru, která mohou létat k cíli několik let a pro něž je úspora paliva důležitější než trávení času.
Elektromotory mimochodem spotřebují téměř polovinu veškeré elektřiny vyrobené lidstvem, takže i rozdíl o setinu procenta v celosvětovém měřítku může znamenat nutnost postavit další jaderný reaktor nebo jiný energetický blok tepelné elektrárny. .
Efektivní nebo levné?
Energetická účinnost není vždy totožná s ekonomickou účinností. Jasným příkladem jsou LED žárovky, které byly donedávna horší než žárovky a zářivky „úsporné“. Složitost výroby bílých LED, vysoká cena surovin a na druhou stranu jednoduchost žárovky si vynutila volbu méně účinných, ale levnějších světelných zdrojů.
Mimochodem, za vynález modré LED, bez které by nebylo možné vyrobit zářivě bílou lampu, dostali japonští vědci v roce 2014 Nobelovu cenu. Toto není první cena udělená za přínos k vývoji osvětlení: v roce 1912 byla cena udělena Nilsi Dahlenovi, vynálezci, který zdokonalil acetylenové svítilny pro majáky.
Dalším příkladem účinných, ale velmi drahých zařízení jsou solární články na bázi arsenidu galia (polovodič se vzorcem GaAs). Jejich účinnost dosahuje téměř 30 %, což je jeden a půl až dvakrát více než u baterií používaných na Zemi na bázi mnohem běžnějšího křemíku. Vysoká efektivita se vyplatí pouze ve vesmíru, kde doručení jednoho kilogramu nákladu může stát téměř stejně jako kilogram zlata. Pak bude úspora hmotnosti baterie oprávněná.
Účinnost elektrického vedení lze zvýšit výměnou mědi za lépe vodivé stříbro, ale stříbrné kabely jsou příliš drahé, a proto se používají pouze v ojedinělých případech. Myšlenka postavit supravodivé elektrické vedení z drahé keramiky vzácných zemin, která vyžaduje chlazení kapalným dusíkem, se však v posledních letech v praxi objevila několikrát. Konkrétně takový kabel již byl položen a připojen v německém městě Essen. Je dimenzován na 40 megawattů elektrické energie při napětí deset kilovoltů. Kromě toho, že se tepelné ztráty sníží na nulu (na oplátku je však nutné napájet kryogenní instalace), je takový kabel mnohem kompaktnější než obvykle a díky tomu můžete ušetřit na nákupu drahých pozemků v centrum města nebo odmítnout položit další tunely.
Ne podle obecných pravidel
Mnoho lidí si ze školních kurzů pamatuje, že účinnost nemůže překročit 100 % a že čím větší je teplotní rozdíl mezi lednicí a ohřívačem, tím je vyšší. To však platí pouze pro tzv. tepelné motory: parní stroj, spalovací motor, proudové a raketové motory, plynové a parní turbíny.
Elektromotory a všechna elektrická zařízení toto pravidlo nedodržují, protože se nejedná o tepelné motory. Pro ně platí pouze to, že účinnost nemůže překročit sto procent a konkrétní omezení jsou v každém případě stanovena jinak.
V případě solární baterie jsou ztráty určovány jak kvantovými efekty při absorpci fotonů, tak ztrátami v důsledku odrazu světla od povrchu baterie a absorpcí v zaostřovacích zrcadlech. Výpočty ukázaly, že solární baterie v zásadě nemůže překročit 90 %, ale v praxi jsou dosažitelné hodnoty kolem 60-70 %, a to i ty s velmi složitou strukturou fotočlánků.
Palivové články mají vynikající účinnost. Tato zařízení přijímají určité látky, které mezi sebou chemicky reagují a vytvářejí elektrický proud. Tento proces opět není cyklem tepelného motoru, takže účinnost je poměrně vysoká, asi 60%, zatímco dieselový nebo benzínový motor obvykle nepřekročí 50%.
Právě palivové články, které byly instalovány na kosmické lodi Apollo, letěly k Měsíci a mohou jezdit například na vodík a kyslík. Jejich jedinou nevýhodou je, že vodík musí být zcela čistý a navíc se musí někde skladovat a nějak přenášet ze závodu ke spotřebitelům. Technologie, které umožňují nahradit běžný metan vodíkem, se zatím masově neprosadily. Na vodík a palivové články jezdí jen experimentální auta a pár ponorek.
Iontové a plazmové motory již existují, ale také pracují pouze ve vakuu. Jejich tah je navíc příliš nízký a je řádově nižší než hmotnost samotného zařízení – ze Země by nevzlétly ani bez atmosféry. Ale během meziplanetárních letů trvajících mnoho měsíců a dokonce let je slabý tah kompenzován účinností a spolehlivostí.
Alexej Timošenko
Konference v Jinanu
16. září 2020 uspořádala společnost Weichai Corporation, přední výrobce motorů v Číně, pod vedením předsedy Tang Xuguanga tiskovou konferenci v Jinanu v provincii Shandong. Během kterého bylo oficiálně oznámeno uvedení prvního komerčního dieselového motoru na světě s účinností nad 50 %.
Německý TÜV SÜD (celosvětová inspekční a certifikační organizace) a China Automotive Technology Research Center na konferenci udělily společnosti Weichai Corporation certifikát potvrzující, že efektivní účinnost nového vznětového motoru WP13H560E65 přesáhla 50,26 %.
Efektivní účinnost je kritériem pro hodnocení účinnosti využití paliva ve spalovacím motoru. Čím vyšší je tento ukazatel, tím nižší je spotřeba paliva, vyšší energetická účinnost a nižší úroveň emisí. Od roku 1897, kdy byl poprvé úspěšně použit spalovací motor, a během století modernizace a technologických inovací se efektivní účinnost motorové nafty zvýšila z 26 % na 46 %. V dnešní době s neustálým zpřísňováním emisních norem se proces zvyšování efektivní účinnosti výrazně zpomalil. Tento problém se stal celosvětovou technologickou výzvou v průmyslu motorů.
Společnost Weichai Corporation působí v průmyslu motorů již více než 70 let. Během tohoto období společnost nashromáždila rozsáhlou intelektuální základnu a zkušenosti s výrobou a vývojem dieselových motorů. Weichai neustále zlepšuje klíčové technologie. Za posledních 10 let korporace investovala 4,5 miliardy dolarů, přilákala více než 200 doktorů věd, více než 300 vysoce kvalifikovaných odborníků z celého světa a více než 3000 výzkumných pracovníků, aby se podíleli na vývoji. Tato opatření umožnila společnosti skok ve vývoji vlastních inovativních technologií v oblasti dieselových motorů. V čínském Weifangu vybudovala společnost největší závod na světě, který je schopen vyrobit a prodat více než 1 milion jednotek motorů ročně.
Během několika posledních let společnost Weichai Corporation budovala kapacity, které se zaměřovaly na projekty na zlepšení efektivity. Tento proces se ještě více zrychlil v roce 2015, kdy byl vytvořen speciální technologický inovační tým, který provedl obrovské množství simulací a bench testů, studoval a analyzoval tisíce různých projektů, neustále zkoušel a vylepšoval stávající řešení, zaznamenal nárůst efektivní efektivity. za každých 0,1 %, dokud nakonec nedosáhla historického průlomu. Bylo vyvinuto pět speciálních technologií – technologie přizpůsobeného spalování, technologie přizpůsobeného designu, technologie distribuce energie výfukových plynů, technologie zónování mazání a technologie inteligentního řízení. Díky těmto technologiím bylo možné vyřešit řadu běžných potíží po celém světě a dosáhnout efektivního spalování, nízkého přenosu tepla, vysoké spolehlivosti, nízkých ztrát třením, nízkých emisí škodlivin a inteligentního řízení. To umožnilo vytvořit motor s efektivní účinností nad 50 %.
Technologie přizpůsobeného spalování vyrovnává vztah mezi rychlostí, koncentrací a dalšími fyzikálními procesy ve spalovací komoře optimalizací konstrukce průchodů plynu, vstřikování paliva, spalovací komory a dalších systémů. To zase umožnilo zvýšit rychlost spalování o 30 %.
Technologie koordinovaného designu má za cíl zlepšit spalování s extrémně omezenými bezpečnostními rezervami při maximálním spalovacím tlaku. Změna hmotnosti jednotlivých dílů a další posílení integrální konstrukce umožnilo zvýšit odolnost systému proti vysokému spalovacímu tlaku o téměř 60 %.
Technologie distribuce energie z výfuku řeší významný nárůst složitosti kontroly emisí znečišťujících látek způsobený zlepšením spalovacích procesů.
Technologie zónování mazání spočívá v cíleném použití různých technologií snižování tření v závislosti na vlastnostech třecích dvojic systému. Tato technologie snížila tření systému o 20 %.
Inteligentní řídicí technologie využívá patentovanou elektronickou řídicí jednotku Weichai a vyvíjí řadu přesnějších předpovědních modelů pro zlepšení účinnosti každé provozní oblasti dieselového motoru.
Nárůst efektivní účinnosti nad 50 % je revolucí v celosvětovém vývoji konstrukce motorů. Německá korporace Bosch, rakouská AVL, německá FEV, Americká společnost automobilových inženýrů, Čínská asociace strojního inženýrství, Čínská asociace průmyslu spalovacích motorů a další autoritativní organizace a specialisté vyjádřili své blahopřání k úspěchu společnosti Weichai Corporation v tomto historickém průlom.
Společnost Weichai Corporation nejenže oznámila první naftový motor na světě s účinností vyšší než 50 %, ale také splnila emisní požadavky národní normy G6/EU-VI a byla první, kdo vytvořil možnosti pro hromadnou výrobu a komercializaci produktu. . Odborníci z oboru uvádějí, že zvýšení efektivní účinnosti z předchozí úrovně 46 % na 50 % by snížilo spotřebu nafty o 8 % a emise CO2 o 8 %. Na základě současného odhadu, že počet těžkých dieselových motorů na čínském trhu dosahuje 7 milionů, pak pokud by byly všechny dieselové motory nahrazeny novými, bylo by možné ušetřit asi 33,32 milionů tun nafty ročně a snížit emise CO2 o 104,95 milionů tun. Bude to obrovský příspěvek k řešení problémů životního prostředí.
Oznámení o vývoji prvního komerčního vznětového motoru na světě s účinností nad 50 % znamenalo vstup čínské technologie těžkých vznětových motorů na globální scénu. Během projektu vývoje motoru se společnost Weichai Corporation těšila podpoře německé korporace Bosch a dalších předních organizací na světě. Na tiskové konferenci Tang Xuguang také oznámil, že v budoucnu bude společnost Weichai Corporation otevřena spolupráci a partnerství se společnostmi z celého světa, aby se posunula směrem k novému cíli – vytváření dieselových motorů s účinností 55 %!