Проблема ограниченности ресурсов всегда была очень актуальна. Особенно сейчас, когда большая часть ресурсов уже истощены, а на их восстановление уйдет слишком много времени. Мир энергетики нуждается в применении решительных и новаторских мер, поэтому сейчас идут активные поиски альтернативных источников энергии. И одним из таких источников является водород, как носитель экологически чистой энергии, который в будущем поможет решить самые актуальные проблемы этой области. Водород и водородные топливные элементы — это отличная альтернатива углеродному производству энергии.
Водород является самым распространенным элементом во вселенной, в нем содержится огромное количество энергии (при сжигании выделяется около 120,7 ГДж на тонну). Основным источником водорода на Земле является вода, именно благодаря этому, молекулы водорода попали в поле зрения ученых как настоящие объекты альтернативной энергетики.
Экологически чистым способом получения водорода является электролиз. Это физико-химический процесс, при котором жидкость распадается на положительные и отрицательные ионы. Происходит это следующим образом: электрический ток, проходящий через воду, вызывает реакцию на электродах, на которых и оседают положительные и отрицательные ионы. На отрицательно заряженном электроде оседают катионы (водород), соответственно, на положительном — анионы (кислород). Единственным побочным продуктом работы водородного топливного элемента является вода. Поэтому водород по праву можно называть одним из самых экологически чистых источников энергии, что особенно актуально сейчас со сложившейся экологической обстановкой.
Для того, чтобы запустить учебно-тренировочную модель гибридного автомобиля на топливных элементах используются картриджи водорода Horizon Hydrostik Pro.
В топливных элементах водород вступает в реакцию с кислородом из воздуха и происходит бурная химическая реакция, в ходе которой вырабатывается электрическая энергия, единственным побочным продуктом является вода:
2H2 + O2 = 2H2O + Q (переменная выделяющейся энергии).
Водородная энергетика — это уже реальность. Автомобили, работающие подобным образом, производятся и довольно большими партиями. Модель автомобиля масштабом 1:10 автомобиля представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Радиоуправляемая модель автомобиля с подключенным водородным топливным элементом
Из модели был убран передний привод и дифференциал. Блокировка дифференциала является одним из самых эффективных способов повышения проходимости колесной машины. В любом автомобиле имеется межосевой дифференциал, конструкторы обязательно вводят механизм его блокировки. Иногда машину оснащают механизмом, блокирующим межколесный дифференциал заднего моста. Блокировка дифференциала, как любое техническое решение, имеет свои достоинства и недостатки. В нашем же случае машина будет от этого только в выигрыше, так как её специализация отличается от кольцевых машин.
Для подготовки машины к установке телеметрии были выполнены следующие задачи:
- Уменьшение массы машинки. Уменьшение массы необходимо что бы придавать ей большее ускорение при той же силе (второй закон Ньютона). Это уменьшит работу, а, следовательно, уменьшит и массу расходуемого топлива
- Улучшение аэродинамических свойств посредством улучшения обтекаемости корпуса модели автомобиля на водородном двигателе, используя программное обеспечение Flow simulation 2016. Благодаря этому возможно минимизировать сопротивление воздуха.
- Разработка дизайна машинки. Модель машинки должна не только стать лучше в плане характеристик, связанных с более экономным использованием ресурсов, КПД, эффективности и т. д., но и сама по себе быть уникальной и внешне «отличимой».
- Улучшение сцепления шин с поверхностью трассы. Чем лучше сцепление, тем больше скорость. Для этого был подобран оптимальный протектор.
- Оптимизация внутренней компоновки деталей машинки. Чтобы на поворотах вероятность переворота машинки была минимальной, а также для увеличения скорости при заднем приводе необходимо перенести центр тяжести машинки в её заднюю часть.
- Оптимизация скорости движения для уменьшения расхода топлива. Так как имеется ограниченный запас топлива, то есть смысл нахождения оптимальной скорости, чтобы машинка смогла проехать большее расстояние, используя один баллон. V = √𝑃𝑘.
Запишем систему, характеризующую работу, совершаемую машинкой:
{𝑃=𝐴𝑡𝐴=𝐹∗𝑆, где P — мощность машинки, A — работа, совершаемая ею, t — время, F — сила, которая и заставляет машинку двигаться, S — перемещение, которое совершает машинка.
⇒ {𝐴=𝑃∗𝑡𝐴=𝑘∗𝑉∗𝑆, где V — скорость машинки, k — коэффициент сопротивления, полученный экспериментально.
Используем метод алгебраического сложения для решения данной системы и получаем:
2*A = 𝑃∗𝑆𝑉 + k*V*S ⇒ A = 𝑃∗𝑆2∗𝑉 + 𝑘∗𝑉∗𝑆2
Далее, чтобы найти минимум функции работы (т. к. A = m*q, где m — масса топлива и q — удельная теплоемкость сгорания топлива (константа для определенного топлива), значит, чтобы использовать меньше топлива, нам нужно минимизировать затраченную работу), который в данном случае является локальным экстремумом данной функции, необходимо взять частную производную по скорости и приравнять ее к нулю (лемма Ферма).
⇒ -𝑃∗𝑆2∗𝑉2 + 𝑘∗𝑆2 = 0 ⇒ 𝑃∗𝑆𝑉2 = k*S ⇒ 𝑃𝑉2 = k ⇒ V = √𝑃𝑘.
После подготовки модели к установке телеметрии начался процесс изготовления печатной платы. Плата предназначена для управления работой топливного элемента. Она управляет клапанами впуска водорода и выпуска (продувки). Так же плата регулирует работу вентиляторов, которые нагнетают воздух для работы и охлаждения топливного элемента. В плату впаивается стабилизатор напряжения, который преобразует 12 Вольт, выдаваемые водородным топливным элементом, в напряжение соответствующее текущему напряжению аккумуляторной батареи. Все выше перечисленное управляется непосредственно компьютером, на базе Arduino Nano.
Была сделана система телеметрии, которая позволяет передавать показания машинки: напряжения аккумуляторной батареи и топливного элемента (для контроля давления водорода), скорость автомобиля, температура двигателя, расход энергии. Параметры телеметрии выводятся на отдельный экран, не установленный на автомобиль. Это сделано для того, чтобы команда могла отслеживать показания вовремя движения автомобиля по трассе. Удаленное отслеживание позволит вовремя вернуть модель на пит-стоп для обслуживания во время соревнований.
Как уже говорилось выше, для управления используется Arduino Nano. Необходимо обратить внимание на следующие позиции: инициализация библиотек, используемых в программе; указание портов, к которым подключены соответствующие датчики и исполнительные устройства; функции, необходимые для работы цифрового датчика температуры; инициализация протоколов, использующихся при работе программы.
После установки печатной платы и системы телеметрии были проведены испытания, во время которых производилось снятие показаний (Рис. 2 а,б).
а
б
Рис. 2. Данные, выводящиеся на экран: а — при включенном топливном элементе, б — при выключенном топливном элементе
Таким образом, все запланированные работы были выполнены.
Литература:
1. Плотников В. В. Аппаратура радиоуправления моделями. — М.: Энергия, 1980.
2. Шпильрайн Э. Э. Введение в водородную энергетику. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 264 с.
[1] Работа над статьей проведена в рамках проекта «Водородомобиль» при поддержке Красноярского краевого фонда науки.
