Veículo de ar comprimido - Compressed-air vehicle

sistema de ar comprimido com um protótipo de trocador de calor PCM pelo Dr. Reza Alizade Evrin da Ontario Tech University .
Diagrama de protótipo de sistema de ar comprimido com trocador de calor PCM

Um veículo a ar comprimido ( CAV ) é um mecanismo de transporte alimentado por tanques de gás atmosférico pressurizado e impulsionado pela liberação e expansão do gás dentro de um motor pneumático . Os CAVs encontraram aplicação em torpedos , locomotivas usadas em túneis de escavação e primeiros protótipos de submarinos . Os veículos a ar comprimido operam de acordo com um processo termodinâmico onde o ar resfria ao expandir e aquece ao ser comprimido e essas são perdas de energia térmica que drenam o fator de capacidade , porém com os desenvolvimentos recentes em usinas de armazenamento isotérmico de energia de ar comprimido ICAES , ar comprimido o armazenamento atingiu 4 vezes o fator de capacidade das baterias de íon-lítio com 2,7Mj / kg ou 3,6Mj / m3 e em 2020 houve desenvolvimentos no carro ICAV ou veículo isotérmico de ar comprimido publicado pelo Dr. Reza Alizade Evrin da Ontario Tech University com um primeiro protótipo que usa tanques de ar de baixa pressão e recuperação de ar de exaustão para alimentar um sistema de trocador de calor de parafina com uma eficiência energética global de 74% (atingindo 73% -90% de eficiência de carros elétricos de íon-lítio ) com uma autonomia de 140 km . Esta eficiência e alcance podem ser aumentados usando tanque de armazenamento como estrutura do chassi do veículo, tanques de alta pressão, novos motores rotativos e um trocador de calor mais eficiente, este avanço junto com a disponibilidade de termoplásticos reciclados e de base biológica para tanques e componentes pneumáticos e energia renovável significa que esta tecnologia pode ser a base de uma revolução de transporte verde livre com descentralização de energia e indústria circular com fabricação de máquinas de controle numérico de código aberto, incluindo manufatura aditiva, enquanto compressores de ar multiestágios e resfriadores ou bombas hidráulicas podem ser conectados diretamente a turbinas eólicas VAWT , stirling motor com um concentrador solar de lente parabólica ou fresnel ou rio, maré, turbina hidrelétrica de ondas sem energia elétrica ou rede elétrica necessária, nem ineficiências de conversão de energia ou armazenamento de energia adicional, também em vez do sistema de recuperação de calor a bordo , pode ser usado um sal fundido recarregável ( de lentes de fresnel ou Con parabólico energia solar centrada ) reservatório em um sistema de trocador de calor .

A propulsão por ar comprimido também pode ser incorporada em sistemas híbridos, como a propulsão elétrica por bateria . Esse tipo de sistema é chamado de propulsão elétrica híbrida-pneumática. Além disso, a frenagem regenerativa também pode ser usada em conjunto com este sistema.

Motores de ar comprimido

Eixo dipietro excêntrico, motor pneumático de palheta rotativa
Motor rotativo LiquidPiston

Houve várias reivindicações duvidosas com informações não divulgadas, no entanto, o motor "di pietro" foi parcialmente testado com CAD e programa de análise de elementos finitos e publicado em artigos científicos por Jarosław Zwierzchowski da Universidade de Tecnologia de Lodz em 2017, que é um motor de aleta excêntrico que usa baixa pressão de ar. Outro motor recente que poderia ser adaptado para ar comprimido é o motor rotativo LiquidPiston .

Tanques de ar comprimido e segurança de colisão

Segurança do tanque de hidrogênio de alta pressão Hyundai nexo
Consórcio DuraStor Vasos de pressão compostos termoplásticos para veículos a hidrogênio
Artigo principal: Tanque de ar comprimido

Os tanques devem ser projetados de acordo com os padrões de segurança apropriados para um vaso de pressão , como ISO 11439 .

Os vasos de pressão ou tanques de armazenamento de ar que podem ser usados ​​em veículos de ar comprimido podem ser feitos de baixa pressão (9 atm) ou alta pressão (+240 atm), e podem ser feitos de materiais compostos como termoplásticos e termoplásticos reforçados com fibras, ou seja, que o preço pode cair com o uso de termoplásticos reciclados ou de base biológica por rotomoldagem e são muito mais leves que as baterias de lítio-ferro e 70% mais leves em comparação com os tanques de aço, além de terem maior vida útil e não precisam de muita manutenção.

Para reduzir ainda mais o peso do veículo, os tanques de ar podem ser usados ​​como armazenamento estrutural, de modo que o tanque seja a parte principal do chassi do veículo ao usar o isolamento de impacto apropriado, no entanto, os tanques termoplásticos reforçados com fibra só têm rupturas em caso de colisão e não explodem. O avanço em vasos de pressão para veículos foi desenvolvido para veículos a hidrogênio com vasos de alta pressão de compressão, esta é uma citação da página da hyundai que criou o Hyundai Nexus com 700 tanques atm e testes de colisão favoráveis.

”Os tanques de hidrogênio exigem 'Alta resistência' para evitar ruptura e 'Alta rigidez' para durabilidade. Força é definida como o nível de resistência à influência de uma força externa. Rigidez é o nível de resistência que mantém sua forma original. Os materiais de fibra de carbono usados ​​na fabricação de tanques de combustível de hidrogênio são leves como um plástico, mas têm seis e quatro vezes a resistência e a rigidez do aço, respectivamente. “Quando uma bala penetra em um tanque de hidrogênio, ela não explode. Em vez disso, o hidrogênio vaza pelo buraco da bala. Em um teste de colisão padrão, nem mesmo uma pequena quantidade de hidrogênio foi detectada porque nenhum vazou.

Produção de ar comprimido, armazenamento e eficiência e densidade de energia

Compressor de ar da turbina eólica publicado em Fieldlines.com: The Otherpower fórum de discussão
Bomba hidráulica movida a turbina eólica com Acumulador Aberto para Armazenamento de Energia de Ar Comprimido Isotérmico Sistema ICAES

O ar comprimido tem uma densidade de energia baixa , no entanto, o armazenamento de ar comprimido quase isotérmico ICAES tem quase 4 vezes a capacidade das baterias de íon-lítio com 2,7 Mj / kg ou 3,6 Mj / m3. Além disso, o ar comprimido pode ser produzido conectando-se um compressor de ar ou bomba hidráulica a uma turbina eólica ou usando uma turbina hidrelétrica de ondas, marés, com apenas uma conversão de energia mecânica para pneumática eliminando eletricidade do circuito que dá maior eficiência geral, também há o possibilidade de usar energia térmica com um concentrador solar de lente parabólica ou fresnel para acionar um motor térmico stirling para mover o compressor ou a bomba, o stirling solar é mais eficiente do que o vapor solar e o fotovoltaico.

Saída de emissão

Carros de ar comprimido não só podem ser livres de emissões, mas também livres de energia elétrica, uma vez que uma turbina eólica pode ser conectada a um compressor de ar ou bomba hidráulica ou um motor rotativo a um concentrador solar de lente parabólica ou fresnel .

Uma vez que o ar comprimido é filtrado para proteger o maquinário do compressor, o ar descarregado tem menos poeira suspensa nele, embora possa haver transporte de lubrificantes usados ​​no motor que pode ser mitigado pelo uso de compressores de turbina eólica isentos de óleo com turbina eólica intercoolers alimentados

Consumo de recursos

Os recentes desenvolvimentos de vasos de pressão compostos e componentes pneumáticos significam que os veículos de ar comprimido podem fazer parte da indústria circular com componentes de base biológica ou reciclados , também cortando a energia elétrica do circuito, não há necessidade de rede elétrica e os metais usados ​​como cobre, ferro em ímãs, etc

História

Gotthardbahn: Locomotiva pneumática com recipiente de pressão acoplado.

O ar comprimido tem sido usado desde o século 19 para movimentar locomotivas e bondes de minas em cidades como Paris (por meio de um sistema central de distribuição de energia de ar comprimido no nível da cidade ) e anteriormente era a base da propulsão de torpedo naval .

Durante a construção do Gotthardbahn de 1872 a 1882, locomotivas pneumáticas foram usadas na construção do Túnel Ferroviário do Gotthard e de outros túneis do Gotthardbahn.

Em 1903, a Liquid Air Company localizada em Londres, Inglaterra, fabricou vários carros com ar comprimido e ar liquefeito. O maior problema desses carros e de todos os carros a ar comprimido é a falta de torque produzida pelos "motores" e o custo de compressão do ar.

Desde 2010, várias empresas começaram a desenvolver carros de ar comprimido, incluindo tipos híbridos que também incluem um motor a gasolina; nenhum foi divulgado ao público ou testado por terceiros.

Vantagens

A eficiência energética da fonte de energia, usando turbinas eólicas para compressores ou bombas há uma única conversão de mecânica em energia pneumática ou hidráulica, e por alimentar o compressor com motor Stirling com uma parabólica ou fresnel lente concentrador solar há energia térmica a energia mecânica de conversão , também usando um material de mudança de fase no trocador de calor aquecido com energia solar concentrada, há apenas energia solar térmica envolvida.

Eficiência energética do veículo em comparação ao íon-lítio , a partir de 2020 o primeiro protótipo isotérmico chega a 74%, o que é semelhante aos 73-90% dos veículos elétricos

Densidade de energia em comparação com íon-lítio , armazenamento de energia de ar comprimido isotérmico ICAES, densidade de energia pode ser de pelo menos 2,7Mj / kg ou 3,6Mj / m3, 4 vezes maior que as baterias de íon-lítio, que podem ser melhoradas com vasos de alta pressão e sistemas de troca de calor .

Recursos, tecnologia de ar comprimido podem ser adaptados para energia renovável e indústria circular com compostos de base biológica ou reciclados e, portanto, em comparação com veículos elétricos, eles podem ser isentos de recursos minerais finitos ou processos tóxicos usados ​​na fabricação de baterias e motores elétricos e também do uso da rede elétrica .

Peso estrutural , o baixo peso do composto vasos de pressão em relação aos iões de lítio da bateria e também em comparação com tanques de aço (70% mais leve), que que podem ser reduzidos através da utilização dos tanques de como a estrutura do chassis do veículo com isolamento impacto apropriado, também o baixo peso de motores rotativos do motor do cubo da roda .

Reabastecimento em quase qualquer lugar ou com equipamento de bordo, pois somente é necessário energia eólica, solar ou fluvial, das marés, das ondas hidrelétricas para movimentar um compressor de ar , bomba hidráulica ou motor stirling .

Sinergia de energia com a energia pneumática disponível, de modo que todos os sistemas mecatrônicos do veículo podem ser movidos por pequenos motores a ar, e também o veículo pode usar suspensão pneumática ativa , direção pneumática ou amortecedores de absorção de choque pneumáticos, também pode ser fornecido ar condicionado ou controle de clima com o uso da baixa temperatura criada durante a expansão do ar.

Sistemas de recuperação de energia com suspensão regenerativa e frenagem regenerativa produzindo ar comprimido de baixa pressão para ser armazenado em um vaso de pressão adicional .

Baixo ruído de motores rotativos sem pistão ao usar ar comprimido, que também pode ser à prova de som devido à baixa temperatura em que funciona.

Risco zero de incêndio , o que o torna um dos poucos sistemas de transporte que não pode produzir incêndios espontâneos ou pós-colisão ou explosões como no caso dos veículos a gasolina, etanol, hidrogênio e também a bateria.

Desvantagens

Densidade de energia do ar comprimido em comparação ao nitrogênio líquido ou hidrogênio .

Eficiência energética do motor de ar comprimido em comparação com microturbina a gás com isolamento acústico adequado que pode ser usado em veículos híbridos de turbina a gás-elétrico com uma mistura de ar comprimido, nitrogênio líquido ou hidrogênio ( veículos movidos a turbina a gás anteriores usaram uma configuração para velocidade em vez do que a eficiência consistindo em um grande ruído de turbinas a gás conectadas à transmissão), uma vez que a turbina a gás (que são usadas em usinas térmicas devido à sua eficiência ) supera os motores rotativos sem pistão , no entanto, a produção de ar comprimido é mais eficiente em energia e requer menos energia eólica e infraestrutura e também há perda de eficiência da turbina a gás ao gerador e ao motor elétrico .

Embora as baterias possam manter a tensão durante a descarga e os tanques de combustível químico forneçam as mesmas densidades de potência do primeiro ao último litro, a pressão dos tanques de ar comprimido cai conforme o ar é retirado, o que pode ser mitigado usando um motor adicional para menor pressão em estradas sem declive.

Possíveis melhorias

Pode ser possível armazenar ar comprimido em baixa pressão usando um material de absorção dentro do tanque. Materiais de absorção como carvão ativado ou uma estrutura metálica orgânica são usados ​​para armazenar gás natural comprimido a 500 psi em vez de 4500 psi, o que equivale a uma grande economia de energia.

Veículos

Locomotiva de ar comprimido usada na perfuração do túnel do canal Rove, na França

Carros de produção

Artigo principal: Carro a ar comprimido

Várias empresas estão investigando e produzindo protótipos, incluindo veículos híbridos de ar comprimido / combustão a gasolina. Em agosto de 2017, nenhum dos desenvolvedores entrou em produção, embora a Tata tenha indicado que eles começarão a vender veículos a partir de 2020 e o distribuidor americano Zero Pollution Motors da MDI diz que a produção do AIRPod começará na Europa em 2018.

Carros e bicicletas experimentais

Em 2008, um veículo movido a ar comprimido e gás natural projetado por estudantes de engenharia da Deakin University, na Austrália, foi o vencedor da competição Ford Motor Company T2 para produzir um carro com alcance de 200 km e um custo inferior a US $ 7.000.

A empresa australiana Engineair produziu vários tipos de veículos - ciclomotor, carro pequeno, pequeno transportador, kart - em torno do motor de ar comprimido rotativo criado por Angelo Di Pietro .

Uma motocicleta movida a ar comprimido, chamada Green Speed ​​Air Powered Motorcycle foi feita por Edwin Yi Yuan, baseada na Suzuki GP100 e usando o motor de ar comprimido Angelo Di Pietro.

Três estudantes de engenharia mecânica da San Jose State University ; Daniel Mekis, Dennis Schaaf e Andrew Merovich, projetaram e construíram uma bicicleta que funciona com ar comprimido. O custo total do protótipo foi de menos de $ 1000 e foi patrocinado pela Sunshops (no Boardwalk em Santa Cruz, Califórnia ) e NO DIG NO RIDE (de Aptos, Califórnia .). A velocidade máxima da viagem inaugural em maio de 2009 foi de 23 mph. Embora seu design fosse simples, esses três pioneiros de veículos movidos a ar comprimido ajudaram a pavimentar o caminho para a montadora francesa Peugeot Citroën a inventar um novo híbrido movido a ar. O sistema 'Hybrid Air' usa ar comprimido para mover as rodas do carro ao dirigir abaixo de 69 km / h. A Peugeot diz que o novo sistema híbrido deve chegar a 141 milhas por galão de gasolina. Os modelos devem ser lançados já em 2016. [1] . O responsável pelo projeto deixou a Peugeot em 2014 e em 2015 a empresa afirmou não ter conseguido encontrar um parceiro para partilhar os custos de desenvolvimento, encerrando efetivamente o projeto.

"Ku: Rin" chamado veículo de três rodas comprimido a ar foi criado pela Toyota em 2011. A especialidade sobre este veículo é que ele registrou uma velocidade recorde de 129,2 km / h (80 mph), mesmo que tenha motor que usa apenas ar comprimido. Este carro foi desenvolvido pela "oficina de carros Dream" da empresa. Este carro é apelidado de "foguete elegante" ou "foguete em forma de lápis".

Como parte do programa de TV Planet Mechanics , Jem Stansfield e Dick Strawbridge converteram uma scooter normal em um ciclomotor de ar comprimido. Isso foi feito equipando a scooter com um motor de ar comprimido e tanque de ar.

Em 2010, a Honda apresentou o carro-conceito Honda Air no Salão do Automóvel de LA.

Desde 2008, o ex-Bosch Rexroth, agora Emerson está organizando a competição internacional AVENTICS Pneumobile da Emerson em Eger, Hungria. É uma competição para estudantes do ensino superior para construir veículos de corrida movidos a ar comprimido.

Equipe PowAir Pneumobil da Universidade Óbuda

Há uma conferência internacional relacionada ao evento organizado pela Universidade Óbuda, Departamento de Engenharia Mecânica e de Segurança Bánki Donát.

Trens, bondes, barcos e aviões

As locomotivas de ar comprimido são um tipo de locomotiva sem fogo e têm sido utilizadas na mineração e na perfuração de túneis.

Vários bondes movidos a ar comprimido foram testados, começando em 1876. Em Nantes e Paris , os bondes do sistema Mekarski funcionaram em serviço regular por 30 anos.

Atualmente, não existem veículos aquáticos ou aéreos que façam uso do motor de ar comprimido. Historicamente, certos torpedos eram movidos por motores de ar comprimido.

Veja também

Referências

links externos