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能源科技新知:移动应用能源(下篇)

2019-08-03 10:16
LY说新能源
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能源科技新知:移动应用能源(下篇)

摘要:

1) 提出一种全新的能源类别划分:移动应用能源。总结其规律,提出如何发展移动应用能源科技的策略。

2) 移动应用能源将会是人类能源应用的主要形式,车辆、轮船、轨道交通和飞机火箭等交通工具,还有大部分人工智能应用场景,还有跨越星际的人类活动等等这些都是移动应用能源。

3) 根据移动应用能源的特性,优化阿波罗登月工程,提出一种全新的登月模式。

今天我们介绍一种课本没有、常识不说的概念:移动应用能源。

在能源种类里,增加一个移动应用能源是否有必要。移动应用能源是指:能源载体跟随能源利用装置运动,能源装置不具备自发生产能源的能力,必须从外部补能。当前移动应用能源主要是有交通工具所用的能源,交通能源占到人类应用能源总量的20~40%之间。在未来人工智能、星际往返将是能源主要应用场合,其需求的能源总量远高于当前人类已使用能源的总量。而交通工具、人工智能、星际往返场景的能源都是移动应用能源的场景。

增加这样一个能源分类的目的是发现并利用其能源规律。

举例说明一下,煤炭在用来烧水做饭,不算是移动应用能源。利用煤炭燃烧加热蒸汽机驱动火车,这样的应用场景是移动应用能源。

移动应用能源有什么特点呢?

移动应用能源特点有:

1) 能源载体能量密度很重要、在合理范围内功率密度、能量密度越高越好。

2) 补能方式,能源利用装置内装载能量总量的有限,必须及时补充能量。

3) 能源利用装置本身也需要考虑能量转换效率、及能量利用密度。

4) 能源载体输出特性要更好匹配能源利用装置的需求。

5) 利用合理技术降低外部耗能需求因素,采用能源利用装置合理回收外部反馈能量。

上面5点特性,可以非常好低解释移动应用能源系统。可以非常好的解释并优化移动能源利用装置。

下面从电动化车辆的设计去说明:如何利用移动应用能源系统规律,优化其设计。(详见:能源科技新知:移动应用能源(上篇)内容)

图 1 登月工程耗能巨大

LY混动车设计思想最初是用来优化地月往返模式的,在大约三年前,作者考虑购买汽车,了解到新能源汽车的特点和不足。并利用十年前作者自学总结出来的地月往返模式设计优化思想,解决了新能源汽车安全、昂贵、里程焦虑和充电难等问题。

在这三年里,利用学到的系统知识。回头重新审视了之前的地月往返设计优化模式。觉得最开始的想法是正确的,并将这些想法写出来,发布到自媒体。而十年多前,作者曾将这些想法投稿到较专业的期刊。无一例外都被直接退稿。感谢这个时代有了自媒体,可以让我们能够自由表达宣扬自己的想法。

下面我们通过阿波罗登月工程来说明如何利用移动应用能源的规律、优化登月工程设计。

首先,我们先了解一下阿波罗登月工程的能源情况。

阿波罗登月工程是一次装载能源,多次集中爆炸式释放能量,实现人和物体的有效位移的能源利用场景。其能源主要用于系统控制、克服地球月球引力、对物体运行状态(速度、位置、汇聚、分离)进行调整。能量做功的主要方式是直接燃烧,通过燃料的反向运动给火箭和飞行器加减速。其能量需求是固定。其能量供求关系是有明确的数学关系。

(为了自媒体上水平参差补齐的读者都够看懂,尽可能使用深入浅出的说明科普如何优化地月往返系统,并给出一种新的地月往返模式)

阿婆罗登月工程的能源总量有多少呢?土星5号火箭,第一级质量为2300吨,煤油/液氧为约2200吨。第二、三级600吨。液氢/液氧约554吨。飞行器LEO质量130吨,LLO质量45吨,液氢/液氧约85吨。月球低轨45吨中还有落月、升月、返回地球的燃料。具体未知,设定为25吨。由此,阿婆罗登月工程的总能量为2200吨煤油/液氧和664吨液氢/液氧。

2C12H26(l)+37O2(g)═24CO2(g)+26H2O(l),△H=-17142.8kJ?mol-1

H?(g)+1/2O?g)=H?O(l) △H=-285.8KJ/mol

由上面燃烧热公式计算出每吨煤油/液氧折算电能是3125度,每吨液氢/液氧折算电能是4410度。整个火箭飞行器上具备的能源折算电能9803240度。其实这个能量的总量并不大,大致相当于1万辆百公里耗电20的电动车行走了5000公里。或者相当于辽宁号航母行驶了1630公里。

那么,我们如何才够让阿波罗载人登月工程"节油"呢?

依据移动应用能源的特点,从下面5个方面考虑。

1) 提升能量密度

火箭中液氢/液氧已经是能量最高的可以用能源载体了。就目前来看找不到更好的能源载体。唯一的办法是搭配,如使用核能电池。但核能电池的功率密度有限,仅能用于控制电源等等。

2) 补能方式

登月工程中途没有补能,如果能够引入补能方式。如LEO轨道补能,月面补能。由于受到齐奥尔科夫斯基公式的作用,如果在飞行器上引入补能方式,并补充了能源载体。那么可以使得整个登月工程的最初起飞质量大幅降低。

3) 能源利用装置的能量密度,转换效率

燃料直接经发动机燃烧的效率,火箭飞行器本身死重这两个方面是直接影响能源应用的结果。虽然我们可以知道液体燃料发动机效率高达70~90%直接转化为动能。如果引入电推,尽管电推能源最高只有50%以内的能量能够转化为动能,但是可以大幅降低燃料和推进剂的质量,从而实现了登月工程节能节油。

4) 特性匹配

阿婆罗登月工程的火箭发射阶段,其功率特性是非常高,而进入太空轨道之后的数次点火,功率需求也是很高。其他阶段的近似能源静默阶段,只需求少量控制能源。快速集中爆发是其能源需求特性。

5) 降低外因损耗、回收反馈能量

登月外因损耗主要有动能加减速损失,地面阻力损失。落月返地动能制动损失。可回收亏能几乎没有可行的技术方案。但可以认为缩减登月工程能源系统的范围,比如将土星5号第一级火箭设计为可重复利用火箭,将登月工程系统缩减为第二、三级火箭和航天飞行器。这样划分虽然总能量需求不变,有利于实现降低能源成本。

通过以上五点认识。我们认为登月工程可以改为如下:

土星5号火箭第一级更改为可重复利用火箭,其燃料是二甲醚/液氧,一级火箭整体质量会比煤油/液氧大很多,但由于二甲醚/液氧火箭燃烧温度更低,可以建造更大推力单体发动机、输送泵。并且可以预期,因发动机、输送泵质量小、液氧储罐减少,二甲醚储罐技术要求低二甲醚/液氧火箭的死重必定比煤油/液氧低。唯一缺点是二甲醚/液氧的能量密度低,仅为2857度电每吨,比煤油/液氧低8.9%,与二甲肼/四氧化二氮(神舟飞船的发射火箭长二F的燃料)相当。而可重复利用火箭的燃料成本远低于箭体成本。

人货分离的方式,载人飞船使用电推为辅助,化学直燃发动机为主。货运飞船使用电推为主,使用时间换能量,电推的电力来源是二甲醚/液氧发电,其产生二氧化碳和水作为电弧电推推进剂。另外一个电力来源是太阳能光伏发电。

无线补能和月面补能、补充推进剂将会是登月工程节能的最关键措施。

这些优化更改及具体的细节见本自媒体发布内容。这里只是做出一些方向性的研判,具体技术实施还需要更多技术论证。目前SpaceX使用甲烷/液氧作为火箭第一级燃料,还将甲烷/液氧作为火星地球往返燃料。这样的做法非常不可取,从能源角度来说,如果这个模式用来登月,其能源需求总量数倍于本文的登月模式。另外甲烷发动机技术难度比二甲醚大,甲烷储罐压力更高体积更大。液氧需求量也更多,储罐更大。更致命的是安全性能较二甲醚低。从能源利用角度上说,SpaceX的登陆火星方案不是最优的,此外登陆火星没有太多经济价值,完全依靠马斯克财主家财散尽及美国民众一时热情。SpaceX的载人登火,必定如果美国的载人登月,一时兴起快射火箭,项目快速萎缩,无法维系。而本文提供的新思路,从能源技术、电推技术及方案优选这些角度大幅降低成本,提升技术成熟程度。让地月火星际活动缓慢地成为现实。

图 2 人工智能能源利用装置将会是能源利用主体

通过以上对电动化车辆、登月工程的移动应用能源的设计优化。说明了这样一种新发现能源规律。可以预计未来移动应用能源将会是人类利用能源的主要形式。尤其其当人工智能替代人类成为劳动主力,如何让移动应用能源更好服务人类生产生活?这个议题才刚刚提出,如同一座刚刚被发现的宝藏,可以让广大科研、技术人员寻宝。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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