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用于能源结构调整的lightyear混动车及其在生物质能源应用展望

导读: 目前,纯电动车是发展趋势,混动车不是主流。混动车结构目前有三种:分别是串联式、并联式以及混联式,其中增程式混合动力只能是串联式结构,而并联式和混联式结构既可以应用于普通混合动力,也可以应用于插电式混合动力。

摘要:

(1)目前电动车存在里程焦虑、充电难和快速充电带电网冲击、制造成本过高等难题,lightyear结构电动车,在当前电池、汽车制造技术水平下实现长续航,低于传统燃油车的单车生产成本,使用成本也远低于燃油车。

(2)电动车从电网取得电能、大部分是煤炭天然气等化石能源产生、因此也被冠以不环保的标签,本文从工程应用角度讨论生物质能源完全取代化石燃料作为电动车动力源是理论上可行的。

引言:

目前,纯电动车是发展趋势,混动车不是主流。混动车结构目前有三种:分别是串联式、并联式以及混联式,其中增程式混合动力只能是串联式结构,而并联式和混联式结构既可以应用于普通混合动力,也可以应用于插电式混合动力。本文提出第四种混动车结构lightyear结构,这种构造的电动车能很好解决里程焦虑、充电难、电网冲击和制造成本偏高等难题,并通过与生物质能源动力的结合应用,使得10年内石油等化石能源将退出人类能源舞台。汽车也会更廉价。此种电动车结构未曾有过报道,此文为原创。供所有人使用。

1、lightyear混动电动车结构

1.1 lightyear混动车原理

未来,lightyear混动车(以下简称LY混动车)因其突出的性能、更环保的动力源。LY电动会完全取代燃油车,LY结构成为主要的电动车结构方式。

1.1.1 单电机LY混动车原理介绍

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图1  单电机LY 混动车

Fig. 1  single motor LY hybrid

如图1所示、LY单电机结构,是一个发动机兼发电机驱动的纯电动车。电动机为一个130KW的电动机,兼发电功率为130KW。电动机在车辆行驶时提供加速推力、前进后退动力。在车停下来的时候,由外力带动发电机逆向充电。也可以由充电口进行快慢速充电。电机发电和充电口充电,可以是二选一或者两者同时充电。最大充电功率为130+40=170KW。这种结构带来的好处是能够在15分钟内充电达到80%(电池容量为25KWH)。

1.1.2 双电机LY混动车

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图2 双电机LY 混动车

Fig. 2  Two motor LY hybrid

LY双电机结构,就是一个双电机驱动的纯电动车的增强版。电动机A为一个55KW的电动机兼发电机,发电功率为20~55KW。电动机A在正转时提供加速推力,由外力带动反转是作为发电机使用。通过一个简单的传动耦合结构即可实现。

电动机B是一个75KW的主驱动电动机,带动后轮转动。电动机B可满足单个电机运行时,最高车速为100KM/H。

lightyear结构在没有燃油发动机时,当汽车停下来时,通过机械传动系统给电动机A提供动力,带动电动机A发电。最高发电功率为55KW,快充约半小时小时充满电,发电的同时也可以通过充电口将电能回馈到电网,实现逆向充电。在没有外置动力的情况下,也可以通过充电口快充或者慢充。或者二者同时进行。最大充电功率为55+45=100KW.可以在10分钟左右给电池充电到80%。

lightyear结构也在前机舱放置一个燃油发动机,为发动机A提供动力,发电功率为20KW~55KW。作为增程器使用。当汽车需要加速、爬坡等大动力时。增程器停止工作。电动机A为汽车提供推力。增程器可以做成20KW、30KW、40KW、55KW四种规格。增程器发动机及汽油由加油站提供。根据行驶距离来确定选用哪一种功率规格。电动机A的变频控制系统是带逆变功率的变频器。发电后电能存储到电池。或者直接给电动机B提供电能。

假定该车型电池续航里程为160KM,百公里耗电13度,电池组定为26度。在自带燃油发动机增程和40L燃油情况下,160KM里程电量用尽耗时 2小时。发电机发电20X2=40度。增程模式下,百公里油耗折算8L,总里程续航里程超过500+160=660KM。这样能解决了里程焦虑问题。

1.1.3 货车的LY混动车

货车因其载荷大,耗电高。充电难问题尤为突出,LY混动货车,每个轮子采用单独电机驱动。每个电机都具备电动机和发电机功能。并具有一个或多个增程发动机。这种结构的好处是能够在短时间内快速实现能源存储和使用。

1.1.4 LY混动车定义

由以上类推,LY混动车可以为多电机驱动、多电机兼发动机的任意组合方式。不同车身结构、车辆用途、及驱动传动方式的电动车均可以由机械传动逆向发电。该类结构称为LY结构。LY结构混动车的特点是能够快速实现能量的变换、存储和使用。最大限度降低车体重量,各个车体构成部件能有在行驶、加速、减速、充放电的时候充分、重复利用。LY混动车主要以环保的能源为动力源。

2、LY混动车带来的能源结构改变

下面以广汽传祺GS3和GE3为例子说明,为什么十年内电动车将完全取代燃油车。

由汽车之家查得口碑实际油耗、电耗如下图

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油耗平均7.8L,最低7.0L 最高12.3L。

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电耗平均17.9kWH,电耗最低15kWH,最高22kWH。

折合18kWH和7.8L实际应用汽车的里程相当。假定,每天行驶200公里。

需要电能36度,92号汽油15.6L

GE3的为130KW单电机驱动。改为LY结构:后驱为75KW电动机和前驱55KW发电兼电动机。电池续航由310KM改为160KM,电池容量47KWH改为25KWH(新GE3自重由1667kg降低为1200kg,百公里电耗降低为12KWH)。并标配一台轴输出65KW的沼气发动机(该沼气发动机有尾气余热利用锅炉,每度电能产生8升95摄氏度的热水),传动损失10%,带动前电机发电功率为55KW,能在半小时内给汽车充满电。在发电机和充电口(45KW)同时充电情况下,12分钟能充电80%。每两个小时充电一次,每次15分钟。这种情况大多数车主能够接受。

假定新GE3每天行驶160KM,年里程5.85万公里。每天需要沼气为25KWH/2=12.5标方。12.5标方需要玉米秸秆12.5/557*1000≈23kg。年需秸秆8.395吨。秸秆成本和沼气池成本可以忽略不计,由沼渣沼液肥料抵消。可以得到年新GE3的动力成本为零。

直接电网充电为25/0.92x365=9918度,按0.69元每度。年需电费约6800元。

GS3的燃油年油耗为160/100*7.8L*365=4555L。燃油成本为4555x7.5=34162元。

目前广汽GE3最便宜为14万。新GE3未来成本可以降低到10万。

在利用玉米秸秆作为动力源的情况下。5年用车成本对比。新GE3为10万。燃油车GS3为3.4x5+11=28万。其他保养、保险、税收假定相同。

由此计算燃油汽车用车成本太高、未来的淘汰速度远比预想的要快。

中国汽车保有量2.2亿辆(含乘用和商用)全部换成lightyear混动车,每台车的发电功率平均为55KW。则有2.2亿*55KW=121亿KW,2017中国的发电装机总容量不超17.8亿KW,其中火电11亿KW,利用时长3000小时。火电发电量占比约为70%。2.2亿辆汽车假定每天停下闲置时间为12小时,121亿KW容量,发电运行300天。相当于中国的发电装机容量增加了6.8倍。如全部利用起来发电量增加了8倍以上

当然有了发电装机容量,没有动力源仍然是没有用处的。大自然给予了人类无私的馈赠,生物质能源。据估计,每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达1440~1800亿吨( 干重 ),其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3~8倍。生物质的利用率不到3%。中国禽畜粪便约20亿吨,秸秆8亿吨,全国土地上有机物干重总量远超储备的能量远超过中国的能源消耗。假定每辆汽车耗电量为20度每天。1吨(干有机质含量15%)餐厨垃圾产沼气产生80~120立方米的沼气(甲烷浓度为60-65),每1立方米沼气发电约2度,产生电能约为160~240度。也就是说1吨(干有机质含量15%)一天约可以为8~12辆电动车提供电能,假定全国2亿的电动车使用生物质沼气发电的电能,2亿*20度=40亿度/每天。换算为跟餐厨垃圾(干有机物含量15%)相当的生物质=40亿度/160~240度/吨=0.25~0.17亿吨每天。

假设,车主甲,生活在农村,每天有1吨的生物质(干有机质含量15%)可以投入沼气池。沼气池及20KW沼气发动机投入成本在10万,并有一辆lightyear结构的电动车(购买价格12万)。总投入在22万内。

车主甲,白天开车,晚上lightyear结构的汽车用来发电,发电时长12小时,产生电能240度。其中50度自用。190度用于发电上网,上网电价为0.69元。每天收入约130元。年收入4.745万。预计5年收回所有成本。预计系统设计寿命10年。车主甲的用车成本为0。这是一种了不起的改变。原来汽车只是消耗品,现在汽车成了摇钱树。

如果将生物质利用规模扩大到湿重100亿吨(干有机质含量15%),2亿辆电动车的能源来自生物质。石油等化石能源市场不复存在。而产生的沼渣、沼液也足够农业生产所需的肥料,再也不需要化学肥料厂。但生物质分散,能量密度不高,开发起来需要算经济账。此外因为生物质能源因细胞必、木质素、纤维发酵时间长也会影响开发效果。

当然除了沼气,还可以利用天然气、水煤气。一台5KW天然气发动机,每天用于发电,每立方天然是2~3元,发电量是3.5~5度,并能产生数吨热水供取暖。一天发电12小时电能60度,需要天然气约15立方米,费用在30~45元。比当前燃油费用节省50%,并解决取暖和热水使用问题。

除了天然气还可以利用水煤气、煤变油和燃煤电厂都会消失,煤炭运到一个气站,变成水煤气,然后采用内燃燃气发动机驱动电动车发电。

LY混动车利用天然气、煤炭等化石能源、在热电联产的情况下热能利用率会在60%以上,热能更多变为热水,生产生活不需要这么多热水。而发电效率会比现在的天然气发电站、燃煤电站低很多。目前存在的问题是能量转换效率有待提高。

采用天然气和水煤气发电的目的是,能源结构调整。以后太阳能普及之后白天使用太阳能,夜晚使用电动车发电,LY混动车巨大发电装机容量。适当利用起来能使全中国发电量能增加数倍以上。

综上、lightyear结构电动车,能够在当前技术水平下实现长续航,低于传统燃油车的单车生产成本,使用成本也远低于燃油车。生物质能源完全取代化石燃料作为交通第一动力能源是理论上可行的。因生物质能源分布广,密度低,只能小规模、分散地利用。比如城市里的厨余垃圾、粪便,农村的农业废弃物,以及园林绿化废弃物,禽畜养殖废弃物。还可能会发展新种植业,用种植出来的有机质厌氧发酵发电。

3、玉米秸秆作为LY混动车的动力能源可能性

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图3 各种常见生物质沼气产量

Fig. 3 Biogas yield of various common biomass

当前,人类正在处于能源革命中。即能源的获取方式多样化,可持续化,如太阳能和核能利用。还有能源的存储和使用高效化,经济化。以外太空电源规模化利用为成熟标志。人类活动的所有努力都是为了走得更远。

个人认为,本文所构建的一种能源结构形态很有可能成为现实。这个实现过程是数十年内,几十万、几百万人不懈努力的。就本文而言,并没有什么独创的技术或者采用什么新的材料,而是通过整合不同的资源优缺点,和当前各种商品的难点。提出的一种解决方案,就如武侠小说里的高手,打通任督二脉后,功力倍增。

本文的目的是广为传播这个lightyear混动电动车结构,和构建未来能源结构。号召几百万人来不断提高效率,降低成本。最终实现能源革命的目标。

当下能源结构调整的同时,社会也会发生很大的变革。比如石油巨头将不复存在。汽车制造厂家会洗牌。谁动得快,抢占市场,谁就能成为这次变革的胜利者。

作者是一个对跨越光年距离的飞行器有浓厚兴趣的人,利用业余时间学习光帆、EMdrive等知识。数月前,因打算购买汽车,了解了一下电动车的知识。发现电动车和跨越光年距离的飞行器有很多共通之处,如续航,能源变换等等。使用了解决跨越光年距离的飞行器难题的方法,同样也能解决当前电动汽车产业的难点。此混动车结构已申请国家发明专利。

2017年中国玉米秸秆的利用统计测算

根据国家统计局对全国31个省(区、市)抽样调查和农业生产经营单位的全面统计,2017年全国粮食播种面积、单位面积产量、粮食总产量如下:

2.1 全国粮食播种面积112220千公顷(168329万亩),比2016年减少815千公顷(1222万亩),下降0.7%。其中谷物[1]播种面积92930千公顷(139395万亩),比2016年减少1464千公顷(2196万亩),下降1.6%。

2.2 全国粮食单位面积产量5506公斤/公顷(367公斤/亩),比2016年增加54公斤/公顷(3.6公斤/亩),增长1.0%。其中谷物单位面积产量6075公斤/公顷(405公斤/亩),比2016年增加85公斤/公顷(5.7公斤/亩),增长1.4%。

2.3 全国粮食总产量61791万吨(12358亿斤),比2016年增加166万吨(33亿斤),增长0.3%。其中谷物产量56455万吨(11291亿斤),比2016年减少83万吨(17亿斤),减少0.1%(国家统计局2017年12月8日)。

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图4 2017年全国粮食种植面积及产量

Fig. 4 The national grain planting area and yield in 2017

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图6 农作物秸秆折算比例

Fig. 6 Crop straw conversion ratio

根据表根据图4、图5、图6得到:

由上面数据测算出:2017年全国玉米种植面积5.32亿亩。总产量21589.1万吨。 玉米秸秆干重为1.2x2.16=2.592亿吨,每吨干玉米秸秆厌氧发酵产气557标方,每标方发电2.2度,可以发电量3176亿度。假定每辆电动车日里程100公里。耗电15度。年总里程2万公里。全国秸秆可供1亿辆电动车一年两万公里的电量。

3、关于玉米秸秆收购价格

关于玉米收购价格可参考《生物质秸秆预处理工艺及经济性分析》 山东大学、赵希强等

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图7 玉米秸秆收储转运成本

Fig. 7 Collection, storage and transportation cost of corn stalk

这是一个每天进料2吨,产沼气2*557=1114标方,发电2228度的沼气发电系统。有一套膨化秸秆预处理、一个0.3吨/小时 180℃等尾气、一个1100立方米厌氧发酵罐、一个500标方双膜气柜和4台60KW 效率为38%的沼气发动机、4套50KW直流快慢充充电桩。整个系统投资在136万。

整个系统进料采用含水率15%的粗粉碎玉米秸秆,采购成本为400元/吨。年物料成本29.2万/年。4人8小时人维护运行,年人工费用40万/年。水电检修耗材10万/年。7年折旧,年折旧20万。总体成本在99.2万。

年收益,不考虑沼气沼渣肥料的收益。按照商业充电指导价最低1.2元/度。有2*557*2.2*1.2*365=107.345万。每天为120辆LY结构电动车充电。每辆充电20度。余电可以上网,也可以直接从电网给电动车充电。最快12分钟充到80%、最慢半小时。

由此、在不需要国家补贴的情况下。玉米秸秆沼气发电为LY电动车充电具有商业意义。

假如把这种小型充电站扩展到全国。全国约2.6亿吨秸秆。需要260000000/365/2≈36万座。每座投资概算140万。总投资费用5040亿。秸秆年发电量在2.6*557*2≈2896.4亿度,约等于2017年总发电量的4.5%。投资费用预计6~8年回收成本。

4、Lightyear混动车及生物质能源应用前景展望

在LY混动车的构想下。一个年利用有机质20亿吨干重的情况下,会是一个什么样的前景

首先,更重要的是电动车产业将不再需要补贴。中国每年消耗的石油5亿吨,将减少为1亿吨以内,可以节省能源消费成本3万亿。同时为中国增加2万亿千瓦时电量,约为2017年中国总发电量的25%。(这个发电量增加的投入几乎是零成本的,只是利用里电动车的闲置时间发电,如果将煤炭、天然气也加入到燃气发动机的燃料内,可以使得中国总发电能力最大达到40万亿千瓦时以上,是2017总发电量的6~7倍)。这个实现的过程,需要由国家、政府制定相关产业扶持政策、法规,组织相关技术人员进行技术攻关。让这个产业慢慢成熟。并具有经济价值。

5、结语

本文给出了在现有技术的基础上,LY混动车具有广阔的发展前景。LY混动车结合生物质能源沼气发电的应用,能够打包解决环境、能源、交通、汽车制造和农业农村问题。这个方向是值得广泛研究和实践的

作者 :梁云

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