Ανανεώσιμη ενέργεια

Είναι χρήσιμη σ’ ένα ποδήλατο η ανανεώσιμη ενέργεια από το φρενάρισμα;
Μετάφραση: Αλέξανδρος & Κωνσταντίνος Πατσάκος

Η πρώτη ή η δεύτερη ερώτηση που κάνουν όλοι οι πιθανοί αγοραστές ηλεκτρικών ποδηλάτων είναι : "Παράγει το φρενάρισμά του ανανεώσιμη ενέργεια;". Φαίνεται πως η ιδέα έχει εισχωρήσει στην κοινή συνείδηση και τώρα πια η ανανεώσιμη ενέργεια από το φρενάρισμα έχει συνδεθεί με κάθε ηλεκτρικό όχημα στο μυαλό του κόσμου. Κάποια ποδήλατα όντως ανανεώνουν την ενέργεια της μπαταρίας τους μέσω φρεναρίσματος αλλά αυτό το άρθρο κάνει την ερώτηση : "αξίζει τον κόπο και τα λεφτά να βάλετε σύστημα ανανεώσιμης ενέργειας από το φρενάρισμα σε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο;".

Πολλοί θα πούνε : "Φυσικά και αξίζει, εγώ θέλω τα πάντα! ". Αλλά στον αληθινό κόσμο, δεν μπορείτε να έχετε ποτέ τα πάντα. Επειδή όμως τα ποδήλατα δεν έχουν τη ταχύτητα ή το το μεγάλο βάρος ώστε κάτι τέτοιο να είναι λειτουργικό και εκμεταλεύσιμο κανείς σχεδόν κατασκευαστής δεν το έχει υιοθετήσει. Σε ένα τέλειο κόσμο, οι σχεδιαστές των ηλεκτρικών ποδηλάτων θα σας προσέφεραν ακόμα και ανανεώσιμη ενέργεια από το φρενάρισμα μόνο και μόνο για να είναι πιο μπροστά από τον ανταγωνισμό.

Ένας τρόπος να το προσεγγίσουμε είναι να διαλέξουμε τυχαία μια τιμή αύξησης  της απόστασης που επιτρέπει στη μπαταρία λόγω της ανανεώσιμης ενέργειας από φρενάρισμα ώστε να είναι σωστή σαν επένδυση. Έτσι, θα το κάνω εγώ λέγοντας πως πιστεύω ότι ένα σύστημα ανανεώσιμης ενέργειας από φρενάρισμα δεν αξίζει τα ισχυρά τρανζίστορ εξόδου του αν δεν επιμηκύνει την απόσταση που σας επιτρέπει η μπαταρία να διανύσετε κατά 10%. Όμως το 10% είναι αρκετά μετριοπαθές ποσοστό και δεν είναι αρκετά υψηλό.

Άρα, τι χρειάζεται για να έχουμε 10% παραπάνω απόσταση; Χρειάζεται 10% περισσότερη ενέργεια μπαταρίας. Με άλλα λόγια το σύστημα ανανεώσιμης ενέργειας από φρενάρισμα πρέπει να μπορεί να ανανεώσει 10% τη χωρητικότητα της μπαταρίας σας σε ενέργεια μέσα στο χρονικό διάστημα που χρειάζεται για να ξεφορτιστεί.

Θα χρησιμοποιήσω ένα σύστημα μπαταρίας πολυμερούς λιθίου 16 AH, 36 Volt σα παράδειγμα. Έχει  ενέργεια περίπου 500 Wh. Το σύστημα ESMD μας καταναλώνει περίπου 15 Wh ανά 1.5 χλμ. Έτσι η απόσταση που μπορείτε να διανύσετε με την συγκεκριμένη μπαταρία και το ESMD είναι περίπου 53 χλμ. Έτσι, το σύστημα ανανεώσιμης ενέργειας από φρενάρισμα πρέπει να παράγει τουλάχιστον 50 Wh, επεκτείνοντας την απόσταση που μπορούμε να ταξιδέψουμε κατά 5.3 χλμ. Η προφανής πηγή ανανεώσιμης ενέργειας είναι από τα φρεναρίσματα στα φανάρια και στις ταμπέλες STOP. Αν υποθέσουμε ότι το συνολικό βάρος του ποδηλάτη μαζί με το ποδήλατο είναι 100 κιλά, πηγαίνοντας με περίπου 25 χλμ. την ώρα, είναι καθαρά πρόβλημα φυσικής ώστε να υπολογίσουμε πόση ενέργεια θα ανανεώσει το σύστημα ανανεώσιμης ενέργειας από φρενάρισμα ενώ φρενάρουμε το ποδήλατο μέχρι τα 0 χλμ. την ώρα. Είναι περίπου 2400 Joule.

Το Joule είναι μικροσκοπική μονάδα μέτρησης ενέργειας. Μια Wh είναι 3600 Joule. Έτσι 2400 Joule είναι 0.67 Wh. Άρα πόσα φρεναρίσματα από 25 χλμ την ώρα στα 0 θα χρειαζόταν για να ανανεωθούν 50 Wh με ρυθμό ανανέωσης 0.67 Wh ανά στάση; Η απάντηση είναι 75.

Φυσικά δεν μπορεί να ανανεωθεί το 100% της κινητικής ενέργειας  επειδή όλα τα συστήματα έχουν απώλειες ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα. Μια λογική απόδοση θα ήταν 75%. Αν το βάλουμε στην εξίσωση μπορεί να ανανεωθούν μόνο 0.67 * 0.75 = 0.5 Wh ανά φρενάρισμα. Τώρα χρειαζόμαστε 100 φρεναρίσματα για να ανανεώσουμε το 10% της ενέργειας της μπαταρίας. Αν διαιρέσουμε τα 53 χλμ. με τα 100 φρεναρίσματα θα έπρεπε να σταματάτε κάθε 530 μέτρα κατά μέσο όρο για όλα τα 53 χλμ. Το σύνηθες οικοδομικό τετράγωνο είναι 100 μέτρα έτσι πρέπει να σταματάτε κάθε 5 οικοδομικά τετράγωνα περίπου. Σε μια αστική περιοχή ίσως να μπορεί να γίνει. Κανονικά, όμως, οι στάσεις θα είναι λιγότερο συχνές. Επίσης, υπό αυτές τις συνθήκες οι ποδηλάτες συνήθως δεν σταματάνε, αλλά προσπαθούν να πηγαίνουν αργά μέχρι το φανάρι για να μην σταματήσουν. Το ένα τρίτο ή και περισσότερο από την ενέργεια που θα επιστρεφόταν στην μπαταρία διατηρείται ως ορμή. Αυτό είναι πιο αποδοτικό από το να επιστρέφεται ενέργεια στην μπαταρία αφού κατά τη συντήρηση της ορμής δεν παρουσιάζονται απώλειες ενέργειας.

Υπάρχει άλλος ένας παράγοντας που δεν έχουμε υπολογίσει. Αν έχουμε 1800 Joule (2400 Joule σε σύστημα με 75% απόδοση) που μπορούν να ανανεωθούν πρέπει να τα βάλουμε κάπου. Εννοείται πως πρέπει να αποθηκευτούν στην μπαταρία. Οι μπαταρίες είναι σχεδιασμένες για να φορτίζονται μέχρι ένα συγκεκριμένο σημείο. Αν φορτιστούν παραπάνω από αυτό το σημείο  θα έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής. Στην περίπτωση της προαναφερόμενης μπαταρίας, προτείνουμε να μην φορτιστεί πάνω από 3 Α για να μεγιστοποιηθεί η διάρκεια ζωής. 3 Α στα 37 Volt είναι 111 Joule το δευτερόλεπτο. Αν έχουμε 1800 Joule να βάλουμε στην μπαταρία, χρειάζονται 1800 δια 111 = 16.2 δευτερόλεπτα φρεναρίσματος για να γίνει αυτό που είναι πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα για να φρενάρει κάποιος από τα 25 χλμ. την ώρα στα 0. Πιο ρεαλιστικός χρόνος φρεναρίσματος θα ήταν 3 με 4 δευτερόλεπτα. Αν έχουμε 4 δευτερόλεπτα για να φορτίσουμε την μπαταρία, μπορούμε να βάλουμε μόνο 444 Joule στην μπαταρία, ή αλλιώς 0.12 Wh ανά στάση.

Βάζοντας αυτό το νέο νούμερο στην εξίσωση χρειαζόμαστε 416 στάσεις για να ανανεώσουμε 50 Wh. Έτσι πρέπει να σταματάμε κάθε 130 μέτρα κατά μέσο όρο μέσα σε αυτά τα 53 χλμ. Αυτό αντιστοιχεί σε μια στάση περίπου ανά οικοδομικό τετράγωνο, που γίνεται μόνο αν είστε ταχυδρόμος. Με μια πιο λογική απόσταση 600 μέτρων ανά στάση, θα σταματήσετε 87 φορές σε αυτά τα 53 χλμ. και θα ανακτήσετε 10.5 Wh ή 2.1% της ενέργειας της μπαταρίας. Αυτό αντιστοιχεί σε ένα περίπου χιλιόμετρο απόστασης παραπάνω. Και όσον αφορά τους λόφους; Χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να ανέβεις ένα λόφο. Ίσως να γίνεται να ανακτήσετε κάποια από αυτή όταν τον κατεβαίνετε.

Τώρα θα κάνουμε κάποιους υπολογισμούς. Για αυτό το κομμάτι θα χρησιμοποιήσω το Bicycle Power Calculator (BPC) του John S. Lamancusa από το πανεπιστήμιο Penn State.

Θα ξεκινήσω υποθέτοντας πως οι περισσότεροι ποδηλάτες, όταν βρίσκονται σε κατηφόρα, προτιμούν να την κατέβουν χωρίς να φρενάρουν, εκτός αν αναπτύξουν ανεπιθύμητες ταχύτητες. Για χάρη του άρθρου θα υποθέσω ότι τα 40 χλμ. την ώρα είναι η μέγιστη ταχύτητα που θέλει να αναπτύξει ο ποδηλάτης. Ποιός είναι ο πιο απότομος λόφος τον οποίο θα μπορούσε να κατέβει ένας ποδηλάτης χωρίς υπερβεί τα 40 χλμ την ώρα ; Θεωρώντας ότι το ποδήλατο μαζί με τον αναβάτη ζυγίζουν 100 κιλά μαζί με λάστιχα δρόμου, σύμφωνα με τους υπολογισμούς του  BPC χρειάζεται μια κατηφόρα 2,9%.
Οπότε, για κάθε πλαγιά πιο απότομη από αυτή, η ανανεώσιμη ενέργεια από το φρενάρισμα θα ήταν χρήσιμη. Αλλά θυμηθείτε, υπάρχει ένα όριο στο πόσο γρήγορα μπορούν να γεμίσουν οι μπαταρίες και να διατηρήσουν την συντήρηση της αποτελεσματικότητας τους. Από την προηγουμένη παράγραφο, οι μπαταρίες λιθίου των 20 ΑΗ αμπερωρίων είναι περιορισμένες σε 111 Τζάουλς το δευτερόλεπτο.
Επιτρέποντας το συντελεστή απόδοσης του 75%, το BPC υπολογίζει ότι η πλαγιά όπου η τιμή φόρτισης θα ισούται με 111 Τζάουλς το δευτερόλεπτο και η ταχύτητα του ποδηλάτου θα είναι 40 χλμ. την ώρα θα είναι κλίσης 4.1 %. Αν μια κατηφόρα ήταν μεγαλύτερης κλίσης, θα έπρεπε να χρησιμοποιήσετε φρενάρισμα τριβής και να σπαταλήσετε ενέργεια ή να χρησιμοποιήσετε LiFePO4 μπαταρίες.
 
Λοιπόν, φορτίζουμε με 111 Τζάουλς το δευτερόλεπτο ή .031 Watt-hours το δευτερόλεπτο . Σε 1612 δευτερόλεπτα, θα έχουμε ανανεώσει 50 Watt-hours ενέργειας. 1612 δευτερόλεπτα είναι 26 λεπτά και 53 δευτερόλεπτα. Στα 40 χλμ, θα έχουμε ανανεώσει 17.92 χλμ σε μία ώρα. Η κλίση είναι 4.1%, οπότε θα έπρεπε να είχαμε αρχίσει 731,52 μέτρα ψηλότερα από ότι τελειώσαμε.   Με άλλα λόγια, μια βόλτα 53,11 χιλιομέτρων πρέπει να έχει κατηφόρες ώστε στο τέλος της διαδρομής να είστε 800 μέτρα κάτω από την αρχική σας θέση και όλες οι κατηφόρες πρέπει να είναι περίπου κλίσης 4%. Αν η κλίση είναι λιγότερη από 4,1% αλλά μεγαλύτερη από 2,9% το BPC λέει πως όσο λιγότερη κλίση έχουν οι κατηφόρες τόσο μεγαλύτερη διαφορά ύψους πρέπει να υπάρχει μεταξύ της αρχικής και της τελικής σας θέσης ώστε να ανακτήσετε 10% της ενέργειας της μπαταρίας.
 
Σε μία κλίση 3,3%, θα χρειαζόταν να υπάρχει 1.744,98 μέτρα υψομετρική διαφορά ανάμεσα στην αρχική και την τελική σας θέση και όλη η διαδρομή να είναι 53,11 χλμ.. Για κλίσεις πιο απότομες από 4,1%, θα χρειαζόμασταν LiFePO4 μπαταρίες για να ανανεώσουμε όλη την ενέργεια. Αν υποθέσουμε ότι σε μια κλίση 6%, η πιο επιτρεπτά απότομη σε επαρχιακούς δρόμους, θα μπορούσαμε να ανανεώσουμε 270 Τζάουλς το δευτερόλεπτο με την LiFePO4. Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 457,20 μέτρα υψομετρική απώλεια σε 8,05 χλμ. για να ανανεώσουμε 10% της ενέργειας της μπαταρίας.
 
Τυπικά, θα έχετε πολλαπλές μικρές καταβάσεις που απλά θα κατεβείτε με την ανώτατη ταχύτητα, και μερικούς μικρούς απότομους λόφους. Ας πούμε ότι έχετε απόσταση 1 χιλιομέτρου με 4% κατηφορική κλίση σε μια τυπική διαδρομή 53,11 χιλιομέτρων. Αυτό είναι 4.3 Watt-hours ή 0.9% πιθανής ενεργειακής ανανέωσης. Προσθέστε αυτό στο 2,1% από το σταμάτημα, και έχουμε σαν σύνολο ένα 3% ενεργειακής ανανέωσης εξαιτίας της ανανεώσιμης ενέργειας από το φρενάρισμα κάτω από αυτές τις συνθήκες. Αυτό είναι περίπου 1,61 χλμ. επιπλέον διαδρομής.
 
Οπότε, από αυτή την ανάλυση η ανανεώσιμη ενέργεια φρεναρίσματος που χρησιμοποιεί γρήγορη φόρτιση στη μπαταρία όπως η LiFePO4 μπορεί να είναι μία νικητήρια προοπτική. Όμως θεωρείται ότι η αρχική και η τελική μας θέση έχουν διαφορά ύψους 1.524,00 μέτρων. Αυτό δεν είναι τυπικό στις περισσότερες διαδρομές ποδηλασίας. Επίσης υποθέσαμε πολλές αρκετά δύσκολες στάσεις. Ποδηλάτες που είναι ενδιαφερόμενοι στο να ανανεώνουν ενέργεια δεν θα σταματούσαν τόσο απότομα πολύ συχνά.

GMlogo
Golden Motor
            genikitaxydromiki    b4s logo       
 
cctvcamera2
** Η σελίδα λειτουργεί για την υποστήριξη των πελατών της εταιρείας καθώς και για την ενημέρωση όσων ενδιαφέρονται για την οικολογική ηλεκτροκίνηση, για αυτό και δεν υπάρχουν τιμές.