Ciao a tutti.

Posto qui in free energy perchè in effetti questo potrebbe essere un modo per ottenere 'gratis' dell'energia che normalmente viene sprecata.
Stamattina mi son sparato un viaggio in macchina di 3 ore, e tanto che guidavo mi son lasciato andare un po' alle seguenti elucubrazioni.

Quando un'automobile viaggia, è noto che purtroppo il suo moto non è costante, ma è costretta a continue frenate ed accelerazioni. Tutto questo incide fortemente nel bilancio energetico del consumo reale.

Già ma.... quanto? Beh, così 'a naso' direi TANTO, quasi il 50%. Facciamo 2 conti della serva: un'auto da 10km/l in ciclo urbano potrebbe traquillamente attestarsi sui 20Km/l (5l/100km) a 90Km/h costanti. Parlo ovviamente di ciclo urbano di un caso reale, non le tabelle automobilistiche... un normale uso nel traffico o extraurbano...
In realtà bisognerebbe fare il confronto in un ciclo urbano dove la velocità media è la stessa di quella a v costante, quindi diciamo che il confronto diretto dovrebbe essere tra 50km/h fatti in media a forza di ad accelera-frena e sempre 50km/h costanti ed in piano. Probabilmente in questo caso le differenze tra i consumi sarebbero ancora più marcati. Il risparmio a v costante potrebbe arrivare anche a superare il 60% in meno. Ma prendiamo per buono un 50%.


Questo significa che META' dell'energia spesa per muovere l'auto, se si potesse ACCUMULARLA ad ogni frenata per poi rilasciarla nelle acc elerazioni, così da compensare le variazioni richieste al motore, ci ritroveremmo, almeno in teoria a consumare meno della metà.

Ora, come potrebbe essere accumulata un'energia cinetica proveniente da un movimento delle ruote che dovremmo tendere ad arrestare (frenata) ?
E quanta sarebbe questa energia da accumulare per ogni frenata?

Proviamo a rispondere alla seconda domanda, così da ipotizzare una soluzione alla prima.
Un 'auto da 1000Kg dovrà avere una forza frenante pari a f = k*m*a = 0,5*1000*9,8 dove k è il coefficiente d'attrito a terra, e vale c.a. 0,5. Quindi Fa = 5kN circa.
Se quest'auto viaggia a 100Km/h, cioè a 27,8m/s, per fermarsi dovrà trascorrere un tempo D t = m * D v / Fa dove Dt è il tempo e Dv è la variazione di velocità in m/s.
Da qui vien fuori che servono circa 5,5secondi per fermarsi. In quanto spazio? s = v^2 / (2*k*g) => s = 78metri (solo lo spazio percorso durante la frenata)

Quindi, quando un veicolo in movimento viene frenato fino a fermarsi, tutta la sua Energia Cinetica si trasformerà in lavoro della forza frenante, e sarà pari a Ec=1/2 * 1000*27,8^2 = 386kJ. Questa energia deve eguagliare il lavoro della forza frenante di Fc di 5kN applicata allo spostamento di 78metri.
Questo significa che ogni volta che il sistema frenante ha una potenza max di 390kJ/5,5s = 70kiloWatt. Considerando le entità di frenata in condizioni non estreme come in questo caso ma normali, una frenata pure energica può essere considerata pari ad 1/4, quindi con il 25% di potenza: c.a. 18kW.

Questa potenza potrebbe essere quindi applicata per mettere in rotazione un volano per accumulare energia cinetica!

Un volano, diciamo, da 100kg di 1m di diametro in grado di arrivare ad una velocità angolare di, per esempio, 12.000 giri/min pari a 200giri/s = 200*2*pi = 1200 rad/s. L'energia da immagazzinare abbiamo detto essere 386kJ quindi Ec = J w^2 / 2
Il momento inerziale è J = m r^2 /2 = 100 x 0,5^2 /2 = 12,5 [kg m2] e l'energia max accumulabile è pari a Ec = 12,5 x 1200^2 / 2 = circa 9MegaJoule, ovvero un numero di frenate pari a 9000/386= 23.

Cioè posso accumulare per 23 energiche frenate consecutive prima che la capacità di accumulo del volano si esaurisca. Ovviamente potrò attingere da esso ogni volta che mi servirà riaccelerare, quindi liberando altro spazio per nuove frenate.

Meccanicamente un disco di 100Kg montato sotto la macchina in corrispondenza del baricentro non dovrebbe dare problemi di effetto giroscopio o inerzia indesiderata, anzi, dovrebbe dare maggiore stabilità alla macchina qualora perdesse aderenza e tendesse a 'partire col posteriore'. Inoltre potrebbe aumentare il comfort donandole maggior inerzia nei movimenti verticali sulle sospensioni per effetto giroscopico sull'asse verticale.

Ora, il problema è soprattutto meccanico:
Da una parte ho un asse collegato alle ruote che gira in proporzione alla velocità della macchina. Per semplicità, supponiamo un rapporto pari alla presa diretta all'albero motore: alla vel. max. sarà circa equivalente al max. numero di giri, diciamo 7.000rpm.
Dall'altro, mi trovo un asse del volano che anche lui potrebbe trovarsi, a seconda se tutto 'scarico' o prossimo al max regime, a spaziare da 0 a 12.000 giri/min.
Nella peggiore delle ipotesi, ci troviamo a dover gestire una differenza di numero di giri pari alla somma dei 2 (se sto andando piano ed ho 100rpm di albero motore e devo 'caricare il volano' con potenza per 70kW, suponendo che il volano sia quasi al massimo dei giri, diciamo 9700, devo poter trasferire i 386kJ nei 5,5secondi della frenata.
Quindi, di quanti giri deve aumentare il volano? w = 2 * Ec / J cioè sqr (2 * 386.000 / 12,5) = 248 rad/s = 2370 rpm
In tal modo porterò il volano a 12000 giri, il suo massimo.

Ora, se ho 1 rpm all'albero e devo produrre 12000rpm al volano, avrò bisogno di un rapporto di 1:12000 circa. In caso opposto, volano fermo e velocità auto al massimo, sarò a 12000:1.
Negli altri casi, mi basterà un rapporto inferiore. Diciamo che all'incirca, con un rapporto variabile di 1:24000 (1:12000 ... 12000:1) meccanicamente risolverei il problema.
Ma forse non esiste un riduttore del genere, e se ci fosse sarebbe un multistadio con un sacco di perdite per attrito agli ingranaggi...

E allora? Beh forse c'è una soluzione: la doppia conversione elettrica.
Siccome i motori elettrici hanno un rendimento anche di oltre il 90%, e possono funzionare sia da motore che da generatore/freno elettrodinamico, si potrebbe, grazie alla recente tecnologia di pilotaggio 'inverter', realizzare una doppia conversione meccanica-elettrica-meccanica e cablare i 2 alberi direttamente ai motori, così da minimizzare gli attriti meccanici. Grazie al pilotaggio inverter è possibile far lavorare i motori elettrici a coppia costante e/o a potenza costante, riuscendo così a giocare con questo famoso rapporto di 1:24.000.

Vuoi vedere che c'è il modo di dimezzare il consumo di carburante con 2 motori da 75kW, un disco da 100Kg e un po' di elettronica?


P.S. Chi è arrivato fin qui o ha bevuto, o si è appena fatto, oppure è pazzo da legare...

Edited by ElettroRik - 2/3/2006, 23:03