Тормозя, запасай
Поездка по Нью-Йорку, изобилующему светофорами, превращается в серьёзное испытание для велосипедиста - ему часто приходится тормозить и снова разгоняться. Десять лет назад Максвелл фон Штайн, в то время студент инженерного отделения колледжа Cooper Union, задумал доработать велосипед под условия мегаполиса.
Молодой изобретатель оснастил велосипед маховиком - несложным накопителем механической энергии, чтобы быстро стартовать в момент, когда на светофоре гаснет красный свет и загорается зелёный. Почти семикилограммовый маховик от двигателя автомобиля Porsche юноша поместил внутри рамы, протянув к нему вторую цепь. Ещё Максвелл предусмотрел два сцепления: одно для маховика, второе - для заднего колеса.
трогаться с места
Чтобы с помощью такого устройства сэкономить время в пути, нужно было постараться. В то время как другие велосипедисты на подъезде к светофору тормозили и отдыхали, Максвелл постепенно замедлял ход, продолжая интенсивно крутить педали. В этот момент их вращение передавалось на маховик, который нужно было успеть разогнать до максимальных оборотов, пока велосипед не остановится. После этого можно было немного отдохнуть. Когда загорался зелёный свет, юноша отпускал сцепление, и маховик толкал велосипед вперёд.
Доводя до ума
Возможно, читатель разочарованно спросит: «А как же рекуперация энергии торможения?» Эффективно реализовать эту идею крайне сложно, поскольку потребуется дорогое удовольствие - бесступенчатая трансмиссия (вариатор) с передаточным числом, плавно изменяемым в весьма широком диапазоне. Посудите сами: маховик должен раскрутиться из неподвижного состояния до высоких оборотов за то время, пока скорость велосипеда снижается, скажем, от 20 км/ч до нуля. В таких условиях плавным сцеплением не обойдёшься - вся энергия движения уйдёт на нагрев фрикционных дисков.
Тем не менее молодой изобретатель сумел решить и эту проблему, использовав готовую бесступенчатую трансмиссию, встроенную в ступицу заднего колеса. Конечно, совсем без ограничений не получилось. «Построенная мною модель способна раскручивать маховик при торможении, но не при полной остановке, - объясняет он. - Сцепление между задним колесом и маховиком позволяет последнему вращаться, когда велосипед стоит. Дождавшись зелёного света, вы отпускаете сцепление, и машина устремляется вперёд». По данным изобретателя, если часто тормозить и разгоняться до 20-24 км/ч, маховичная система не только сократит время в пути, но ещё и сэкономит около 10% энергии. За свою разработку студент получил от колледжа премию.
Стоит отметить, что сам маховик тоже создаёт ограничения - усложняет конструкцию велосипеда и добавляет веса. После внедрения такого энергонакопителя педальный транспорт теряет свою универсальность: на загородных трассах, где не требуется часто тормозить и разгоняться, маховик вообще не даёт энергетического выигрыша. Конечно, можно пытаться заряжать накопитель на спусках и разряжать на подъёмах, но его энергоёмкости не хватит, чтобы подняться на холм, не нажимая на педали. А кроме того, возникает гироскопический эффект - при раскрученном маховике несколько затрудняется управление велосипедом. Все дополнительные элементы тянут примерно на десять килограммов. Впрочем, можно попытаться уменьшить «лишний» вес, наращивая диаметр и скорость вращения маховика.
Три варианта
Похожие исследования в 2012 году проводились в Атлонском технологическом институте (Ирландия), где был создан прототип велосипеда с маховиком и сцеплением без вариатора.
Учёные протестировали двухколёсную машину на стадионе и определили, что на запасаемой в маховике энергии велосипедист может проехать дополнительно двадцать один метр. Исследователи также пришли к выводу, что для минимизации гироскопического эффекта маховик лучше всего разместить над задним колесом.
Отметим, что система с вариатором самая сложная. Вариант со сцеплением устроен гораздо проще и обойдётся дешевле, однако в моменты подключения маховика велосипедист будет ощущать резкие толчки. Индийские учёные на механическом факультете Национального технологического института Руркела проработали промежуточный вариант. В нём используется ступенчатая трансмиссия с несколькими звёздочками, уже имеющаяся на многих велосипедах. Скорости переключаются по мере раскрутки и торможения маховика.
К сожалению, велосипедов с маховичными накопителями энергии в продаже вы не найдёте - сегодня производители предпочитают разрабатывать электрические системы регенеративного торможения с применением электродвигателей, суперконденсаторов и ионолитиевых аккумуляторов, которые позволяют дольше сохранять энергию и гибко управлять ею. И несмотря на то, что механический накопитель более надёжен, чем аккумуляторный, он не всегда безопасен. В частности, чтобы экстренно затормозить, нужно не забыть отключить маховик. Однако эту тему мы оставим для других публикаций, а сейчас расскажем о гидравлическом рекуператоре энергии.
Гидравлика
В конце 2000-х американское Агентство по защите окружающей среды заказало Университету Мичигана разработку гидравлической системы рекуперации энергии. Идея проста. В момент торможения гидравлический насос перекачивает жидкость из бака в баллон высокого давления, сжимая находящийся там воздух. При разгоне велосипеда воздух выталкивает жидкость из баллона, и она приводит в действие гидромотор, соединённый с осью колеса. Сохранённая энергия высвобождается.
в 20-дюймовом колесе
Изначально эта система была создана для применения на муниципальных автомобилях, которым приходится часто тормозить и разгоняться (например, на мусоровозах), а студенты университета должны были доработать её для велосипедов и мопедов. Работа над проектом длилась семь лет, и за это время сменилось несколько студенческих команд. В итоге ребятам удалось минимизировать количество движущихся частей и упростить конструкцию, так что вся система помещалась внутри обода 20-дюймового колеса. Увы, она оказалась тяжёлой (13 кг) и весьма дорогостоящей - порядка 1300 долларов, поэтому в производство не пошла.
Читайте другие наши материалы
