Hur använder olika fordon regenerativa bromsar?
Artwork: Hur mycket energi sparar regenerativa bromsar? Det beror på fordonet. Stora och tunga fordon som rör sig snabbt (t.ex. elektriska tåg) bygger upp mycket rörelseenergi, så de får de bästa besparingarna. Även om de väger mindre och går långsammare kan leveransbilar som stannar och startar mycket också göra stora besparingar. Bilar varierar i vad de kan spara från cirka 8-15 procent (beroende på bil och om den körs i stadstrafik eller på öppna motorvägar). Elcyklar är lätta och går ganska långsamt, så regenerativa bromsar uppnår lite. Uppgifter: Jag har använt typiska medelvärden från olika källor för tåg (https://goo.gl/J3hZXL), lastbilar (https://goo.gl/6DRvY5), bilar (https://goo.gl/UglXby) och cyklar (https://goo.gl/N0w7X3) – men det är mycket möjligt att du kan hitta andra värden på andra ställen.
Olika fordon använder regenerativ bromsning på olika sätt.
Elektriska bilar och tåg
I el- och hybridbilar laddar de regenerativa bromsarna huvudbatteripaketet, vilket effektivt förlänger fordonets räckvidd mellan laddningarna. Elektriska tåg, som drivs av kraftledningar i luften eller vid spåren, fungerar på ett något annorlunda sätt. Istället för att skicka bromsenergin till batterierna returnerar de den till kraftledningen. Ett typiskt modernt elektriskt tåg kan spara omkring 15-20 procent av sin energi genom att använda regenerativa bromsar på detta sätt. Vissa fordon använder superkondensatorer för att lagra energi i stället för batterier.
Elektriska cyklar
De flesta elektriska cyklar har ingen regenerativ bromsning och har liten eller ingen nytta av att använda den. Varför? En cykel är ett fordon med låg massa och låg hastighet, så den slösar mycket mindre rörelseenergi på att stanna och starta än en bil eller ett tåg (ett fordon med hög massa och hög hastighet). De flesta cyklister använder energin mycket effektivt genom att låta farten gå iväg eller köra på frihjul till stillastående i stället för att bromsa hårt när de kan. Om du inte stannar och startar väldigt mycket och cyklar i relativt höga hastigheter (t.ex. om du är budbärare) kommer energibesparingen med regenerativa bromsar på en elcykel att vara minimal.
Foto: Om du inte stannar och startar mycket kan du inte spara tillräckligt med energi för att det ska löna sig.
Rekonstruktiva bromsar på cyklar kan faktiskt sluta med att förbruka mer energi än vad de sparar. För att fungera effektivt måste fordon med regenerativa bromssystem ha sina elmotorer (vanligtvis navmotorer på elcyklar) permanent inkopplade och arbeta som antingen motorer eller generatorer hela tiden.Det är bra för en elbil, men en elcykel behöver sin motor på bara en del av tiden: en del av tiden kan du glatt åka iväg i lugn och ro.Att ha motorn inkopplad hela tiden innebär att cykeln kan komma att använda mycket mer energi totalt sett, så regenerativa bromsar kan faktiskt komma att använda mer energi än de sparar!Ofta läggs regenerativa bromsar till på elcyklar enbart som en marknadsföringsknep.
Hissautomater
Du kanske inte tänker på hissar som elbilar, men det är de verkligen! Otis, en ledande tillverkare, introducerade den första regenerativa hissen, ReGen™, 2011 och hävdar att den sparar upp till75 procent av den energi som normalt används. Där en vanlig hiss slösar bort bromsenergi som värme, matar ReGen tillbaka den till byggnadens elsystem.
Andra typer av energisparande bromsar
Flywheels
Regenerativa bromsar kan tyckas väldigt högteknologiskt, men idén om att ha ”energibesparande reservoarer” i maskiner är inte ny. Motorer har använt energilager som kallas svänghjul praktiskt taget sedan de uppfanns.
Foto: Det tunga svänghjulet i metall som är fäst vid den här motorn hjälper till att hålla den igång med en jämn hastighet. Observera att den största delen av svänghjulets tunga metallmassa är koncentrerad kring dess fälg. Det ger det vad som kallas ett högt tröghetsmoment: det krävs mycket energi både för att få det att snurra snabbt och sakta ner. Den här maskinen är ett utställningsföremål i maskinhallen på vetenskapsmuseet Think Tank i Birmingham, England.
Den grundläggande idén är att den roterande delen av motorn innehåller ett hjul med en mycket tung metallfälg, och detta driver den maskin eller anordning som motorn är ansluten till. Det tar mycket längre tid att få igång en motor med svänghjul, men när den väl är igång lagrar svänghjulet en enorm mängd rotationsenergi. Ett tungt snurrande svänghjul är lite som en lastbil som kör i hög fart: det har ett enormt momentum så det tar mycket lång tid att stanna och det krävs mycket ansträngning för att ändra hastigheten.Det kan låta som en nackdel, men det är faktiskt mycket användbart. Om en motor (kanske en ångmaskin som drivs av cylindrar) levererar kraft på ett oregelbundet sätt kompenserar svänghjulet genom att absorbera extra kraft och kompensera för tillfälliga uppehåll, så att maskinen eller utrustningen som den är ansluten till drivs smidigare.
Det är lätt att se hur ett svänghjul skulle kunna användas för regenerativ bromsning. I en buss eller lastbil kan man ha ett tungt svänghjul som kan kopplas in eller ur från växellådan vid olika tillfällen.Du kan koppla in svänghjulet varje gång du vill bromsa, så att det tar upp en del av din rörelseenergi och stoppar dig. Nästa gång du körde igång skulle du använda svänghjulet för att återge energin och få dig i rörelse igen, innan du kopplade ur det under normal körning.Den största nackdelen med att använda svänghjul i fordon i rörelse är naturligtvis deras extra vikt.De sparar energi genom att lagra energi som du annars skulle ha slösat bort i bromsar, men de kostar också energi eftersom du måste bära runt på dem hela tiden.
Avancerade växellådor som innehåller högteknologiska svänghjul används nu som regenerativa system i bland annat formel 1-bilar, där de vanligen kallas KERS-system (kinetic energy recovery systems).
Foto: Ett magnetiskt svänghjul som utvecklats av NASA för rymdtillämpningar. Observera återigen hur den största delen av massan är koncentrerad kring fälgen för att uppnå ett högt tröghetsmoment. Foto med tillstånd av NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Hydrauliska vätskor och komprimerad gas
Andra typer av regenerativa system lagrar energi genom att komprimera en gas varje gång ett fordon bromsar – lite på samma sätt som en gasfjäder i en kontorsstol lagrar energi när man sitter på den. Energin kan frigöras och återanvändas genom att låta gasen expandera (på ungefär samma sätt som en kontorsstol frigör energi när du avlastar den när spaken för hissen är olåst). Andra system (bland annat Fords HydraulicPower Assist eller HPA) lagrar bromsenergi genom att pumpa in hydraulisk vätska i en reservoar.
Vem uppfann regenerativa bromsar?
Det kan låta otroligt avancerat att elbilar och tåg ska ha regenerativa bromsar, men lite forskning bevisar motsatsen. Det äldsta amerikanska patentet för ett regenerativt elektriskt tåg som jag kan hitta är US Patent 714,196: Regenerative system by Martin Kubierschky of Berlin, Germany, beviljades 1902 och syftade till att spara en mycket optimistisk 40 procent av den vanliga energiförbrukningen.Det kan mycket väl ha funnits tidigare versioner, men inte så många: den regenerativa tekniken tycks dateras från runt sekelskiftet 1900. Den första regenerativa bromsen på en bil tros ha utvecklats av fransmannen M.A. Darracq och demonstrerades på Salon du Cycle Show i Paris 1897.Precis som ett modernt regenerativt system matade det bromsenergin tillbaka till batteriet för att förlänga bilens körsträcka (som bara var 48 km eller 30 miles), men det påstods att det gav en överraskande energibesparing på 30 procent (ungefär tre gånger så mycket som den moderna motsvarigheten).
Vad är poängen?
Hur de än fungerar har alla regenerativa bromssystem en sak gemensamt – de hjälper oss att använda energin på ett mer klokt sätt. In a world where fuel is becoming ever morecostly, and environmental concerns are mountingby the day, that can only be a good thing!
