今天我们介绍一种课本没有、常识不说的概念:移动应用能源。
在能源种类里,增加一个移动应用能源是否有必要。
移动应用能源是指:能源载体跟随能源利用装置运动,能源装置不具备自发生产能源的能力,必须从外部补能。
当前移动应用能源主要是有交通工具所用的能源,交通能源占到人类应用能源总量的20~40%之间。
在未来人工智能、星际往返将是能源主要应用场合,其需求的能源总量远高于当前人类已使用能源的总量。
而交通工具、人工智能、星际往返等场景的能源都是移动应用能源的场景。
增加这样一个能源分类的目的是发现并利用其能源规律。
举例说明一下,煤炭在用来烧水做饭,不算是移动应用能源。
利用煤炭燃烧加热蒸汽机驱动火车,这样的应用场景是移动应用能源。
移动应用能源有什么特点呢?移动应用的能源特点有:1) 能源载体能量密度很重要、在合理范围内功率密度、能量密度越高越好。
2) 补能方式,能源利用装置内装载能量总量的有限,必须及时补充能量。
3) 能源利用装置本身也需要考虑能量转换效率、及能量利用密度。
4) 能源载体输出特性要更好匹配能源利用装置的需求。
5) 利用合理技术降低外部耗能需求因素,采用能源利用装置合理回收外部反馈能量。
上面5点特性,可以非常好地解释移动应用能源系统。
可以非常好地解释并优化移动能源利用装置。
下面从电动化车辆的设计去说明:如何利用移动应用能源系统规律,优化其设计。
(详见:能源科技新知:移动应用能源(上篇)内容)图 1 登月工程耗能巨大新型增程车设计思想最初是用来优化地月往返模式的,解决了新能源汽车安全、昂贵、里程焦虑和充电难等问题。
下面我们通过阿波罗登月工程来说明如何利用移动应用能源的规律、优化登月工程的设计。
首先,我们先了解一下阿波罗登月工程的能源情况。
阿波罗登月工程是一次装载能源,多次集中爆炸式释放能量,实现人和物体的有效位移的能源利用场景。
其能源主要用于系统控制、克服地球月球引力、对物体运行状态(速度、位置、汇聚、分离)进行调整。
能量做功的主要方式是直接燃烧,通过燃料的反向运动给火箭和飞行器加减速。
其能量需求是固定的。
其能量供求关系是有明确的数学关系的。
阿婆罗登月工程的能源总量有多少呢?土星5号火箭,第一级质量为2300吨,煤油/液氧为约2200吨。
第二、三级600吨。
液氢/液氧约554吨。
飞行器LEO质量130吨,LLO质量45吨,液氢/液氧约85吨。
月球低轨45吨中还有落月、升月、返回地球的燃料。
具体未知,设定为25吨。
由此,阿波罗登月工程的总能量为2200吨煤油/液氧和664吨液氢/液氧。
2C12H26(l)+37O2(g)═24CO2(g)+26H2O(l),△H=-17142.8kJ•mol-1H₂(g)+1/2O₂g)=H₂O(l) △H=-285.8KJ/mol由上面燃烧热公式计算出每吨煤油/液氧折算电能是3125度,每吨液氢/液氧折算电能是4410度。
整个火箭飞行器上具备的能源折算电能9803240度。
其实这个能量的总量并不大,大致相当于1万辆百公里耗电20度的电动车行走了5000公里。
或者相当于辽宁号航母行驶了1630公里。
那么,我们如何才能够让阿波罗载人登月工程"节油"呢?依据移动应用能源的特点,从下面5个方面考虑。
1) 提升能量密度火箭中液氢/液氧已经是能量最高的可以用的能源载体了。
就目前来看找不到更好的能源载体。
唯一的办法是搭配,如使用太阳能电池,核能电池,仅能用于控制电源等等。
2) 补能方式登月工程中途没有补能,如果能够引入补能方式。
如LEO轨道补能,月面补能。
由于受到齐奥尔科夫斯基公式的作用,如果在飞行器上引入补能方式,并补充了能源载体。
那么可以使得整个登月工程的最初起飞质量大幅降低。
3) 能源利用装置的能量密度,转换效率燃料直接影响发动机燃烧的效率,火箭飞行器本身死重这两个方面是直接影响能源应用的结果。
虽然我们可以知道液体燃料发动机效率高达70~90%直接转化为动能。
如果引入电推,尽管电推能源最高只有50%以内的能量能够转化为动能,但是可以大幅降低燃料和推进剂的质量,从而实现了登月工程节能节油。
4) 特性匹配阿波罗登月工程的火箭发射阶段,其功率特性是非常高,而进入太空轨道之后的数次点火,功率需求也是很高。
其他阶段的近似能源静默阶段,只需求少量控制能源。
快速集中爆发是其能源需求的特性。
5) 降低外因损耗、回收反馈能量登月外因损耗主要有动能减速损失,地面阻力损失。
落月返地动能制动损失。
可回收亏能几乎没有可行的技术方案。
但可以认为缩减登月工程能源系统的范围,比如将土星5号第一级火箭设计为可重复利用火箭,将登月工程系统缩减为第二、三级火箭和航天飞行器。
这样划分虽然总能量需求不变,有利于实现降低能源成本。
通过以上五点认识。
我们认为登月工程可以改为如下:土星5号火箭第一级更改为可重复利用的火箭,其燃料是二甲醚/液氧,一级火箭整体质量会比煤油/液氧大很多,但由于二甲醚/液氧火箭燃烧温度更低,可以建造更大推力单体发动机、输送泵。
并且可以预期,因发动机、输送泵质量小、液氧储罐减少,二甲醚储罐技术要求低二甲醚/液氧火箭的重量必定比煤油/液氧低。
唯一缺点是二甲醚/液氧的能量密度低,仅为2857度电每吨,比煤油/液氧低8.9%,与二甲肼/四氧化二氮(神舟飞船的发射火箭长二F的燃料)相当。
而可重复利用火箭的燃料成本远低于箭体成本。
人货分离的方式,载人飞船使用电推为辅助,化学直燃发动机为主。
货运飞船使用电推为主,使用时间换能量,电推的电力