RWTW-Systeem

Uitgangspunt voor deze case is dat we refereren naar een volledig elektrische auto die zijn energie alleen uit accu’s haalt. De elektromotoren in de auto’s hebben tijdens het afremmen van de auto een generator functie waarmee accu’s worden bijgeladen, deze functie heet regeneratief remmen.

Regeneratief remmen kan zowel elektrisch als mechanisch.

• Elektrisch door de elektromotoren als generator in te zetten tijdens het afremmen.
• Mechanisch door tijdens het remmen de energie op te slaan in een vliegwiel.

Het vliegwiel wordt niet gebruikt als zodanig, wel is dit uitgebreid onderzocht. In deze case gaan we uit van auto’s die regeneratief elektrisch remmen.

Schematisch ziet het er uit als onderstaand plaatje.

• Accu wordt opgeladen dmv netstroom (als de auto geparkeerd is)
• De motor drijft de auto aan en haalt energie uit de accu
• De power control unit regelt de hoeveelheid energie dat nodig is uit de accu
• Wanneer de auto remt wordt de kinetische energie via de motor, als generator functie, in de vorm van elektrische energie teruggevoerd naar de accu.

Kinetische energie is de hoeveelheid energie in een object in beweging. In dit geval een auto, als deze rijdt dan heeft hij kinetische energie, om de auto tot stilstand te brengen is energie nodig. Een belangrijke weerstand die de auto in beweging ondervindt is de luchtweerstand. Afhankelijk van het aerodynamisch ontwerp van de auto en de snelheid ondervindt de auto weerstand van de lucht.

Wanneer de auto rijdt met een constante snelheid dan wordt er zoveel energie uit de accu’s gehaald als nodig is om de verliezen te vereffenen. In het geval van de luchtweerstand wordt een X hoeveelheid energie uit de accu gehaald om voort te blijven bewegen. Omdat de weerstand en toevoer elkaar opheffen kunnen we de luchtweerstand als potentiële energiebron benoemen. Die potentiële energiebron kunnen we gebruiken om een windturbine aan te drijven en elektrische energie terugvoeren naar de accu’s.

De luchtweerstand willen we benutten om energie op te wekken en terug te voeren naar de accu’s.

De luchtweerstand van een auto wordt berekent met:

• F=kracht in Newton
• A= frontale oppervlakte van de auto
• C_w=Weerstandscoëfficiënt
• Ρ= Luchtdichtheid
• v=Snelheid

De snelheid van de auto is in het kwadraat in de formule, dus als je harder rijdt gaat de luchtweerstand kwadratisch omhoog. In grafiek vorm ziet de luchtweerstand er als volgt uit. De grafieken geven de waarde weer van een auto met een frontale oppervlakte van 1 m² en een C_w waarde van 0,29 ( dit is een zeer goede weerstandscoëfficiënt) de snelheid v is geprojecteerd op de x-as, de kracht F staat op Y-as.. De dichtheid van lucht is ongeveer 1,29 kg/m³

De Cw waarde voor “normale” personenauto’s ligt tussen de 0,25 en 0,35.

Bij 90 km/h is de luchtweerstand 350,7 Newton

De potentiële energie die beschikbaar is voor de windmolen is dus 350,7 N.

Als we dit berekenen in Watts, elektrische vermogen, is dat P=F*v uitgerekend is dat 8768 Watt. Dus de auto gebruikt 8768 Watt elektrisch om de luchtweerstand op te heffen.

In theorie als we een windturbine kunnen construeren met een oppervlakte die gelijk is aan de frontale oppervlakte van de auto, moeten we daarmee een vermogen op kunnen wekken van 8768 Watt. Met die waarde zou de luchtweerstand worden opgeheven door de opwekking van de wind turbine.

Dit gaat niet lukken en is puur theoretisch.

In de praktijk moeten we een lucht inlaat creëren voor de te plaatsen windturbine met een zo groot mogelijk oppervlak, zonder dat hiermee de luchtweerstand van de auto toeneemt. Met andere woorden, we creëren een luchtinlaat waarbij de Cw waarde constant blijft.

Vraagstuk 1: Wat gebeurt er met de C_w waarde wanneer de voorkant van een auto wordt gemodificeerd met een lucht inlaat in plaats van een gesloten front?

Stel we hebben een auto met een frontaal oppervlak van 3 m² Hoeveel ruimte van de voorkant kunnen we benutten om te gebruiken als lucht inlaat.

Ik doe een aanname dat 20% van de oppervlakte kan worden benut als lucht inlaat. Dat betekent voor een auto met een frontaaloppervlak van 3 m² een nuttig oppervlak is van 0,6 m².

Bij een snelheid van 90 km/h zou dit aan potentiële energie voor opwekking 6046 Watt zijn. Stel dat we voor E-Opwekking geen verliezen zouden hebben dan zullen de lucht weerstand verliezen voor 6046/8768=69% worden weggewerkt bij een snelheid van 90 km/h. Echter hebben we met de omzetting van wind naar elektriciteit ook te maken met een omzetting factor. Die wordt bepaalt door de mechanische en elektrische verliezen van de windturbine.

Door deze mee te nemen in de berekening blijven er veel kleinere getallen over van de opgewekte elektriciteit. Stel dat we een C_eff (efficiency cijfer van de windturbine) van 25% hebben, dus 25% van beschikbare windenergie blijft elektrisch over, dan zou van de 6046 Watt maar 1512 Watt overblijven.

Een voorbeeld rekensom (eenvoudig) met een accucapaciteit van 50 kWh zou bij een constante snelheid het volgende opleveren.

Verbruik bij 90 km/h is 8,768 kWh. ó 50kWh/8,768 = 5,7 uur. 5,7h x 90 km/h = 513 km

Nu verbruik met windturbine is 8,768 kWh-1,512kWh = 7,256 kWh. ó 50 kWh/7,256 kWh = 6,89 uur.  6,89h * 90 km/h = 620 km.

Het verschil is 620-513=107 km.  ó 107 km/513 km = 20,9%

Dit zou een actieradius winst van 20,9 % zijn.

 én P_elek.=F*v

• A = Frontaal oppervlak = 3 m²
• C_w = 0,29
• Rho (P) = 1,29 kg/m³
• v=90km/h (25 m/s)

Verbruik elektrisch = 8768 Watt = 8,77 kWh

• A_turbine  = 0,6 m²
• C_turbine  = 0,25
• Elektrisch opgewekt = 1512 Watt = 1,512 kWh
• Afstand zonder windturbine bij 50 kWh accucapaciteit = 513 km
• Afstand met windturbine bij 50 kWh accucapaciteit = 620 km

Winst = 20,9%