慎言奇跡 空氣動(dòng)力汽車是顛覆還是騙局？

　　今年5月，北京科博會(huì)上展出一輛空氣動(dòng)力大巴，得到了央視《新聞聯(lián)播》等報(bào)道。產(chǎn)品展出者介紹這種利用源源不斷的空氣作為動(dòng)力源的客車，聽(tīng)上去似乎是完美的交通解決方案：資源取之不盡，排放也是無(wú)污染的空氣——這非常誘人。搜索可知，該企業(yè)還曾以此進(jìn)行集資，但遭到反傳銷網(wǎng)等機(jī)構(gòu)的批評(píng)，指其為原始股集資騙局。空氣動(dòng)力汽車背后的原理究竟是什么？

　　空氣動(dòng)力汽車本不是什么新的技術(shù)，最早可以追溯到 1820年。當(dāng)時(shí)主要設(shè)想是類似有軌電車的設(shè)計(jì)，軌道沿途鋪設(shè)高壓氣管，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供高壓空氣，驅(qū)動(dòng)車輛在軌道上行駛，當(dāng)時(shí)還有一個(gè)名字，叫 “Pneumatic Railway”。但是由于當(dāng)年的技術(shù)條件所限，這種機(jī)車并沒(méi)有真正生產(chǎn)出來(lái)，直到70年后，基于壓縮空氣的發(fā)動(dòng)機(jī)車，開(kāi)始陸續(xù)上市并投入使用。

　　早期的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，都是采用了蒸汽機(jī)一樣的結(jié)構(gòu)，體積龐大，效率低下，并不能解決城市的交通問(wèn)題，而一百多年以后的今天，空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。發(fā)動(dòng)機(jī)越發(fā)緊湊精致，效率也明顯升高，這讓人們動(dòng)起了空氣動(dòng)力汽車的腦筋來(lái)。

　　空氣動(dòng)力汽車發(fā)展了一百多年，諸如美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)都開(kāi)發(fā)出了自己的產(chǎn)品。比如法國(guó)的雪鐵龍公司就曾宣布，空氣動(dòng)力汽車可能在2016年投放市場(chǎng)。這款 車是空氣動(dòng)力和燃油的混動(dòng)車型，燃油費(fèi)將降低45%，如果在城鎮(zhèn)駕駛，費(fèi)用可以降低到80%。由于空氣動(dòng)力系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)，該車將比現(xiàn)有的混合動(dòng)力汽車便 宜大約1500美元左右。這篇報(bào)道發(fā)布在2013年，但是到了2015年的7月，似乎還沒(méi)有看到這款汽車上市的相關(guān)消息。

　　相比法國(guó)合資企業(yè)，國(guó)內(nèi)企業(yè)要靠譜的多。在北京舉辦的第15屆科博會(huì)上，就出現(xiàn)了這么一款產(chǎn)品：空氣動(dòng)力大巴。根據(jù)車輛官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，這款車型號(hào)應(yīng)該是祥天 A4-0001，功率可以達(dá)到240KW，時(shí)速為140km/h，續(xù)航里程為200km，排量為6L。整車配備了6速的變速箱，有53個(gè)座位，整備質(zhì)量達(dá) 到16800kg。很多參觀者對(duì)這款車非常關(guān)注，工作人員也現(xiàn)場(chǎng)介紹了這款汽車的工作原理。

　　祥天空氣動(dòng)力大巴

　　從目前已知的參數(shù)上來(lái)看，這輛大巴車配備了2000L的氣瓶，氣瓶的壓力大概在30MPa左右，通過(guò)加熱膨脹，氣體體積將增加1224倍。

　　根據(jù)熱力學(xué)定律，氣體在絕熱過(guò)程中膨脹做功的能量是最少的（絕熱膨脹），在完全吸熱經(jīng)歷等溫過(guò)程時(shí)做功的能量是最多的（等溫膨脹）。因此儲(chǔ)罐中容器的壓縮空氣所包含的能量，與氣體釋放時(shí)的膨脹方式有關(guān)，其具體數(shù)值的大小，應(yīng)該介于絕熱膨脹與等溫膨脹之間。

　　那么這些壓縮氣體，到底蘊(yùn)含著多少的能量呢。我們根據(jù)上述結(jié)論，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果。如果排氣壓力為0.15MPa時(shí)，這個(gè)2000L的鋼瓶所包含的能量大約在117MJ到318MJ之間。（注：絕熱系數(shù)按照1.4計(jì)算）。

　　計(jì)算結(jié)果可以理解為氣體膨脹做功最多不超過(guò)318MJ，這個(gè)計(jì)算結(jié)果不大直觀，折算成電能不過(guò)88度電左右，如果這算成汽油，也不過(guò)是5~6升的樣子。

　　這個(gè)計(jì)算結(jié)果讓我有點(diǎn)跌破眼鏡，針對(duì)兩百公里的續(xù)航要求，儲(chǔ)罐儲(chǔ)備的能量并沒(méi)有我想象的那么高。是不是我的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有問(wèn)題了，除了儲(chǔ)罐壓力和排氣壓力 外，其他參數(shù)都是官方的參數(shù)，出問(wèn)題的概率并不大。而且根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，可以知道儲(chǔ)罐壓力和排氣壓力的差值，決定著能量的大小，因此，我想再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn) 一步的“審核”。根據(jù)發(fā)明專利《CN201310292631-壓縮空氣動(dòng)力汽車》和實(shí)用新型專利《CN201320413749-壓縮空氣動(dòng)力汽車》 （以下統(tǒng)稱“專利”）中公開(kāi)的數(shù)據(jù)，汽車儲(chǔ)罐壓力在20~45MPa之間，優(yōu)選30MPa。出口壓力，按照《新聞聯(lián)播》中的說(shuō)法，氣體會(huì)膨脹1224倍來(lái) 計(jì)算。看看這次的計(jì)算結(jié)果有什么變化。

　　儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的能量，和儲(chǔ)罐壓力是正相關(guān)的。在壓力到達(dá)45MPa時(shí)，儲(chǔ)存能量達(dá)到640MJ左右，折合成電能約為180KWh。這個(gè)在極其理想的條件下計(jì)算得到的數(shù)字，也沒(méi)給我?guī)?lái)太大的驚喜。

　　作為壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)際能真正獲得的能量比儲(chǔ)能量要小的多。

　　首先，理論上看，640MJ的計(jì)算結(jié)果是基于等溫膨脹的理想條件下得到的，實(shí)際工況條件下，等溫膨脹實(shí)際上是很難實(shí)現(xiàn)的。那么無(wú)論如何，實(shí)際儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的能量，大約是介于117MJ~640MJ之間的某一個(gè)數(shù)值。

　　第二，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口的壓差正相關(guān)。若要?dú)鈩?dòng)機(jī)工作（保證功率輸出時(shí)），尤其當(dāng)汽車爬坡或者加速時(shí)，由于動(dòng)力需求的上升，則需要?dú)鈩?dòng) 機(jī)進(jìn)出口有足夠的壓差。也就是說(shuō)，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體壓力不能完全使用完，當(dāng)壓力降低到一定水平時(shí)，就無(wú)法保證氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出要求，這就給空氣動(dòng)力汽車的續(xù) 航又打了一次折扣。

　　第三，根據(jù)熱力學(xué)原理，氣體減壓膨脹過(guò)程一般來(lái)說(shuō)是個(gè)吸熱的過(guò)程，因此，這個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中勢(shì)必會(huì)造成溫度的下降。從積極 的意義上來(lái)看，我們可以額外獲得一些冷量，這些冷量可以用于汽車系統(tǒng)的降溫，讓系統(tǒng)效率更高。但是實(shí)際應(yīng)用上看，這些冷量在應(yīng)用上來(lái)并不是那么方便。撇開(kāi) 作為傳輸介質(zhì)的冷媒不論，在時(shí)間上，冷量產(chǎn)生的時(shí)候，并不一定是需要散熱的時(shí)候。反之，當(dāng)需要散熱的時(shí)候，也不一定有足夠冷量可以用。因此，當(dāng)使用這部分 氣體膨脹做功所產(chǎn)生的冷量的時(shí)候，為系統(tǒng)穩(wěn)定，至少還需要額外的一套冷卻系統(tǒng)，以備不時(shí)之需?；蛘咭部梢园牙淞看鎯?chǔ)，在需要的時(shí)候再使用。但是不論選擇哪 種方法，都會(huì)使系統(tǒng)更加復(fù)雜。復(fù)雜的系統(tǒng)可以帶來(lái)額外的功能，但是也會(huì)帶來(lái)額外的成本和額外的故障。帶來(lái)的益處有限，帶來(lái)的麻煩卻不少，如果1MPa減壓 到0.1MPa，可能帶來(lái)的會(huì)是幾十度的溫度下降，這意味著可能溫度會(huì)直接降到零下，可能會(huì)使管路結(jié)霜或凍結(jié)，造成換熱效率的下降甚至損壞。所以在此時(shí)， 加熱裝置是必要的，在專利中，也確實(shí)配備了加熱裝置。這個(gè)加熱裝置可以提高氣體的問(wèn)題，增加膨脹時(shí)的做功輸出，但是也會(huì)額外帶來(lái)新能量損失，給空氣動(dòng)力汽 車的續(xù)航再一次打了折扣。

　　第四，根據(jù)氣體的熱力學(xué)特性，在等容條件下，氣體的壓力與溫度正相關(guān)。這意味著儲(chǔ)罐的儲(chǔ)能容量，與環(huán)境溫度息息相關(guān)。在25攝氏度的時(shí)候，假設(shè)氣瓶的壓 力是30MPa的話，那么在零下10度的時(shí)候，氣瓶壓力只有26.5MPa（按照理想氣體計(jì)算），這代表著至少有百分之十的能量損失掉了。當(dāng)然，可以做保 溫解決這個(gè)問(wèn)題。

　　第五，作為發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的設(shè)備，它本身的效率是很有限的。氣瓶中壓縮空氣所蘊(yùn)藏的能量，通過(guò)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)釋放的能量之間， 會(huì)有非常大的能量損失。這可能是整個(gè)空氣動(dòng)力系統(tǒng)中最大的能量損失項(xiàng)。它受到熱力學(xué)定律的限制，基本說(shuō)是一個(gè)無(wú)法逾越的壁壘。雖然專利中所表述的，通過(guò)尾 氣壓力回收來(lái)提高系統(tǒng)的效率，但是回收所消耗的能量和回收的能量來(lái)比，是否有價(jià)值，還是值得探討的。

　　除上文所述外，空氣動(dòng)力電池還有兩個(gè)重要的問(wèn)題需要注意。

　　首先，壓縮空氣從哪里來(lái)。空氣的壓縮過(guò)程中，是非常耗能的過(guò)程。根據(jù)能量守恒定律，空氣壓縮消耗的能量一定會(huì)大于壓縮空氣本身的能量。一般來(lái)講，空氣壓 縮機(jī)的等熵效率無(wú)非也只有70~80%的水平。而且壓縮過(guò)程中，也有一定熱熱量損失了。從環(huán)保的角度來(lái)看，可能只是把污染做了轉(zhuǎn)移，并沒(méi)有解決污染問(wèn)題。 尤其是由于轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題，獲得相同能量時(shí)，可能會(huì)浪費(fèi)更多的能源，造成更多的排放。

　　第二，還是老生常談的安全問(wèn)題?！皩＠碑?dāng)中，描 述空氣動(dòng)力汽車的儲(chǔ)罐壓力在20~45MPa之間，這是個(gè)相當(dāng)高的數(shù)值。應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)中的汽車當(dāng)中，一旦因?yàn)橥饬蚱渌蛩卦斐善屏?，后果是不堪設(shè)想的。另 外，這樣高的壓力系統(tǒng)，還處在一個(gè)顛簸、震動(dòng)的環(huán)境當(dāng)中，密封的要求也很高。

　　作為未來(lái)技術(shù)的一個(gè)流派，空氣動(dòng)力系統(tǒng)和儲(chǔ)能上的壓縮空氣師出同門。不同國(guó)家上百年的研究，空氣動(dòng)力汽車也有不少的優(yōu)勢(shì)。比如基于空氣動(dòng)力汽車的造價(jià)會(huì)比基于電能的新能源汽車更加有優(yōu)勢(shì)；在正常使用的過(guò)程下，空 氣動(dòng)力系統(tǒng)的壽命要高于電化學(xué)動(dòng)力系統(tǒng)。在形式上，通過(guò)加壓縮空氣，也比充電要方便不少。這一切都說(shuō)明空氣動(dòng)力汽車還是有市場(chǎng)空間的。但是我認(rèn)為一定要找 到一個(gè)合理的應(yīng)用場(chǎng)合，比如作為混合動(dòng)力系統(tǒng)，或者是做一些特殊的應(yīng)用，比如清潔庫(kù)房?jī)?nèi)的叉車，或者是用于短途的低速車輛。從應(yīng)用方式上看，我更傾向于作 為功率補(bǔ)充型的應(yīng)用，而不是基于儲(chǔ)能形式解決續(xù)航問(wèn)題。這是因?yàn)閴嚎s空氣系統(tǒng)本身的密度并不太高（尤其是體積比能量）。在儲(chǔ)能上有一些案例，是以壓縮空氣 做成調(diào)峰單元應(yīng)用的。作為空氣動(dòng)力汽車產(chǎn)品而言，我覺(jué)得還是應(yīng)該多試驗(yàn)幾年，既要驗(yàn)證技術(shù)，也要驗(yàn)證是否可以滿足市場(chǎng)的要求。