Rafknúið farartæki

Rafknúið farartæki er farartæki sem knúið er áfram með rafhreyfli eða -hreyflum. Farartækið kann að vera á hjólum eða búið skrúfu knúinni með snúningsrafhreyfli, eða í tilfelli farartækja sem ganga eftir teinum, með línuhreyfli. Raforkan sem gefur hreyflunum afl kann að vera fengin með beinni tengingu við raforkuver á landi, eins og títt er um raflestir; úr efnaorku sem geymd er í farartækinu í rafgeymum eða díselolíu; úr kjarnorku, í kjarnorkukafbátum og flugmóðurskipum; eða framúrstefnulegri uppsprettum svo sem kasthjóli, vindi eða sólarorku.

Saga.

Umbreyting rafafls í mekanískt afl hófst með lítilli járnbrautarlest sem knúin var örsmáum rafhreyfli sem Thomas Davenport smíðaði árið 1835. Árið 1838 smíðaði Skoti að nafni Robert Davidson rafknúna járnbrautarlest (sem kalla mætti „rafreið“ sbr. „eimreið“) sem náði 6 km hraða á klst. Í Englandi var gefið út einkaleyfi fyrir notkun teina til að leiða rafstraum árið 1840 og áþekk einkaleyfi voru gefin út í Bandaríkjunum handa Lilley og Colten árið 1847.

Milli áranna 1832 og 1839 (nákvæmt ártal er óþekkt) fann Robert Anderson í Skotlandi upp fyrsta grófa rafknúna vagninn sem knúinn var með einnota aðalsellum.

Þegar kom fram á 20. öld voru rafbílar og raflestir algengar og það svo að rafbílar voru meirihluti bíla sem seldir voru almenningi. Rafknúnar lestir voru notaðar til að flytja kol upp úr námum þar eð hreyflarnir gengu ekki á hið verðmæta súrefni í námunum. Þar sem ekki eru neinar jarðefnaauðlindir í Sviss knúði það á um snemmbæra rafvæðingu járnbrautanets landsins.

Rafknúin farartæki voru á meðal fyrstu bílanna og áður en léttir, aflmiklir sprengihreyflar komu til sögunnar áttu rafbílar mörg hraða- og vegalengdarmet snemma á 20. öld. Þeir voru framleiddir af Anthony Electric, Baker Electric, Detroit Electric, Lohner og fleirum.

Virkni.

Algengast er að rafknúin farartæki séu beintengd við orkuuppsprettu sína í gegnum raforkunetið. Vegna þeirra innviða sem það krefst og takmörkunar á ferðafrelsi eru flest beintengd farartæki í eigu opinberra aðila eða stórfyrirtækja. Betur er fjallað um þær tegundir samgangna í segulsvifbrautum, jarðlestum, sporvögnum, lestum og rafstrætó. Fræðileg tegund rafknúins farartækis er einkahraðreið, blendingur bíla og lesta ætlaður fyrir sjálfstæðar ferðir.

Í flestum kerfum kemur aflið úr snúningsrafhreyfli. Þó eru í sumum lestum hreyflar sem hafa svo að segja verið "flattir út" og knýja lestina áfram með beinni verkan á sérstaklega þar til gerða braut. Það nefnast línuhreyfilslestir. Oft eru þær jafnframt segulsviflestir og svífa yfir teinunum með segulkrafti. Á það skal bent að svifið og krafturinn sem knýr lestina áfram eru óháð hrif: knúningur áfram krefst ávallt ytra afls en Inductrack gefur kost á svifi við litla ferð án ytra afls.

Kostir.

Ástæður þess að rafhreyflar eru notaðir til að knýja farartæki eru góð stýring, há nýtni og einföld mekanísk gerð. Rafhreyflar ná oft yfir 90% umbreytingarnýtni yfir allan hraða- og aflúttaksskalann og þeim má stjórna af nákvæmni. Rafhreyflar geta gefið kraftvægi þegar þeir hreyfast ekki, ólíkt sprengihreyflum og þurfa því ekki niðurgírun til að stilla af hraða hreyfils og farartækis. Þar með er ekki þörf fyrir gírkassa, kraftvægisbreyti eða mismunadrif. Rafhreyflar búa einnig yfir þeim óvenjulega eiginleika að geta umbreytt hreyfiorku aftur yfir í raforku, með afturverkunarhemlun. Með því má minnka bæði hemlaslit og orkueyðslu.

Efnarafalar.

Efnaorka er algengasti óháði orkugjafinn. Henni er umbreytt í raforku, sem er síðan stýrt og hún gefin knúningshreyflunum. Efnaorka er yfirleitt á formi dísilolíu eða bensíns. Eldsneytinu er yfirleitt umbreytt í rafmagn með rafali sem knúinn er með sprengihreyfli eða annarskonar varmavél. Þessi aðferð er þekkt sem dísil-rafmagns- eða tvinn-knúningur.

Önnur mynd umbreytingar úr efna- í raforku er rafefnafræðileg. Það meðtelur brunasellur og rafhlöður. Með því að sleppa hinum mekaníska millilið eykst nýtnin mjög mikið umfram ferlið efnaorka-varmaorka-mekanísk orka-raforka-mekanísk orka sem rætt var að framan. Það helgast af því að hærri carnot-nýtni fæst með því að oxa eldsneytið beint og sleppa óþörfum orkuumbreytingum. Enn fremur má auðveldlega snúa orkuumbreytingu efnafræðilegra rafhlaða við og geyma raforku á efnafræðilegu formi.

Vandamál.

Þrátt fyrir hærri nýtni hrjá raf-efnafræðileg farartæki tæknileg vandamál sem hindra að þau komi í stað farartækja byggðra á hinni flóknari, grófari og sóðalegri varmavél. Auðveldara hefur reynzt að skala varmavélar upp. Þannig eru stærstu rafalar einatt knúnir með varmavélum. Brunasellur eru brothættar, viðkvæmar fyrir mengun og þurfa ytri hvarfefni svo sem vetni. Í rafhlöður þarf há-hreinsuð, óstöðug efni sem kunna að vera hættuleg umhverfinu og verður að endurvinna til að draga úr umhverfisáhrifum þeirra og hámarka sjálfbærni. Báðar tæknir hafa lægri orku og aflþéttleika en varmavélar.

Í sérstaklega stórum rafknúnum farartækjum, þ.e. kafbátum og flugmóðurskipum má hafa kjarnakljúf í stað díselvarmavélarinnar. Kjarnakljúfurinn framleiðir varma sem knýr gufutúrbínu sem knýr rafal sem framleiðir rafstraum til rafhreyfilsins.

Allmargar tilraunir hafa verið gerðar með að nota orkugeymslu á formi kasthjóls í rafknúnum farartækjum. Kasthjólið geymir orku á formi snúnings sem er breytt yfir í rafmagn með rafali, sem framleiðir rafstraum til rafhreyfilsins. Það kann að virðast skrýtið að umbreyta snúningsorku yfir í raforku og umbreyta henni svo aftur yfir í snúningsorku, en kasthjól þurfa að snúast mjög hratt svo að orkan verði nógu mikil. Auðveldara er að nota rafmagn til að umbreyta hreyfingunni í afl sem hentar til að knýja farartækið áfram.

Tegundir farartækja.

Meðal annarra léttra rafknúinna fólksflutningatækja má nefna rafknúna hjólastóla, Segway HT, rafknúin bifhjól, reiðhjól með rafstuðningi, golfvagna og nágrennisrafbíla. Meðal rafknúinna vinnufarartækja má nefna tæki til þungavinnu, gaffallyftara og allmargar aðrar gerðir þjónustu- og stuðningsfarartækja. Meðal farartækja sem aðeins eru til tilrauna, eða er ætlað að sanna að tiltekin tækni sé möguleg, má nefna sólknúin farartæki svo sem sólbíla, rafaþon, fljúgandi Heliosfrumgerðina og nokkur eldflaugarknúin kerfi svo sem jónaþeytinn.

Rafbílar.

Til er tvenns konar hönnun rafbíla: Rafhlöðu-rafknúin farartæki eða RRF, sem umbreyta efnaorku í raforku í rafhlöðum; og tvinnbílar sem umbreyta efnaorku í raforku með sprengihreyfli og rafali.