Механический допинг и средняя скорость

Механический допинг, или технологический допинг, или технодопинг это приспособления для улучшения спортивных показателей. В велоспорте проблема стала настолько серьезной, что перед гонками каждый велосипед сканируется судьями на предмет поиска скрытого электромотора. Надеюсь, что наработки механического допинга вполне можно использовать официально, если заменить аккумулятор конденсатором. Это может дать при умелом управлении существенную прибавку к средней скорости. 

Если сделать поиск картинок по слову «techno-doping», то основные результаты в выдаче будут вовсе не связаны с велосипедом. На первом месте безногий бегун Оскар Писториус (Oscar Pistorius), на втором — костюм для плавания. Как это ни кощунственно звучит, но речь идет о технологических новшествах, которые превосходят по параметрам то, что есть у человека. Официальный спорт как правило притормаживает применение технологического прогресса. Иногда объясняет это нарушением техники безопасности, но обычно просто объявляют все новое допингом, что сразу обозначает запрет.

Велосипед с этой точки зрения сам по себе уже является допингом по сравнению с бегущим человеком, тем не менее, дальнейший прогресс тоже притормаживался. Довольно долго были запрещены «скорости» и аэродинамические костюмы. Сейчас продолжает действовать запрет на изменение схемы велосипеда (рама-треугольник и два колеса), ограничение минимального веса велосипеда. И конечно, запрет на всякого рода «допинги» с внешним вбросом энергии. Видимо для того, чтобы отличить такой допинг, его в англоязычном интернете называют «mechanical doping», т.е. «механический допинг». Поиск по картинкам выдает на первом месте небольшой электромотор, скрытый в подседельной трубе и аккумулятор, скрытый во фляжке или в подседельной сумке.  Могут быть и другие схемы, но насколько понимаю, недавний скандал, связанный с вскрытием факта использования механического допинга на соревнованиях высокого уровня связан именно с таким устройством. Набор выпускается серийно уже несколько лет. Его можно официально купить (цена 2500 евро), название устройства: Vivax assist, подробности здесь. Подходит для любого велосипеда с внутренним диаметром подседельной трубы 31.6 мм. Единственная переделка велосипеда — два отверстия в подседельной трубе для закрепления мотора. На сайте производителя есть информация о том, что основные покупатели это любители в возрасте за 60, которые катают групповые тренировки в клубах и не хотят отставать на подъемах от молодежи. Не буду рассуждать здесь о том, что и как решается на подъемах. Для дальнейшего рассмотрения вполне достаточно информации в заметке: «Почему холмы снижают среднюю скорость«. Подчеркну только, что производитель считает, что максимальной мощности такого небольшого моторчика (200 ватт) вполне достаточно, чтобы поддерживать скорость именно на подъемах. Этим это устройство принципиально отличается от электровелосипеда, на котором можно ехать долго и быстро, не крутя педали вообще.

Для того, чтобы вывести такой моторчик из категории «механический допинг», нужно выкинуть аккумулятор и заменить его конденсатором. А заряжать конденсатор отбиранием энергии путем понижения скорости на спуске. Эта мысль сформулирована в выводах заметки «Почему холмы снижают среднюю скорость«.  Напомню, что там разобран пример велосипедиста, который по плоскому месту едет со скоростью 28 км/ч. При прохождении небольшого холма с такой же мощностью вкручивания, средняя скорость заметно падает. Единственный способ вернуть среднюю скорость к 28 км/ч, это ограничить скорость на спуске до 28 км/ч, а сохраненную энергию направить на увеличение скорости подъема до тех же 28 км/ч. Правда тогда будет не так как на рисунке, нужно, чтобы сначала велосипедист ехал с горки, а потом в горку. Сделать это можно только при помощи дополнительного приспособления потому что даже если велосипедист не будет на спуске крутить педали и запасать энергию внутри себя, все равно его скорость на спуске будет больше 28 км/ч.

Есть еще одно интересное следствие такого накопления энергии спуска.
Это нивелирование скорости подъема от веса велосипедиста. Пока рассуждать на эту тему не буду, но следствие очень интересное. У успешного велопрофи кости должны быть легкие («из карбона»). У меня, например, кости от природы тяжелые, причем существенно, килограмм на 15 больше. Это при прочих равных условиях дает преимущество на спуске, но в сумме минус, поскольку так устроена средняя скорость. А таким дополнительный устройством преимущество на спуске не растрачивалось бы впустую 🙂

В общем, возвращаясь к конкретике, разберу по блокам замечательный продукт Vivax assist с комментариями, как это можно использовать в идее под распространенным названием «рекуперация энергии».

Привод, длина 22 см, мощность 200 ватт, постоянно соединен через зубчатую передачу с осью вращения педалей. В редукторе есть фри-вил (free-wheel), правильное, но неиспользуемое название: «обгонная муфта», или трещотка, или бендикс и т.п. В общем, когда мотор не включен, то дополнительного сопротивления вращению педалей нет. При включении система добавляет до 200 ватт к мощности вращения педалей, оптимальный выход мощности по умолчанию установлен на каденсе 60 (частота вращения педалей в минуту) . При каденсе более 90 система отключается. Попытка прокачать через интернет, какой именно моторчик используется ничего не дала 🙂  Моторов на рынке с такими параметрами очень и очень много.  В принципе достаточно было обратить внимание огромное количество самых разных дронов, чтобы и не пытаться искать 🙂 Но узнал, что 200 ватт, это гипотетическая мощность, реальная определяется током, который может выдать батарея для требуемого крутящего момента. В отличии о моторов, которые работают от сети переменного тока, выдаваемая мощность моторов постоянного тока определяется батарей, поэтому, например, на шуруповертах мощность не указана.

Контроллер, который также помещается в подседельную трубу. У него функции программирования «рабочего» каденса, когда идет добавление мощности к педалированию и максимального каденса, когда поддержка прекращается. Кроме этого, поддерживается частота вращения, вне зависимости от нагрузки. На практике это приводит к добавлению бОльшей мощности, если усилия на педалях становятся меньше и наоборот.

Блок батарей. Показатели впечатляют. Li-Ion, напряжение 30 В, емкость 5,50 Ah, размеры 120x70x70 мм,  вес 850 г. Должно хватить на 70 минут работы. Есть и более мощная батарея, но остановимся на этой. Для начала вычислим примерную среднюю мощность двигателя. Как уже упоминал, максимальная мощность определяется батареей. Среднюю можно оценить из опубликованного времени работы, если перевести ампер-часы и напряжение в ватты и минуты. Получается 142 ватта. Это значение и будет использовать далее.
Судя по всему батарея это сборка из 8-и «банок» типа 32650 (т.е. диаметр 32 мм и длина 65 мм, напряжение на банке 3.7 В). Цена (отпускная с завода в Китае) примерно 5 долларов за банку.

Наконец, кнопка на руле. Короткое нажатие — включение и выключение мотора, нажатие пять секунд — запоминание предпочтительного каденса, нажатие 10 сек запоминание максимального каденса. Подчеркну еще раз, что вся система стоит примерно 2500 евро, с моей точки зрения очень прилично, больше, чем довольно дорогой велосипед. 

Но радует то, что исходные составные части решения стоят в сумме примерно в 10-20 раз меньше, поэтому для дальнейших фантазий можно отталкиваться от такого набора. Из него можно использовать сразу мотор с редуктором, контроллер и кнопку управления. Вместо аккумуляторной батареи нужно поставить батарею из конденсаторов. И еще придумать динамо-машину для зарядки конденсаторов во время спуска, причем с дополнительным рычагом управления. Скорее всего наиболее удобно совместить такой рычаг с рычагом тормоза. Первая половина хода для электрического торможения, вторая для обычного. Но сначала нужно разобраться с конденсаторами.

Суперконденсаторы на сегодняшний день имеют существенно меньшую удельную энергию (кол-во запасенной энергии не единицу веса), чем у литий-ионного аккумуляторов, примерно в 25 раз. Это означает, что прямая замена рассмотренной выше батареи весом 850 грамм приведет к блоку конденсаторов весом  в 20 кг. В 2006 году были анонсированы графеновые суперконденсаторы, их применение может дать выигрыш раз в пять, но все равно батарея весом 4 кг не подходит.

Ситуацию несколько выравнивает то, что в нашем случае не нужно сравнивать всю накопленную энергию в аккумуляторе и конденсаторе. Аккумулятор можно зарядить только перед поездкой. То есть, даже если не считать его «вредным допингом», для задачи выравнивания средней скорости он подходит пока не кончится заряд. Подзаряжать аккумулятор энергией, высвобождаемой из торможения на спусках бесполезно, поскольку он при зарядке берет энергию совсем по чуть-чуть, поэтому основная энергия уйдет в «песок», а не в аккумулятор. Конденсатор совсем другое дело, он заряжается, если не доводить до абсурда настолько быстро, насколько позволяет источник энергии. Но и берет энергии конденсатор только, сколько ему «дадут». В схеме выравнивания средней скорости источник энергии это торможение на спуске. То есть, если едешь с горки, например две минуты (это при скорости 25 км/ч примерно 800 метров), то система поможет заехать только в такую же горку (те же 800 метров с таким же перепадом), потом накопленная энергия кончится, даже если емкость конденсатора позволяет поддерживать намного бОльший подъем.

Поэтому для минимальной целесообразности системы можно считать, что накопленной в конденсаторе энергии должно быть достаточно, чтобы крутить моторчик с потребляемой мощностью 142 ватта (см выше) в течение пусть 5 мин. Вольтаж батареи конденсаторов возьмем примерно такой же, какая нужна для этого мотора, т.е. около 30 Вольт. Конечно еще необходима схема для поддержки напряжения, но это не проблема. Главное чтобы хватило запасенной энергии.

Численные прикидки для «первых попавшихся в сети» угольных суперконденсаторов Maxwell показывают, что нужна батарея из 10-и банок BCAP1200 P270, цена одной банки 45-75 долларов США. Размеры: диаметр 60 мм, длина 74 мм, вес 260 г. То есть батарея из 10-и банок будет стоить не менее 500 долларов, весить не менее 2.8 кг, а по размерам как 5 фляг. Если все-таки сравнивать с аккумуляторной батареей, то размер получается в 5 раз больше, вес в три раза больше, цена в 10 раз больше. Не вдохновляет 🙁

Прогресс идет. В рамках Maxwell, в тех же габаритах и весе можно уже приобрести более емкие конденсаторы, но все равно пока этого не достаточно. Нужно увеличение емкости конденсатора раз в пять при тех же габаритах и весе. То есть, как раз сколько обещают от графенового суперконденсатора. Да и стоимость не мешало бы сбросить. Пока в сети серийного графенового супеконденсатора не нашел. Названия такие встречаются, но судя по габаритам это не более, чем названия 🙁

---

добавлено 28.03.2017

По интернет-СМИ проскочил анонс суперконденсатора нового типа «Electric Double Layer Capasitor» (EDLC), что-то между конденсатором и аккумулятором от компании Spacelink. Параметры такие: Емкость 650 Фарад, вес 500 г, энергетическая плотность 58 Вт*ч/кг. У рассмотренного выше одного элемента Maxwell  2.7 Вольт характеристики такие: Емкость 1200 Фарад, вес 260 г, энергетическая плотность 4.7 Вт*ч/кг.

Сравнивать характеристики не очень просто, поскольку для Spacelink не указано номинальное напряжение. Но энергетическая плотность в 10 раз выше, этого хватит с запасом. Правда, т.к. это не «настоящий» конденсатор, а «продвинутый» аккумулятор, то возможно скорость заряда окажется не достаточной. Да и экземпляр, насколько понимаю далеко не серийный. Но прогресс идет 🙂

---

Таким образом, идею механического поддержания средней скорости велосипеда в холмистой местности придется отложить до серийного производства графеновых суперконденсаторов. Нужно, чтобы 3-х вольтовая банка на 1200 Фарад весила не более 80-и грамм (напомню, что сейчас 260 грамм). Странно конечно, что этого нет до сих пор, все-таки с анонса технологии прошло 10 лет. Кроме этого у нас был проект отечественного электромобиля на графеновых суперконденсаторах, который уже несколько лет как закрыт. Вполне возможно, что мало копал в интернете.

В принципе в сети в последние годы слегка обсуждается проблема рекуперации энергии торможения в автогонках под названием KERS (Kinetic Energy Recovery Systems) в которой также применяются суперконденсаторы. Интересно, что если сделать поиск по «KERS», то будут варианты и для велосипеда (некоторые довольно забавные на пружинах и маховиках) и даже для горных лыж. Так что, проблема обсуждается. А вообще задача неплохо проработана в трамваях и железной дороге. Там не нужно накапливать энергию торможения, достаточно просто отдать ее в сеть. В трамваях, насколько читал, даже нет системы механического торможения, только стояночный тормоз.

Допустим, что подходящий конденсатор все-таки есть.

Тогда из необходимых блоков остается еще динамо машина для зарядки конденсатора. Подчеркну еще раз, что конденсатор, это не аккумулятор, он заряжается быстро и любым током. Поэтому такая динамо машина может работать как тормоз (дополнительный, конечно). К сожалению, готовых наработок для велосипеда пока в сети не нашел. Но не думаю, что здесь могут быть технологические проблемы.

Конечно  более изящное технологическое решение это мотор-генератор, размещенный в заднем колесе, как на электровелосипедах. В зависимости от переключения режима либо он крутится от конденсатора, либо наоборот при кручении заряжает конденсатор.

Управление велосипедом с системой рекуперации энергии может быть либо ручным, на спуске зарядил конденсатор, на подъеме забрал энергию. Либо электронным, типа «умный велосипед». Тогда вообще можно ничего не заметить, кроме того, что велосипед хорошо катит в гору 🙂

Надо только немного подождать 🙂

---

Вадим Никитин

на начало страницы