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

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

　　早期的氣動發(fā)動機，都是采用了蒸汽機一樣的結(jié)構(gòu)，體積龐大，效率低下，并不能解決城市的交通問題，而一百多年以后的今天，空氣動力發(fā)動機有了長足的進步。發(fā)動機越發(fā)緊湊精致，效率也明顯升高，這讓人們動起了空氣動力汽車的腦筋來。

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

　　相比法國合 資企業(yè)，國內(nèi)企業(yè)要靠譜的多。在北京舉辦的第15屆科博會上，就出現(xiàn)了這么一款產(chǎn)品：空氣動力大巴。根據(jù)車輛官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，這款車型號應(yīng)該是祥天 A4-0001，功率可以達到240KW，時速為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個座位，整備質(zhì)量達 到16800kg。很多參觀者對這款車非常關(guān)注，工作人員也現(xiàn)場介紹了這款汽車的工作原理。

祥天空氣動力大巴

　　從目前已知的參數(shù)上來看，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)歷等溫過程時做功的能量是最多的(等溫膨脹)。因此儲罐中容器的壓縮空氣所包含的能量，與氣體釋放時的膨脹方式有關(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)，計算結(jié)果。如果排氣壓力為0.15MPa時，這個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計算)。

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

　 　這個計算結(jié)果讓我有點跌破眼鏡，針對兩百公里的續(xù)航要求，儲罐儲備的能量并沒有我想象的那么高。是不是我的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有問題了，除了儲罐壓力和排氣壓力 外，其他參數(shù)都是官方的參數(shù)，出問題的概率并不大。而且根據(jù)熱力學(xué)知識，可以知道儲罐壓力和排氣壓力的差值，決定著能量的大小，因此，我想再對數(shù)據(jù)進行進 一步的“審核”。根據(jù)發(fā)明專利《CN201310292631-壓縮空氣動力汽車》和實用新型專利《CN201320413749-壓縮空氣動力汽車》 (以下統(tǒng)稱“專利”)中公開的數(shù)據(jù)，汽車儲罐壓力在20~45MPa之間，優(yōu)選30MPa。出口壓力，按照《新聞聯(lián)播》中的說法，氣體會膨脹1224倍來 計算。看看這次的計算結(jié)果有什么變化。

　　儲罐儲存的能量，和儲罐壓力是正相關(guān)的。在壓力到達45MPa時，儲存能量達到640MJ左右，折合成電能約為180KWh。這個在極其理想的條件下計算得到的數(shù)字，也沒給我?guī)硖蟮捏@喜。

　　作為壓縮空氣動力系統(tǒng)，實際能真正獲得的能量比儲能量要小的多。

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

　 　第二，氣動發(fā)動機的功率，與發(fā)動機進出口的壓差正相關(guān)。若要氣動機工作(保證功率輸出時)，尤其當(dāng)汽車爬坡或者加速時，由于動力需求的上升，則需要氣動 機進出口有足夠的壓差。也就是說，儲罐內(nèi)氣體壓力不能完全使用完，當(dāng)壓力降低到一定水平時，就無法保證氣動發(fā)動機的動力輸出要求，這就給空氣動力汽車的續(xù) 航又打了一次折扣。

　　第三，根據(jù)熱力學(xué)原理，氣體減壓膨脹過程一般來說是個吸熱的過程，因此，這個環(huán)節(jié)當(dāng)中勢必會造成溫度的下降。從積 極 的意義上來看，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。但是實際應(yīng)用上看，這些冷量在應(yīng)用上來并不是那么方便。撇開 作為傳輸介質(zhì)的冷媒不論，在時間上，冷量產(chǎn)生的時候，并不一定是需要散熱的時候。反之，當(dāng)需要散熱的時候，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)，以備不時之需。或者也可以把冷量存儲，在需要的時候再使用。但是不論選擇哪 種方法，都會使系統(tǒng)更加復(fù)雜。復(fù)雜的系統(tǒng)可以帶來額外的功能，但是也會帶來額外的成本和額外的故障。帶來的益處有限，帶來的麻煩卻不少，如果1MPa減壓 到0.1MPa，可能帶來的會是幾十度的溫度下降，這意味著可能溫度會直接降到零下，可能會使管路結(jié)霜或凍結(jié)，造成換熱效率的下降甚至損壞。所以在此時， 加熱裝置是必要的，在專利中，也確實配備了加熱裝置。這個加熱裝置可以提高氣體的問題，增加膨脹時的做功輸出，但是也會額外帶來新能量損失，給空氣動力汽 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)。這意味著儲罐的儲能容量，與環(huán)境溫度息息相關(guān)。在25攝氏度的時候，假設(shè)氣瓶的壓 力是30MPa的話，那么在零下10度的時候，氣瓶壓力只有26.5MPa(按照理想氣體計算)，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 溫解決這個問題。

　　第五，作為發(fā)動機這樣的設(shè)備，它本身的效率是很有限的。氣瓶中壓縮空氣所蘊藏的能量，通過氣動發(fā)動機釋放的能量之 間， 會有非常大的能量損失。這可能是整個空氣動力系統(tǒng)中最大的能量損失項。它受到熱力學(xué)定律的限制，基本說是一個無法逾越的壁壘。雖然專利中所表述的，通過尾 氣壓力回收來提高系統(tǒng)的效率，但是回收所消耗的能量和回收的能量來比，是否有價值，還是值得探討的。

除上文所述外，空氣動力電池還有兩個重要的問題需要注意。

　 　首先，壓縮空氣從哪里來?？諝獾膲嚎s過程中，是非常耗能的過程。根據(jù)能量守恒定律，空氣壓縮消耗的能量一定會大于壓縮空氣本身的能量。一般來講，空氣壓 縮機的等熵效率無非也只有70~80%的水平。而且壓縮過程中，也有一定熱熱量損失了。從環(huán)保的角度來看，可能只是把污染做了轉(zhuǎn)移，并沒有解決污染問題。 尤其是由于轉(zhuǎn)換效率的問題，獲得相同能量時，可能會浪費更多的能源，造成更多的排放。

　　第二，還是老生常談的安全問題?！皩＠碑?dāng)中， 描 述空氣動力汽車的儲罐壓力在20~45MPa之間，這是個相當(dāng)高的數(shù)值。應(yīng)用于運動中的汽車當(dāng)中，一旦因為外力或其他因素造成破裂，后果是不堪設(shè)想的。另 外，這樣高的壓力系統(tǒng)，還處在一個顛簸、震動的環(huán)境當(dāng)中，密封的要求也很高。

　　作為未來技術(shù)的一個流派，空氣動力系統(tǒng)和儲能上的壓縮空氣師出同門。不同國家上百年的研究，空氣動力汽車也有不少的優(yōu)勢。比如基于空氣動力汽車的造價會比基于電能的新能源汽車更加有優(yōu)勢；在正常使用的過程下， 空 氣動力系統(tǒng)的壽命要高于電化學(xué)動力系統(tǒng)。在形式上，通過加壓縮空氣，也比充電要方便不少。這一切都說明空氣動力汽車還是有市場空間的。但是我認為一定要找 到一個合理的應(yīng)用場合，比如作為混合動力系統(tǒng)，或者是做一些特殊的應(yīng)用，比如清潔庫房內(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 為功率補充型的應(yīng)用，而不是基于儲能形式解決續(xù)航問題。這是因為壓縮空氣系統(tǒng)本身的密度并不太高(尤其是體積比能量)。在儲能上有一些案例，是以壓縮空氣 做成調(diào)峰單元應(yīng)用的。作為空氣動力汽車產(chǎn)品而言，我覺得還是應(yīng)該多試驗幾年，既要驗證技術(shù)，也要驗證是否可以滿足市場的要求。