بازیابی انرژی جنبشی (KERS) به روش «William F1»

پدال/ ايدهٔ بازيابي انرژي جنبشي خودروها به هنگام ترمز کردن و کاهش سرعت به بسيار قبل بازمي‌گردد. تلاش‌ها بر روي اين مسئله منجر به طراحي سيستمي به نام kers يا kinetic energy recovery system شد که امروزه با توجه به گسترش خودروهاي هيبريدي و افزايش توجه خودروسازان و طرفداران خودرو به بازدهي و مصرف سوخت خودروها، رواج زيادي يافته است. به‌طوري‌که در هر سه خودرو معروف هيبريدي مک لارن p1, پورشه 918, لافراري و اکثر خودروهاي فرمول 1 مي‌توان آن را يافت. ايدهٔ طراحي اين سيستم بسيار ساده است. يک موتور/ژنراتور الکتريکي متصل به سيستم انتقال قدرت در کنار جعبه‌دنده تعبيه شده است. اين سيستم در حالت عادي تأثيري بر عملکرد خودرو ندارد تا هنگامي‌که راننده ترمز مي‌کند. در هنگام ترمز کردن، سيستم به‌صورت ژنراتوري شروع به کار مي‌کند و با کاهش دادن سرعت خودرو، انرژي جنبش خودرو را به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کند که اين انرژي در باتري مخصوص سيستم kers ذخيره مي‌شود. در هنگام نياز، راننده با فشار دادن دکمه مخصوص و يا در بعضي خودروها به‌صورت اتوماتيک، سيستم در حالت موتوري قرار مي‌گيرد و با استفاده از انرژي‌اي که قبلاً در باتري‌ها ذخيره کرده بود قدرت بيشتري را براي خودرو فراهم مي‌کند و انرژي ذخيره شده در باتري را دوباره به انرژي جنبشي خودرو تبديل مي‌کند. ورود تکنولوژي KERS به دنياي هايپرکارهاي خياباني اين سيستم در چندين سال اخير مورد توجه تيم‌هاي فرمول 1 قرار گرفت. براي آن‌ها بزرگ‌ترين مشکل عدم توانايي باتري‌هاي معمول در دريافت انرژي توليد شده هنگام ترمز و بازپس دهي آن به هنگام شتاب گيري در مدت‌زمان کوتاه (ظرفيت توان پايين) بوده است. به‌طور مثال اين خودروها در مدت‌زمان کمتر از 3 ثانيه از سرعت 300 کيلومتر بر ساعت به صفر مي‌رسند که باتري‌ها توانايي دريافت اين مقدار انرژي را در اين مدت‌زمان کم ندارند و از طرفي هنگام شتاب گيري اين سيستم کل انرژي خود را بايد در مدت‌زمان حداکثر 6 ثانيه به موتور الکتريکي متصل به جعبه‌دنده تحويل دهد تا خودرو بتواند بيشترين قدرت ممکن را اضافه بر موتور اصلي خود دريافت کند-که اين امر مهم‌ترين امتياز اين سيستم براي خودروهاي فرمول 1 است- و اين نيز براي باتري‌هاي معمول ناممکن است. تيم تحقيقات هيبريدي ويليامز F1 به دنبال پيدا کردن جايگزيني براي باتري‌ها به سراغ ايدهٔ قديمي ذخيرهٔ انرژي به‌صورت مکانيکي يعني فلايويل رفتند و با اعمال تغييراتي که موجب عملکرد بهتر آن شد، استفاده از آن را عملي ساختند. اين سيستم مانند ساير سيستم‌هاي kers از يک موتور/ژنراتور متصل به سيستم انتقال قدرت و يک واحد کنترل الکترونيکي براي مديريت و زمان‌بندي انتقال انرژي به سيستم تشکيل شده است. تفاوت اين سيستم در اين است که به‌جاي ذخيرهٔ انرژي در يک باتري يا ابرخازن از يک فلايويل چرخان استفاده مي‌کند. ايدهٔ عملکرد اين سيستم بسيار ساده است، اما ساخت آن به گونه کارآمد خيلي آسان نيست. اين سيستم علاوه بر موتور متصل به جعبه‌دنده داراي يک موتور ژنراتور ديگر متصل به فلايويل براي تحويل و بازپس‌گيري انرژي است. براي رسيدن به بهترين بازدهي و عملکردي اين فلايويل بايد در حد ممکن سبک باشد و در عين حال ظرفيت انرژي آن کاسته نشود که نتيجهٔ آن رساندن سرعت دوران به مقداري بين 50 تا 100 هزار دور در دقيقه است. در چنين سرعتي اصطکاک هوا گرماي نامطلوبي را در پي دارد که باعث اتلاف انرژي مي‌شود. براي مقابله با اين مشکل فلايويل را در محفظه خلأ قرار مي‌دهند، اينجاست که سؤال بعدي مطرح مي‌شود. چه طور بدون از بين رفتن خلأ محفظه با آن تبادل انرژي داشت. در جواب اين مشکل طراحان سازنده تصميم مي‌گيرند تا موتور الکتريکي متصل به آن را نيز در درون محفظه خلأ قرار دهند و در نهايت محفظهٔ خلأ، موتور و فلايويل مانند يک سيستم يکپارچه شوند. يک استاتور در لايه خارجي سيستم سوار شده است و توسط روغن خنک مي‌شود تا گرماهاي توليد شده به علت تلفات جريان گردابي را از بين ببرد. فلايويل نيز از مواد کامپوزيتي مغناطيسي تشکيل شده است. براي تحمل فشارهاي وارده به آن در سرعت‌هاي بالا بايد در ساخت آن از فيبرها استفاده شود و با توجه به اينکه براي حرکت دادن موتور، بايد داراي خاصيت مغناطيسي باشد در فرآيند ساخت آن به فيبرها ذرات فلزي تزريق شده است که به آن اجازه مي‌دهد به يک آهن‌رباي دائمي تبديل شود. يک‌تکه بودن فلايويل در اين سيستم در مقابل فلايويل هاي داراي تکه‌هاي جداگانه مزاياي زيادي به آن داده است از جمله قابليت تحمل سرعت‌هاي دوراني بالاتر و کاهش تلفات eddy هنگام انتقال انرژي. بدنه خارجي آن را، براي هر چه سبک‌تر شدن از آلومينيوم ساخته‌اند و از فايبرگلاس براي تقويت آن استفاده کرده‌اند. Foley -مهندس و طراح اين سيستم براي ويليامز- سيستم خود را يک جانشين آشکار براي باتري‌ها و ابرخازنها مي‌داند که مي‌تواند به سادگي باتري‌هاي kers هاي معمول نصب شود و مانند آن‌ها در هر قسمتي از خودرو که فضاي کافي وجود دارد قرار بگيرد. به نظر او بيشتري کارايي اين دستگاه در خودروهاي مسابقه است. او مي‌گويد باتري‌ها داري ظرفيت انرژي و قدرت خوبي هستند اگر بخواهيد در کل روز از خودرو خود استفاده کنيد اما در مسابقات که شما نيازمند انتقال انرژي در کمترين زمان ممکن هستيد، ظرفيت آن‌ها بسيار ناچيز است. همچنين باتري‌ها عمر مفيد کوتاهي دارند و استفادهٔ مداوم از آن‌ها باعث افت بازدهي آن‌ها مي‌شود. ابرخازنها ظرفيت قدرت (انتقال انرژي) خوبي دارند اما ظرفيت ذخيرهٔ انرژي آن‌ها ناچيز است. به‌طور مثال معادل ظرفيت ذخيرهٔ انرژي فلايويل که 40 کيلوگرم وزن دارد، سيستمي معادل 150 کيلوگرم از خازن‌ها را نيازمند است.