בלימה רגנרטיבית

רכבות מדגם S7/8 של הרכבת התחתית של לונדון מסוגלות להחזיר עד 20% מצריכת האנרגיה שלהן חזרה לרשת.

בלימה רגנרטיבית היא שיטה לאיחזור אנרגיה המאטה כלי רכב או אובייקט נע על ידי המרת אנרגיה קינטית לצורה אחרת של אנרגיה, לרוב חשמלית, לצורך שימוש חוזר מיידי או מאוחסנת לשימוש עתידי.

בלימה רגנרטיבית נמצאת בשימוש רחב במכוניות ורכבות חשמליות.

בניגוד לבלמים קונבנציונליים מבוססי חיכוך, בהם נוצרת אנרגיית חום מבוזבזת ולא רצויה על ידי חיכוך הבלם ברכיב הנע, בלימה רגנרטיבית מאפשרת לנצל אנרגיה מהבלימה וגם להאריך משמעותית את חיי הבלמים עקב שימוש מופחת.

בנוסף למערכת הבלימה הרגנרטיבית, נעשה שימוש גם בבלמים רגילים על מנת לסייע לעצירה מוחלטת. נוסף על כך, בלמים רגילים הכרחיים לשם נעילת הגלגלים בעת חנייה.

עקרון פעולה

המרה לאנרגיה חשמלית

כשהוא פועל הפוך, הופך מנוע חשמלי לגנרטור, ולכן ימיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. לחיצה על דוושת הבלמים מנתקת את זרימת הזרם החשמלי מכיוון המצבר אל המנוע החשמלי, והמנוע מתחיל לעבוד בכיוון ההפוך, כגנרטור, כלומר הגלגלים מניעים את הרוטור שלו והוא מפיק חשמל שטוען את המצבר או מועבר חזרה לרשת במקרה של רכבת חשמלית. לפי חוק לֶנץ, המהווה ביטוי לחוק שימור האנרגיה, הזרם שמתפתח בגנרטור יוצר שדה מגנטי בכיוון הפוך לשדה המגנטי שיצר אותו, ובכך מאט את הרוטור, כלומר בולם את הרכב.

טויוטה פריוס דור שני. מכונית משפחתית פופולרית העושה שימוש בבלימה רגנרטיבית.

שיטה זו היא הנפוצה ביותר במכוניות חשמליות והיברידיות, אך שימוש בבלמים מבוססים חיכוך הכרחי לצורכי בטיחות, לעצירה מוחלטת ולמניעת דרדור בחנייה. כמו כן, רק הגלגלים המונעים על ידי מנוע חשמלי יכולים להיבלם דרכו, דהיינו במכוניות חשמליות ללא הנעה כפולה רק הגלגלים שמחוברים למנוע משתתפים בתהליך הבלימה הרגנרטיבית.

רכבת פרוורית X60 תוצרת אלסטום, בשירות רשות התחבורה הציבורית של סטוקהולם. הרכבת מצוידת במנוע חשמלי תלת פזי ומוזנת במתח עילי - האנרגיה הנוצרת בעת בלימה עוברת ישירות לרכבת אחרת באותו מקטע.

ברכבות חשמליות, האנרגיה המיוצרת במהלך הבלימה מוחזרת על פי רוב לרשת החשמל ורכבות אחרות באותו מקטע יכולות להשתמש באנרגיה זו באופן מיידי. במקרה פרטי נדיר האנרגיה המאוחזרת מבלימה רגנרטיבית כל כך גבוהה עד שהיא יכולה לספק חשמל מעל לצריכת הרכבת עצמה: מכרה הברזל הגדול ביותר בסקנדינביה נמצא בצפון שוודיה, בסמוך לעיר קירונה. תוצרת המחצב מועברת על ידי רכבת חשמלית לנמל נרוויק בנורווגיה. פער הגבהים בין הגבול השוודי/נורווגי לנמל, וכן משקלה העצום של הרכבת, גורם לכך שבלימתה הרגנרטיבית מסוגלת לייצר יותר חשמל מצריכת הרכבת במסעה חזרה לגבול השוודי בעודה ריקה וכן לייצר עודפים המועברים לרשת הכללית ומנוצל על ידי תושבי הסביבה.

תרמודינמיקה

כאשר מדובר במכונית חשמלית המחזירה את אנרגיית הבלימה למצבר, תהליך הבלימה הרגנרטיבית כולל שני שלבים: המנוע/גנרטור והמצבר.

האנרגיה הקינטית ההתחלתית (לפני הבלימה) מומרת תחילה לאנרגיה חשמלית על ידי הגנרטור ולאחר מכן מומרת לאנרגיה כימית על ידי המצבר.

ניתן לבטא את נצילות הגנרטור כך:

$\eta _{gen}={\frac {W_{out}}{W_{in}}}$

כאשר

• $W_{in}$ היא העבודה בגנרטור, דהיינו עבודת הרוטור.
• $W_{out}$ היא העבודה המיוצרת על ידי הגנרטור.

העבודה היחידה שמבוצעת בגנרטור מקורה באנרגיה הקינטית של כלי הרכב ואילו העבודה היחידה שמבצע הגנרטור היא אנרגיה חשמלית. כדי לבדוק כמה כוח מיוצר על ידי הגנרטור, נסדר את המשוואה:

$P_{gen}={\frac {\eta _{gen}m\upsilon ^{2}}{2\Delta t}}$

כאשר

• $\Delta t$ זמן הבלימה.
• $m$ מסת הרכב.
• $\upsilon$ המהירות ההתחלתית, לפני הבלימה.

ניתן לתאר את נצילות המצבר כך:

$\eta _{batt}={\frac {P_{out}}{P_{in}}}$

כאשר

• $P_{in}=P_{gen}$
• $P_{out}={\frac {W_{out}}{\Delta t}}$

עבודת הסוללה מייצגת את סך האנרגיה שנוצרה על ידי תהליך הבלימה הרגנרטיבית. אפשר לייצג זאת כך:

$W_{out}={\frac {\eta _{batt}\eta _{gen}m\upsilon ^{2}}{2}}$

המרה לאנרגיה מכנית

מערכת לאחזור אנרגיה קינטית מבוססת גלגל תנופה.

בשיטה זו, בעת בלימה, אנרגיית התנועה של כלי הרכב או האובייקט הנע מועברת בצורה מכנית לגלגל תנופה (Flywheel) לשימוש עתידי בעת האצה. ניתן לשמר את האנרגיה הנוצרת בבלימה כאנרגיה קינטית בגלגל תנופה או להמיר אותה לאנרגיה כימית בסוללת מתח גבוה. המרה שכזו דורשת מיישר זרם שכן הגנרטור מייצר זרם חילופין ואילו הסוללה יכולה לקבל זרם ישר.

שיטה זו נפוצה לרוב במכוניות מרוץ ובעיקר במכוניות פורמולה 1, שם הוצגה לראשונה בשנת 2006. עם זאת, שימוש בשיטה זו מתרחב גם לשוק הפרטי ואף לתחבורה הציבורית. בלונדון פועלים כ-500 אוטובוסים עם מערכת גלגל תנופה, המראים שיפור של כ-20% בצריכת הדלק.

גם רוכבי אופניים יכולים לנצל שיטה זו - במקום שימוש בבלם, אפשר להעביר הילוך לגלגל תנופה ולהחזיר את המומנט מגלגל התנופה במהלך האצה מחדש.

תרמודינמיקה

המתואר להלן מתייחס למערכת איחזור אנרגיה קינטית באמצעות גלגל תנופה - KERS (אנ').

האנרגיה של גלגל התנופה ניתנת לתיאור על ידי משוואת אנרגיה כללית זו, בהנחה שגלגל התנופה הוא המערכת:

$E_{in}-E_{out}=\Delta E_{system}$

כאשר

• $E_{in}$ האנרגיה המועברת לגלגל התנופה.
• $E_{out}$ האנרגיה המועברת מגלגל התנופה.
• $\Delta E_{system}$ השינוי באנרגיה של גלגל התנופה.

בהנחה שלא נעשה שינוי במהלך הבלימה באנתלפיה, לחץ או נפח של גלגל התנופה, רק האנרגיה הקינטית מובאת בחשבון. במהלך הבלימה, אנרגיה לא משתחררת מגלגל התנופה ואילו האנרגיה היחידה שמועברת אליו היא האנרגיה הקינטית ההתחלתית של כלי הרכב. ניתן לפשט משוואה זו כך:

${\frac {m\upsilon ^{2}}{2}}=\Delta E_{fly}$

כאשר

• $m$ מסת הרכב.
• $\upsilon$ המהירות ההתחלתית, לפני הבלימה.
• $\Delta E_{fly}$ השינוי באנרגיית גלגל התנופה.

גלגל התנופה אוצר אחוז מסוים מהאנרגיה הקינטית של כלי הרכב. אפשר לבטא חלק זה כנצילות, נסמנו - $\eta _{fly}$.

גלגל התנופה משמר את האנרגיה בצורה של אנרגיה קינטית סיבובית, ובניגוד לשיטות אחרות, אינו ממיר את האנרגיה הקינטית של הרכב לאנרגיה מצורה שונה, לכן שיטה זו יעילה יותר. עם זאת, כאשר כלי הרכב אינו בתנועה, אנרגיית גלגל התנופה אובדת לאיטה. עקב כך, האנרגיה הסופית שיכול לתת גלגל תנופה היא:

$KE_{fly}={\frac {\eta _{fly}m\upsilon ^{2}}{2}}$

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא בלימה רגנרטיבית בוויקישיתוף