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项目CICLAR：选择性废弃物收集的光、电动汽车

摘要：

为了应对石油储备量的日益匮乏和碳的排放对环境的负面影响，必须优先研究清洁技术和可再生能源。

项目Ciclar结合清洁技术与可持续发展创建选择性垃圾分类收集的环保机动车。不同于传统的巴西垃圾收集车，本文所述择性废物收集光、电动动力轻型车（ELC）完全由电和太阳能提供能量，从而确保零排放。

尽管ELC是电动的，该项目的一个主要关注点是生产一辆车，要尽可能的高效节能。通过采用电动马达，ELC相比于石油基燃料的发动机每公里的操作成本可降低约50％。

通过适当的基础设施建设，加油的车辆用电，而不是气体燃料不仅便宜，而且更方便，这最终将不仅鼓励而且可以缓解石油为燃料的车辆过渡到电动。

本文展示了如何尽可能建立一个低成本且环保的汽车。不仅解释了不同能源尤其是石油对环境的影响。同时比较了各种型号的电动马达和燃烧发动机以此评价其气体的排放和效率。

最后，本文比较了太阳能电池板和交流发动机的有效性。

引言：

本文的目的是为了阐明电动车如何带来经济和环境上的效益。更具体的来说巴西利亚大学的一项倡议即项目Ciclar，如何结合清洁技术与可续发展原则，创造一种选择性废物收集的环保型车辆。不同于巴西传统的垃圾收集车，电动轻型货运车辆（ELC）运行只运用电能和太阳能，以保证对环境可能造成的影响降到最低。

该ELC有54公里的操作自主，且平均运行速度为27公里/小时，有达到80公里/小时最高运行速度的能力。它将每日被运行2小时，并具有一个12 V控制器的135W的太阳能电池板。整个机载系统工作在12 V下，每一项都是采取确保低能耗的措施，包括LED远光灯，近光灯，刹车灯，转向灯和倒车灯。

车辆对环境的影响，不仅取决于它的效率，而且在它的能量来源。尽管电动车对环境的影响仍然存在。这种影响的大小取决于其获取电能的方法。本文介绍了水电能源，石油衍生燃料，汽油和柴油，煤炭，核能，天然气和太阳能的利弊。该车辆仅使用太阳能来满足其搭载的电子系统。六十四磷酸铁锂电池组成其充电马达的电池组。

能源比较：

为了确保该电动车辆确实是可行的和环保的，需要计算ELC对环境的影响，并与石油燃料的车辆相比较。要做到这一点，需要评估从能源开采到消费，计算水电站对环境的整体影响，石油衍生燃料（汽油和柴油），核能，和热能（煤和天然气）等每一项。

水力发电厂：

在巴西，水力发电厂提供近90％的电能。2011年，在巴西的巴拉那州伊泰普水电站，发电量92245539WMH，占巴西的能源16.99％和巴拉圭（伊泰普两国组织，2012）的72.92％。在巴西的其他地方主要的水力发电厂是贝卢蒙蒂，土库，伊通比亚拉和弗纳斯。 虽然水力发电厂都比较清洁，但是由于受淹地区植被的分解仍然会释放温室气体。这些环境的影响的指数是可以根据水力发电厂的输出（兆瓦）和洪泛区面积（公里2）计算出的。

表1显示了输出功率，区域内传播，以及每个电厂环境影响指数（伊泰普两国组织，2012），（巴西电力 弗纳斯，2010），（圣安娜＆林斯），（巴西电力 弗纳斯），（巴西电力 图库鲁伊）（巴西电力 伊通比亚拉）。

图1示出了在巴西五个主要水电厂的效率

现已做出的关于水电站污染的调查研究较少，在2000年，世界水坝委员会指责水力发电厂是温室气体排放的主要贡献者。据研究，水坝排放占所有人类排放的28％（世界水坝委员会，2000年）。巴西科技部在的另一个文件“巴西水电厂二氧化碳和甲烷的排放”呈现出类似的数据。文件表明土库每天排放出6515千克二氧化碳;然而，文档中说明结果仍然有不确定性。 2011年2月，SINTEF，斯堪的纳维亚的研究机构得出结论，在大坝的受影响地区生物消耗的二氧化碳比大坝排放二氧化碳的更多，证明以前的的调查研究结果无效。 (SINTEF)

水电厂的另一个消极方面是被淹地区流离失所的人口居住。这条河的阻隔，对周边地区的动物和植物的影响是不可逆的，并且威胁如蚁鵙属等几乎只存在于在巴西马德拉河的岛屿的物种生存。由于水电站在建成后对环境的影响不大，假定水电厂是清洁能源，且ELC消耗的是清洁能源。

热能（天然气）：

根据2011年巴西的能量平衡报告（米纳斯能源公司，2011年），1973年，天然气满足全球能源需求的16％。2008年，增长到21％。多在这35年间天然气产量增加了一倍，从6.115times;106吨当量的石油到12.267times;106吨当量石油。

尽管其是最清洁的化石燃料产生比煤少45％的CO 2和比石油少30％（西格勒，2012），但最大的问题在于，它是一种非可再生能源。替代能源必须能够提供不可再生能源现在提供能量的相同量。为了世界将不再依赖于化石燃料必须做出这样的巨大进步。

热能（煤炭）：

煤炭发电占全世界的总电能产量的40％（国际能源机构，2012）。同时产生相对廉价电力，在美国它也产生37％的CO2排放量，其余42％来自于从天然气25％来自于石油（U.S能源信息局，2011年）。

如果它是由煤炭能源提供燃料那么ELC是否会对环境产生积极的影响是不确定的，。如果在一个区域更换每一辆汽油和柴油的车辆，该区域将不再产生源自石油的温室气体。相反，它会要求更多的煤炭能源对车辆供能，尽管电动机的效率高，但是可能它会比汽油或柴油发动机产生更多的污染。

核能：

结果表明核能防止有毒气体和温室气体被排放到大气中（核能研究所，2012）。 2010年，美国产电量807亿千瓦时（世界核协会，2011年），防止了642060000公吨的二氧化碳，0.51万吨氮氧化物和1.45万吨的SO 2被排出到大气中。

根据世界核协会的调查核能的平均成本为每千瓦时0.0077$（世界核协会，2011年）。如果ELC是在能量源是核能国家或某一地区实施，在对电动马达的部分中所示的操作成本将会显著降低。

尽管核能似乎是化石燃料一个很好的替代，但过去的事件已经证明这是一个危险的选择。在2011年3月，日本福岛地震后，日本停用50座核电站（BBC，2012）。因此，德国将于2022之前关闭所有核电厂（BBC，2011）。核电站建设的风险似乎并不值得参与其中。

石油衍生燃料：

按照美国经济普查，2002年美国组成了96万辆的垃圾车车队。

平均每辆垃圾车这每加仑柴油公升行驶2.8英里相当于102英里每公升。据新西兰交通运输局调查，二氧化碳排放量（克每公里）可使用公式1计算（新西兰交通运输局，无日期）：

公式1：

L/100km x 26.050 = grams of CO 2 /km

代值：

83.34L/100km x 26.050 = 21.71CO 2 grams/km

假设一辆卡车行每天行进54公里并使用45升柴油则每公里它耗资US $1.09，平均每天排出1172.34克的CO 2，或427,904.1公斤的CO2，共365天。同期操作车辆将耗资$17,903.25。

为了方便起见，假设10万的垃圾车车队每一年的运行将排出42790410000千克二氧化碳。则推动10万辆的年成本为$1,790,325,000（R $3,622,722,637.5）。

方程2可以用以计算以汽油为燃料的车辆二氧化碳排放量（新西兰交通运输局）

方程2：

L/100 km x 22.847 = grams of CO2/km

假设平均车辆的每公升行驶13公里：

8/100 * 22.847 = 1.82 grams of CO 2 /km

在下面的图考虑石油价格的上涨，估计在不久的将来该运行的成本将更高。

图2：石油价格的比较

比较柴油发动机和电动电机：

柴油发动机：

柴油内燃机是4冲程。第一个行程是空气进入气缸。第二个行程是空气以20：1的比例压缩。第三个行程是汽化的燃料进入气缸自燃使气体膨胀。在最后一个行程中气体离开气缸。图3示出了每个阶段的特征。

图3：柴油机的能量循环

柴油发动机比汽油发动机更便宜且更高效。柴油的效率范围从30％到38％相比较汽油的效率范围是22％至30％。虽然柴油发动机更有效率，但它的污染比在汽油发动机之上， 解释如下面所示。

由柴油燃烧产生的污染气体：

bull;CO：由碳基燃料的不完全燃烧产生的一种无色，无臭，无味，有毒气体。如果很长一段时间吸入，可能会引发瘫痪，脑损伤和死亡。

bull;NO：在化学反应中使用的气体。在氧的存在下，它可以产生NO2。

bull;NO2：有毒的，红褐色，有强烈气味的气体对肺有刺激性。持续吸入可引起呼吸问题。

bull;碳氢化合物：加入柴油中的特殊气味，可引起头痛，头晕和窒息。

bull;PM /吸烟：导致癌症和心肺疾病。

柴油发动机的另一个特征是由柴油燃烧产生的声音。它产生振动损坏发动机，缩短其使用寿命（庄信万丰，2009）。此外，解决一个问题通常会产生另一个问题。例如，为了使柴油发动机更省油，氨被添加到燃料中但更多的有毒气体排放到大气中。

汽油发动机：

汽油发动机比柴油机效率要低得多，约从22％至30％。了解石油衍生燃料的需求，价格，和由燃料的燃烧排出的污染物的不断增长，可以清楚为什么石油不应是现今燃料的主要来源。

图5：自1920年以来天然气的价格

下面是由气体汽油的燃烧过程中产生的：

bull;一氧化碳（CO）：导致瘫痪和脑损伤。

bull;氮氧化物（NO和NO 2）：NO 2的特异性是刺激肺并导致呼吸问题。

bull;未燃烧的碳氢化合物：臭氧的主要来源。臭氧是对所有生命有益的，因为它吸收平流层中的紫外线。另一方面，它对植物有害的并且吸入它可能对引起人类肺部问题。这是存在于大城市的一个问题，因其空气中的臭氧浓度可能达到危险水平。

电动机：

电动机从内燃机的不同第一个区别就是效率。在95％的效率中（5％是输给了热量，噪音和其他次要原因）电动机是公认的最可靠的机器之一。零排放和仅以电力驱动，这是比石油更便宜的，电动马达的运输未来。图（4）示出了现有不同类型的电动机：

图4：电动机的不同类型

下面的计算表明电动马达比柴油更加节能。

柴油和电能之间的成本比较

基于在巴西利亚大学的达西·里贝罗校园车辆将前进的距离的优化路线计算。

在大学里的每一个废物容器具有850升的体积，平均重量70.6千克。因此根据各种需要，整个星期排空采取四个不同的路线。

表2：路由

考虑车辆的最大容量，它每周工作六天，并且建立了两个日常路线满足大学的需求。

表3：收集日程安排

根据上述数据和驾驶员和乘客的安全，并考虑在最终采取路线上的误差，ELC的设计目标是要承受最坏的情况;。因此，接下来的计算假定为54公里的路线。

假设一辆卡车行驶每天54公里，每月行驶1,297.4公里（26工作日）。平均而言它每天排出667克的CO 2，或每月17.342千克的co2，根据公式（1）[25]。

行驶1.2公里/ L柴油的费用为US $1.09/ L（每加仑2.8英里），以柴油为燃料的垃圾车的每月费用方程式3所示：

公式3：

(km/month) divide; (km/L) * (price of diesel $/L) = (US$/month)

1297.4 divide; 1.2 * 1.09 = US$ (1178.47)/month

该ELC使用3.2V，6450Ah的电池。它消耗7.168千瓦时[7]且可行驶54.06公里（由于布线，电池和电动机效率考虑30％的损失）。

操作ELC的费用由电池的使用，消耗的能量，每月运行天数，和电的成本（$0.2巴西利亚/千瓦时）相乘计算。

公式4：

(Battery usage %)*(kWh)*(days in month)*($/kWh)=$/month

0.7 * 7.168 * 26 * 0.2 = US$26.09/month

比较研究发电机，太阳能电池板和再生制动

发电机

发电机通常安装在内燃机汽车且提供能量到电组件。提供这种能量的缺点是，它利用来自发动机的动力。它以同步电动机产生交流电流，并利用整流二极管（以产生持续电流）。

交流发电机的旋转产生磁场，这使得定子与它同步地旋转。定子的绕组则连接到整流二极管，它转换交替张力为连续张力。然后，控制器调节输出电压，并将所产生的能量发送到车

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