Maximising Regenerative Energy Return from Dynamo-Motor Traction Drives in Solar PV-Powered Electric Vehicles for Long-Haul Operation with Strong Stability

大型輸送のよりクリーンな未来への道のりは、困難なパラドックスによって阻まれています。すなわち、電気トラックは重い荷物を長距離にわたって運ぶために巨大なバッテリーを必要としますが、それらのバッテリーは積載量を減少させる重量を加算してしまうという点です。これを解決するために、エンジニアたちは車両と共に移動する2つの無料のエネルギー源に着目しています。それは、屋根上のソーラーパネルによって捉えられる太陽光と、車両が減速したり下り坂を下ったりする際に回収できる、トラック自身の運動エネルギーです。この動きを回収するプロセスは回生ブレーキと呼ばれます。これは、電気モーターを逆回転させることで機能します。つまり、車輪を押し出すのではなく、車輪がモーターを押し、車両の勢いを再び電気に変えてバッテリーに蓄える仕組みです。その考え方は単純で魅力的なものです。もしトラックが、自らの無駄になったエネルギーと太陽光を十分に捉えることができれば、最終的には充電することなく永遠に走り続けることができるかもしれないというものです。

しかし、物理学の法則は、どれだけのエネルギーを節約できるかに厳格な制限を課しています。エネルギーが形態を変えるたび（バッテリーから車輪へ、あるいは車輪からバッテリーへ）、わずかな量が熱として失われます。これらの避けられない損失があるため、機械が単にバッテリーからエネルギーを取り出し、それを使って移動し、その後、全く同じ量のエネルギーをバッテリーに戻すということは不可能です。計算を成立させるためには、そのギャップを埋めるための外部からのエネルギー源が必要です。ここで、貨物輸送の未来にとって極めて重要な問いが生じます。太陽光発電と回生ブレーキの組み合わせによって、トラックが使用するエネルギーのうち、実際にどれだけの量をバッテリーに戻すことができるのでしょうか？ アトランティック・インターナショナル・ユニバーシティの研究者らによる新しい研究は、この正確な問いを調査しており、希望に満ちた主張を超えて、物理的に何が可能かを支配する確かな数値を導き出しています。

研究者たちは、アラブ首長国連邦の起伏の多いルートを450キロメートル走行するように設計された、重量3,500キログラムの大型電気トラックの詳細なコンピュータモデルを構築しました。彼らはこの仮想のトラックに、屋根の面積12.4平方メートルを覆うソーラーアレイと、駆動および発電の両方の役割を果たせる強力な電気モーターを装備させました。チームはその後、丸一日の走行をシミュレートし、トラックが前進するためにバッテリーから消費したすべてのジュールと、バッテリーに戻すことができたすべてのジュールを追跡しました。その結果、トラックは確かにエネルギーを回収できるものの、その量は消費したエネルギーよりもはるかに少ないことが判明しました。450キロメートルの行程において、空気抵抗、転がり摩擦、および丘陵地帯を克服するために、トラックは146.8キロワット時のエネルギーを必要としました。ソーラーパネルは14.4キロワット時を寄与し、下り坂や制動中にエネルギーを回収した回生ブレーキシステムは、わずか8.3キロワット時を返しました。

研究者たちが太陽光と回生による寄与を合算すると、トラックは使用したエネルギーのわずか15.5パーセントを回収したことになります。これは、トラックが100単位のエネルギーを消費するごとに、戻ってくるのは約15単位に過ぎないことを意味します。この研究は、ドライブシャフトに接続されたモーターが、自らのエネルギーを循環させることで車両を永久に維持できるという、一般的ではあるが物理的に不可能な概念を明確に否定しています。研究者たちは、もしモーターが一定の速度で巡航している間に電力を生成しようとすれば、実際にはメインモーターをより激しく働かせることになり、発電機がない場合よりもバッテリーを早く消耗させることを実証しました。再生は、ブレーキによって熱として無駄になるはずのエネルギーを放出しているとき、例えば下り坂を下っているときなどにのみ機能します。それでも、システムは完璧ではありません。ギア、モーター、およびバッテリー充電プロセスにおける損失により、車輪で捉えられたエネルギーのうち、バッテリーに戻るのは約75パーセントに過ぎません。

回収率の低さにもかかわらず、これらのシステムが無用であるという結果ではありませんでした。ソーラーパネルと回生ブレーキがなければ、トラックは目的地に到着するまでにバッテリーがほぼ空になり、バッテリーの長期的な健康を損なうレベルまで低下していたでしょう。回収システムが作動していることで、トラックは安全かつ運用可能なレベルの充電量を保持したまま目的地に到着できました。太陽光発電とエネルギー回収の組み合わせにより、トラックが1キロメートル走行するために必要な総エネルギーは10.4パーセント削減されました。この小さな改善こそが、途中で充電停止しなければ完了できなかった旅を、一度の走行で完結できる旅へと変えたのです。

研究はまた、トラックの電力システムの電気的安定性についても調査しました。電気モーターは速度を維持するために一定量の電力を引き込むため、重い負荷が送電線の瞬きや停電を引き起こすのと同様に、電気回路に危険な不安定性を生じさせることがあります。研究者たちは、特別な制御システムがない場合、モーターがフル稼働しているときにトラックの電気ネットワークが不安定になり、故障する可能性があることを発見しました。そこで、「仮想ダンピング機構」――電気のショックアブソーバーのように機能するソフトウェア内の数学的な調整――を追加することで、システムを安定させ、制御を失うことなくあらゆる走行条件に対応できるようにしました。

最後に、研究者たちは、トラックが完全なエネルギー中立（投入したエネルギーと回収したエネルギーが等しくなる状態）を達成するためには何が必要かを問い直しました。彼らの計算によれば、それは理論的には可能ですが、商業用トラックとしては実用的ではない条件下でのみ実現します。現在のソーラーパネルのサイズでこのバランスに達するには、トラックは時速わずか10.8キロメートルの這うような速度で走行しなければならず、長距離輸送を数日間の旅に変えてしまいます。あるいは、高速道路の通常の速度である時速80キロメートルで走行する場合、トラックは実際の車両の7倍以上となる91平方メートルのソーラー屋根を必要とします。研究は、自立走行する電気トラックは長距離貨物輸送における現実的な目標ではないものの、太陽光発電と回生ブレーキの組み合わせは、極めて重要な実世界での利益をもたらすと結論付けています。それは、走行範囲を延ばして中間充電なしでの長距離走行を可能にし、理論上の不可能を実用的な工学的成果へと変えるのです。