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《新聞聯播》等報道。 產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，該企業還曾以此進行集資，但遭到反傳銷網等機構的批評，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，最早可以追溯到 1820年。當時主要設想是類似有軌電車的設計，軌道沿途鋪設高壓氣管，給發動機提供高壓空氣，驅動車輛在軌道上行駛，當時還有一個名字，叫 “Pneumatic Railway”。但是由于當年的技術條件所限，這種機車并沒有真正生產出來，直到70年后，基于壓縮空氣的發動機車，開始陸續上市并投入使用。
早期的氣動發動機，都是采用了蒸汽機一樣的結構，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，空氣動力發動機有了長足的進步。發動機越發緊湊精致，效率也明顯升高，這讓人們動起了空氣動力汽車的腦筋來。
空氣動力汽車發展了一百多年，諸如美國、法國、韓國都開發出了自己的產品。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%，如果在城鎮駕駛，費用可以降低到80%。由于空氣動力系統的成本優勢，該車將比現有的混合動力汽車便 宜大約1500美元左右。這篇報道發布在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消息。
相比法國合 資企業，國內企業要靠譜的多。在北京舉辦的第15屆科博會上，就出現了這么一款產品：空氣動力大巴。根據車輛官網的數據，這款車型號應該是祥天 A4-0001，功率可以達到240KW，時速為140km/h，續航里程為200km，排量為6L。整車配備了6速的變速箱，有53個座位，整備質量達 到16800kg。很多參觀者對這款車非常關注，工作人員也現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。
根據熱力學定律，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，其具體數值的大小，應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。我們根據上述結論，帶入相關數據，計算結果。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：絕熱系數按照1.4計算)。
計算結果可以理解為氣體膨脹做功最多不超過318MJ，這個計算結果不大直觀，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。
這個計算結果讓我有點跌破眼鏡，針對兩百公里的續航要求，儲罐儲備的能量并沒有我想象的那么高。是不是我的基礎數據有問題了，除了儲罐壓力和排氣壓力 外，其他參數都是官方的參數，出問題的概率并不大。而且根據熱力學知識，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，我想再對數據進行進 一步的“審核”。根據發明專利《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》 (以下統稱“專利”)中公開的數據，汽車儲罐壓力在20~45MPa之間，優選30MPa。出口壓力，按照《新聞聯播》中的說法，氣體會膨脹1224倍來 計算。看看這次的計算結果有什么變化。
儲罐儲存的能量，和儲罐壓力是正相關的。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字，也沒給我帶來太大的驚喜。
作為壓縮空氣動力系統，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之間的某一個數值。
第二，氣動發動機的功率，與發動機進出口的壓差正相關。若要氣動機工作(保證功率輸出時)，尤其當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，儲罐內氣體壓力不能完全使用完，當壓力降低到一定水平時，就無法保證氣動發動機的動力輸出要求，這就給空氣動力汽車的續 航又打了一次折扣。
第三，根據熱力學原理，氣體減壓膨脹過程一般來說是個吸熱的過程，因此，這個環節當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的降溫，讓系統效率更高。但是實際應用上看，這些冷量在應用上來并不是那么方便。撇開 作為傳輸介質的冷媒不論，在時間上，冷量產生的時候，并不一定是需要散熱的時候。反之，當需要散熱的時候，也不一定有足夠冷量可以用。因此，當使用這部分 氣體膨脹做功所產生的冷量的時候，為系統穩定，至少還需要額外的一套冷卻系統，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，都會使系統更加復雜。復雜的系統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，可能會使管路結霜或凍結，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 車的續航再一次打了折扣。
第四，根據氣體的熱力學特性，在等容條件下，氣體的壓力與溫度正相關。這意味著儲罐的儲能容量，與環境溫度息息相關。在25攝氏度的時候，假設氣瓶的壓 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。當然，可以做保 溫解決這個問題。
第五，作為發動機這樣的設備，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中最大的能量損失項。它受到熱力學定律的限制，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。空氣的壓縮過程中，是非常耗能的過程。根據能量守恒定律，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。從環保的角度來看，可能只是把污染做了轉移，并沒有解決污染問題。 尤其是由于轉換效率的問題，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。“專利”當中， 描 述空氣動力汽車的儲罐壓力在20~45MPa之間，這是個相當高的數值。應用于運動中的汽車當中，一旦因為外力或其他因素造成破裂，后果是不堪設想的。另 外，這樣高的壓力系統，還處在一個顛簸、震動的環境當中，密封的要求也很高。
作為未來技術的一個流派，空氣動力系統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勢；在正常使用的過程下， 空 氣動力系統的壽命要高于電化學動力系統。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 到一個合理的應用場合，比如作為混合動力系統，或者是做一些特殊的應用，比如清潔庫房內的叉車，或者是用于短途的低速車輛。從應用方式上看，我更傾向于作 為功率補充型的應用，而不是基于儲能形式解決續航問題。這是因為壓縮空氣系統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 做成調峰單元應用的。作為空氣動力汽車產品而言，我覺得還是應該多試驗幾年，既要驗證技術，也要驗證是否可以滿足市場的要求。