抗冰—2025電動車時代不可忽視的問題

 

刊登日期:2021/10/18
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張獻仁
 
2020到2021已連續2年出現百年難見的多起極端氣候,北極圈飆破-50℃的頻率將會更多。極地渦旋(Polar Vortex)從極地擺動到亞熱帶地區的機率可能更高。以往在極地才需要的抗結冰,有可能在台灣會發生,交通工具抗結冰的需求將越加強烈。未來有可能被難以捉摸的風雪所累積的冰層厚到不透光,使駕駛者看不到車外狀況而困在路上。也許電動車(EV)的自駕系統能解圍,不過,如果攝像鏡頭也被冰封了,還能自駕嗎?
 
前言
當連續下雪的時間越長,就表示持續行駛中的車輛越有機會經歷全面冰封的危機。當燈光照不出去,擋風玻璃生成一片皚皚白雪難以褪去時,駕駛將因無法辨識而難以駕駛。以往只有卡車、巴士才會遇到的場景,隨著生活圈的擴大,1小時以上的車程可能成為司空見慣的事。雪好清、冰難除,抗結冰才是較能適應極端氣候的方便。目前抗結冰的理念與材料尚未廣泛被應用,是值得預先佈局的區塊。
 
現況與預期危機
雪中行駛是在高緯度國家的卡車司機長途駕駛的惡夢,加熱融冰是直覺可行的方法。當大自然因人為破壞而異常反撲時災難就發生了。如3天狂下一年的降雨量,這種異常的現象未來可能頻繁發生。可以預期極地渦旋經亞熱帶地區將成為常態。當環境的冷卻能力遠大於物體的發熱能力時,加熱除冰是越除冰越多。市面上標榜的除冰功能將可能失效或產生反效果。
 
極端的氣候下,雲層急速降溫成冰雪團,由於冰雪團更為混雜,會像爛泥般的黏在交通工具上難以清除,以致阻礙駕駛者視野和照明燈的光線,而造成駕駛危機。如果擋風玻璃或照明車燈有自清塗裝(Self-clean Coating),使冰雪難以附著,或微量附著就被重力、風力剝離,將是預防冰霜雨雪的最佳防護材料。相信也是車輛、飛行器製造商下一階段必須解決的問題。
 
冰雪對交通工具的影響
大氣由氮氧及微量氣體形成的乾空氣(Dry Air)及水氣(Vaper)構成。水氣是氣態水分子,由水和冰蒸發昇華而成。乾空氣的質量和壓力比水氣大,因此冰水氣化量有極限,稱飽和蒸氣(Saturated Vaper),即相對濕度(Relative Humidity) 100%。此溫度壓力也稱露點(Dew Point)或霜點(Frost Point)。再降溫就會結出液滴或冰晶。當溫度繼續降低,就會凝聚成大分子的雨或冰。
 
在高空形成的液滴、冰晶稱雲,雲會與碳氧化物(COX)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOX)結合,會吸附懸浮微粒(Particulate Matter; PM)混合成氣膠(Aerosol) (粒徑0.01-10μm)。靠近地表形成的液滴、冰晶稱為霧。氣膠的形成大小不一,衝量(Impact)動量(Momentum)有別,軟硬各異,對行駛中的陸海空交通工具造成不同程度的影響。說明如下。
1. 雨冰 (Rain Ice)
海平面溼熱的上升氣流(低氣壓)與高空乾冷的下壓氣流(冷高壓)相會進行熱交換,使雲的密度增加溫度降低。氣膠凝結體較大的冰晶稱之雨冰(呈液滴狀稱雨),呈透明玻璃狀(Clear Glassy),質量、衝量、動量都大,對高速行駛的交通工具會構成嚴重的安全影響,尤其是航空器。
2. 清冰 (Clear Ice)
清冰通常發生在氣膠的溫度介於0℃~-18℃間,降溫到-25℃凝結成的冰晶。呈半透明狀(Translucent)。對高速行駛的交通工具構成中度的安全影響。
3. 冰霜(Rime Ice)
冰霜通常發生在氣膠溫度介於0℃~-40℃間發生的低於露點/霜點溫度的結冰/結霜混合體。呈灰白色(Greyish-White)。對行駛的交通工具構成中低程度的影響。由於附著性增強,能吸附雨冰、清冰凝結成較大冰團,造成較大的影響。
4. 白霜(Hoar Frost)
是濕空氣溫度直接降到霜點以下形成的冰晶,呈低透明狀。分子小、質量輕,屬低度的安全影響。雨刷就能清除。
 
除冰方式
常用的除冰方式有機械除冰、加熱除冰、抗凍除冰、剝離除冰等,對於有視野清晰需求的,如擋風玻璃、照明燈、後視鏡等,常用親水性鍍膜或加熱防霧。但遇到大風雪超過除冰能力時,加熱除冰可能有反效果(冰層更厚)。因為熱融的冰水層是導熱更好的導熱介質,能吸附更多的雪結成厚冰,就像冰箱沒關好會凝聚厚厚的冰層一樣。對於耗電錙銖必較的電動車來說,更不希望有耗能大的加熱除冰,只希望用疏水性鍍膜或低耗電的機械除冰方式降低冰雪附著量。
 
難以想像的積雪點燈照明
頭燈的強烈光束被冰雪覆蓋時只能透出微光(圖一、二),失去了照明的效果。如果在昏暗天候中行駛,能見度將大幅降低。交通工具的設計有操作環境限制,如汽車公路安全行駛的環境溫度下限為-30℃。對於Off Road的行駛能力就要看車輛的功能,以車燈點燈行駛的狀況而定。圖三的卡車頭燈用導熱較差的PC Lens,經點燈行駛後已累積一定程度的冰層,遠光燈與近光燈發熱區的融冰吸收更多的雪累積成兩團微凸的厚冰。圖四的玻璃燈殼導熱較好,燈殼面更熱,融雪更多使冰層更厚,整體積雪厚度更甚於PC Lens。當車燈自體發熱大於環境冰凍能力時,發熱的燈殼有助於除冰;如果行駛的天候是相反的,就要考慮用抗結冰對應。
 
圖一、風雪覆蓋的點燈(左圖);圖二、覆雪/除冰的燈光比對(右圖)
圖一、風雪覆蓋的點燈(左圖);圖二、覆雪/除冰的燈光比對(右圖)
 
在非大風雪或極端環境下,當燈體發熱大於環境降溫時,結冰可以逐漸融化。圖五是點遠光燈(近光燈未同亮),玻璃燈殼導熱好能快速除冰,近光燈未亮,有一定程度的冰層。圖六是有除冰功能的LED頭燈,比未點燈的右側車燈早些除冰。右側車燈…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖五、鹵素光源點燈發熱除冰(左圖);圖六、熱線除冰效果比對(右圖)
圖五、鹵素光源點燈發熱除冰(左圖);圖六、熱線除冰效果比對(右圖)

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