Метал гидридті цилиндрлер қалай сутегімен жұмыс істейтін сигареттерді мүмкіндік етеді

Метал гидридті қорытпаларды пайдаланып сутегіні сақтау принципі

Металл гидриділі цилиндрлердегі сутекті сақтау магний-никель қоспалары немесе лантан қосылыстары бар құймалар сияқты арнайы құймалармен газды химиялық байланыстыру арқылы жүзеге асады. Шамамен 10–30 бар аралығындағы қысымға ұшырағанда, бұл материалдар сутекті өздерінің кристалдық құрылымдарына тартады. Нәтижесінде 500 бар қысымда жұмыс істейтін дәстүрлі сығылған газ бактарымен салыстырғанда шамамен екіден үш есе артық сақтау сыйымдылығына қол жеткізіледі. Нақты түрде қалалық самокаттар үшін бұл оларға пайдалы болатындай жеткілікті сутек сақтауға мүмкіндік береді, алайда әдетте қажет болатын үлкен, ауыр қысымды ыдыстарды қажет етпейді. Салмағы мен орыны шектеулі компактты көліктер туралы ойлағанда бұл толықтай мағыналы.

Қалалық екі дөңгелекті көліктер үшін металл гидриділі цилиндрлердің артықшылықтары

Таратылуға ықпал ететін негізгі артықшылықтар:

• Қауіпсіздік : Дәстүрлі сутек бактарының қысымының тек 15%-ында жұмыс істеуі жарылыс қаупін айтарлықтай төмендетеді (Энергияны сақтау қауіпсіздігі туралы есеп 2023)
• Кеңістік тиімділігі : Көлемі бірдей болатын композиттік ыдыстарға қарағанда 50% кіші ауданды қажет етеді
• Төзімділік : Сыйымдылығының 5%-нан аспайтын жоғалтуымен 8 000-нан астам зарядтау циклін шыдайды — литий-ионды аккумуляторлардан жоғары көрсеткіш береді

Бұл сипаттамалар тапшылықты және инфрақұрылым шығындарын минимизациялау маңызды болып табылатын жеткізу парктері мен бөлісу қозғалыс қызметтері үшін ерекше бағалы.

Зерттеу жағдайы: Коммерциялық электронды самокат прототиптеріне нақты әлемде интеграциялау

Бірқалыпты Еуропалық компания осы ерекше 1,2 кг салмақты металл гидридті цилиндрлерді қосып, скутерлерді сынамаға бағындырды. Олар нені анықтады? Бұл скутерлер бір цилиндрде шамамен 180 километр жүре алады – бұл қазіргі уақыттағы әдеттегі аккумуляторлы скутерлерге қарағанда шамамен 40% жақсырақ көрсеткіш. Сонымен қатар, қалаларда кең таралып жатқан төмен қысымды сутегі станцияларында толтыру тек шамамен 12 минутына созылады. Бұл зарядтау орындарын табу кейде мүлдем мүмкін емес болатын тығыз қалалық аймақтарда тұратын адамдар үшін өте ыңғайлы. Сондай-ақ, ыстық күзет айларында жүргізілген сынақтар да өте қатты нәтижелер көрсетті. Жүйелер жылулық тұрақтылығын барлық ыстық кезеңде шамамен 98% деңгейде сақтап, температураның күрт көтерілуі кезінде де сенімді жұмыс істеуін көрсетті.

Металл гидридті қорытпалардың материалтануы мен өнімділігі

Негізгі қасиеттер: Сіңіру сыйымдылығы, қайтарымдылық және тұрақтылық

Халықаралық энергетикалық агенттіктің 2023 жылғы есебіне сәйкес, метал гидриді қорытпаларында сутегі хемосорбция процестері арқылы сақталады, әдетте массалық пайыз бойынша 1,2-ден 3,5-ке дейінгі сақтау сыйымдылығына ие болады. Бұл процесті кері бағытта жүргізу мүмкіндігі сутегіні қажет болған кезде тиімді түрде бөліп шығаруға мүмкіндік береді, бұл электр самокаттарының жұмыс істеуінің барлық мерзімінде тұрақты түрде қуатын ұстап тұру үшін өте маңызды. Наноқұрылымды материалдарға, мысалы, магний-никель қорытпаларына назар аударсақ, олар уақыт өте келе нақты түрде жақсырақ жұмыс істейді. Осындай жетілдірілген құрылымдар бүгінгі таңда нарықта бар әдеттегі нұсқалармен салыстырғанда материалдардың бұзылуын шамамен үштен бір бөлікке дейін азайтады. Тұрақты тозу мен зақымдануға ұшырап, күнбе-күн шаршаған қала көшелерімен жүріп өтетін құрылғылар үшін осындай тұрақтылықтың маңызы зор.

Жұмыс режиміндегі термодинамикалық және кинетикалық әлеует

Сутегінің бөлінуі шыныменде әртүрлі қорытпалар үшін температура мен қысымның тепе-теңдігіне байланысты. Шамамен 25 градус Цельсийден 60 градусқа дейінгі типтік скутер жұмыс температурасын қарастырғанда, лантан негізіндегі материалдар тұрақтылығын жоғалтпай, секундына шамамен 0,8 грамм сутегін бөліп шығару үшін ең жақсы жұмыс істейді. Ақылды инженерлер осы металл қоспаларын фазалық өзгерістерге дәлме-дәл сай келетіндей етіп реттей алады, бұл жиі кездесетін гистерезистік мәселелерді азайтады. Нәтижесінде скутерлер тежегенде және жүйелерін қайта зарядтағанда қалпына келтіру тиімділігі шамамен 92 пайызға жетеді. Осы термодинамикалық мәселелерді дәлме-дәл шешу ыстық күздегі күндерден бастап суық қысқы таңдарға дейін қалай болмасын қала ауасында осындай көліктердің сенімді жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.

Сақтау тиімділігі мен циклдық төзімділік арасындағы компромисстер

Жоғары сыйымдылықты қорытпалар (2,5 массалық пайыздан астам) шамамен 500-ден 800 зарядтау циклінде ыдырап тұрады, бұл 1,8 массалық пайыздық төмен сыйымдылықты нұсқаларда кездесетін көрсеткішке қарағанда шамамен 35 пайыз қысқа. Инженерлер осы мәселеге аралас шешімдер әзірлеп шықты. Бұл жүйелер жүрістің қалыпты режимдерін қамтамасыз ететін металл гидридті сақтау резервуарларын үдеу фазасында қосымша қуат қажет болған кезде пайдаланылатын сығылған сутек қорымен біріктіреді. Ағымдағы сынақ модельдеріне қарағанда, бұл комбинацияның жүйелердің жалпы қызмет ету мерзімін шамамен 3200 толық циклге дейін созатыны байқалады. Олар әлі де 1,8 киловатт-сағат/килограмм шамасындағы энергия тығыздығын сақтап, төмен сыйымдылықты нұсқалардың өнімділігіне сай келеді, бірақ әлдеқайда ұзақ қызмет етеді.

Скутерлердегі металл гидридті ыдыстардың конструкциялық қиындықтары

Компактты көлік платформаларындағы жылу реттеу

Скутерлерге гидридті цилиндрлерді орнату кезінде негізгі қиыншылықтардың бірі — температураны төмендетіп ұстау. Сутек сіңірілген кезде, жылу бөлінеді және температура кейде 25 градус Цельсийге дейін көтерілуі мүмкін. Ал енді сутекті босату үшін сырттан жылу қажет болатын кері процесс келеді, бұл ұзақ уақыт бойы компоненттерді тозуға әкелетін температураның тұрақсыз тербелістеріне алып келеді. Өткен жылы Energy Storage Materials журналында жарияланған соңғы зерттеулерге сәйкес, скутер рамалары кәдімгі автомобильдермен салыстырғанда жылуды шығару жағынан нашар, нақтысында олар жылуды 40% артық жоғалтады. Бұл инженерлерді әр грамм қосымша массасы сақтау кеңістігін азайтатын миниатюрлі суыту каналдары мен қыздырған кезде күйін өзгертетін арнайы материалдар сияқты шығармашылық шешімдер іздестіруге мәжбүр етті. Бұл баланс қажеттілігі 2023 жылы Journal of Power Sources журналында жарияланған зерттеуде көрсетілген: тек реттеу құрылғыларына 300 грамм қосу сақтау сыйымдылығын 12%-ға жуық төмендетеді. Тығыз көліктерде әрбір грамм маңызды болған кезде, бұл оптимальды нұсқа емес.

Бортта пайдалану үшін қауіпсіздік пен қысым стандарттарына сай келу

Металл гидрид жүйелері 10-дан 30 бар аралығындағы көптеген төменгі қысымдарда жұмыс істесе де, қауіпсіздік тұрғысынан аса назар аударуды қажет етеді. Өткен жылы SAE International жүргізген зерттеулерге сәйкес, қалаларда пайдаланылатын самокаттар шамамен дәстүрлі жолаушы автомобильдеріне қарағанда механикалық соққыларды үш есе көбірек алады. Бұл өндірушілердің осындай жүйелерді әртүрлі тербелістерге шыдай алатындай етіп жасауы керектігін білдіреді. Сақиналар мыңдаған циклдарға, кейде 5000-нан астамға шыдай алатындай жоғары сапалы болуы арқылы компаниялар сорғының сақтандыруына сүйенеді. Ең соңғы ЕО ережелері сондай-ақ сутегі деңгейлерін үздіксіз бақылауды талап етеді, бұл әрбір бірлікке тек сенсорлар үшін қосымша $18-ден $25-ге дейін қосады. Бірақ мүмкіндік бар. Fraunhofer ISE-те жүргізілген сынақтар таңғажайып нәтиже көрсетті: графенмен нығайтылған клапан отырғыштары арқасында олардың тәжірибелік үлгілері сорғының 99,97%-ке жуық көрсеткішіне жетті. Сондықтан осындай стандарттарға сай келу қиын болып көрінсе де, соңғы өнімнің ыңғайлылығы мен қолданушыға ыңғайлылығын бұзбай-ақ мүмкін болып көрінеді.

Екі дөңгелекті қолданымдарға техникалық талаптар

Өнімділік көрсеткіштері: Зарядтау жылдамдығы, энергия тығыздығы және қызмет ету мерзімі

Қалалық жағдайда болашақтың болуы үшін сутегімен жұмыс істейтін екі дөңгелектілердің 3 минут ішінде зарядталуы және 1,5 кВт·сағ/кг-нан астам энергия тығыздығына ие болуы тиіс (Ұлттық қайта қалпына келтірілетін энергетика зертханасы, 2023). ЛаNi5 метал гидридінің алдыңғы қатарлы қорытпаларын қолданатын соңғы уақыттағы үлгілер 500-ден астам зарядтау циклінде сыйымдылықтың 15%-дан аспайтын төмендеуімен қамтамасыз етеді — күнделікті пайдаланушылар үшін қызмет ету мерзіміне қойылатын талаптарға сай келеді.

Гибридті қозғалтқыштар мен аккумулятор жүйелерімен интеграциялау

Гибридтік қозғалтқыштар тездету кезінде литий-ионды аккумуляторларға көмектесетін метал гидридті цилиндрлерден қосымша энергия алады. Екі энергия көзін бірге пайдалану, 2023 жылы Journal of Power Sources журналында жарияланған зерттеулерге сәйкес, аккумуляторға деген үлкен сұранысты шамамен 40-60 пайызға дейін азайтады. Бұл ыңғайландыру компоненттерінің қайта орнына қоюға дейінгі қызмет ету мерзімін ұзартуға мүмкіндік береді. Қазіргі жаңа жазық профильді цилиндрлер сөректердің рамасының ішіне дәл сәйкес келеді және жолаушылардың аяғы үшін маңызды кеңістікті алуға әкелмейді. Сонымен қатар, олар онбордтық суыту жүйелері арқылы жылуды 96-дан 98 пайызға дейінгі ПӘК-пен тиімді басқарады. Арендалық электросөректерді көп мөлшерде пайдаланатын компаниялар үшін, ең жақсы конфигурациялар температура 60 градус С болғанда секундына кем дегенде 0,12 грамм газ бөліну жылдамдығы мен интеграцияланған қауіпсіздік механизмдерін қамтиды. Мұндай комбинациялар уақыт өте келе техникалық қызмет көрсетуге деген қажеттілікті азайтады — бұл нақты флот эксплуатациялаушыларының естігісі келетін нәрсе.

Металл гидриді мен Қысылған сутегі: Дұрыс шешімді таңдау

Қауіпсіздік, кеңістікті пайдалану тиімділігі және қалалық пайдаланылуын салыстыру

Металл гидридті жүйелер жан-жақты қысымдарда (10–30 бар) жұмыс істейді, ол 700 барлық қысылған ыдыстармен байланысты жарылыс қаупін болдырмастан аластатады. Қатты күйде сақтау көлемді көміртек-тақтай қаптамаларын және сүзгіш клапандарды қолданбайды, самокат рамасында 40–60% артық кеңістікті босатады. Бұл компакттілік сутегі сыйымдылығын азайтпай, екі дөңгелекті техниканың маневрленуін жақсартады және ISO 16111 стандартының қауіпсіздік талаптарына сәйкес келеді.

Жобалық циклдық құны мен техникалық қызмет көрсетудің салдары

Сығылған сутегі баллондарының құны алғашында әрқайсысына 800-1200 доллар шамасында болуы мүмкін, бірақ уақыт өте келе металл гидридті жүйелер шынымен ақша үнемдейді. Бұл жүйелер уақыт өте келе сутегінің өте аз мөлшерде жоғалуымен 5000-нан астам зарядтау циклін шыдай алады. Кейбір Энергетика министрлігінің зерттеулеріне сәйкес, бұл он жыл ішінде сақтау құны киловатт-сағатына екі цент болады, бұл сығылған нұсқалардың құнының шамамен жартысын құрайды. Сонымен қатар, техникалық қызмет көрсетуге кететін шығын шамамен 30 пайызға төмендейді, себебі жылулық жабдықтар күрделі емес және қысымды ретімен тексерудің қажеті жоқ.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Металл гидридті цилиндрлер дегеніміз не?

Металл гидридті цилиндрлер — сутегіні материалдың кристалдық құрылымында химиялық байланыстыру арқылы сақтау үшін металл гидридті қорытпаларды қолданатын сақтау құрылғылары.

Металл гидридтерінде сутегіні сақтау қалай жұмыс істейді?

Сутегі белгілі қысымдарда олардың кристалдық торына сіңіру арқылы арнайы қорытпалармен байланысу арқылы металл гидридтерінде сақталады.

Сигеуіштер үшін метал гидридті цилиндрлерді пайдаланудың қандай артықшылықтары бар?

Олар төменгі қысымда жұмыс істеу арқылы қауіпсіздікті қамтамасыз етеді, дәстүрлі ыдыстарға қарағанда кеңістікті аз алады және көптеген зарядтау циклдарына төзімді болып келеді.

Метал гидридті цилиндрлер неге қалалық екі дөңгелекті көліктерге сәйкес келеді?

Олардың компактілі өлшемі мен жеңіл салмағы кеңістік пен салмақ шектеулі болатын сигеуіштер үшін идеалды нұсқа болып табылады.

Метал гидридті цилиндрлері бар сутегімен жұмыс істейтін сигеуішті толтыру қанша уақыт алады?

Төменгі қысымдағы сутегі станцияларында толтыру шамамен 12 минутқа созылады.