دانلود مقاله خودرو چیست؟

در اصل خودرو ترجمه کلمه vehicle میباشد و به طور کلی هر نوع وسیله چرخدار یا بدون چرخ که باعث سهولت در جابجایی انسان یا بار شود خودرو نامیده میشود مانند ( دوچرخه ، درشکه ، موتورسیکلت ، اتومبیل ، هواپیما و هلیکوپتر و...) البته امروزه منظور از خودرو بیشتر وسایل نقلیه ای هستند که نیروی خود را از انسان یا حیوان تامین نمیکند ( که در نتیجه دوچرخه و درشکه و گاری و...

حذف میشوند) گرچه بطورعام منظور از خودرو در زبان فارسی معادل انگلیسی کلمه Automobile میباشد که یعنی وسیله چرخدار متحرک زمینی با یک مولد قدرت مکانیکی ( مثل قطار ، اتومبیلهای سواری ، کامیون ها و...)
بهر حال در اینجا منظور ما از خودرو تعریف اخیر میباشد اگرچه درصورت امکان درمورد هواپیما و هلی کوپتر نیز صحبت خواهد شد.
در اینجا قرار نیست که از تاریخچه اتومبیل بطور دقیق و کامل صحبت بشود فقط گاهی بطور ساده و مختصر .

البته شخص دیگری در یک وبلاگ دیگر قرار بود (تاریخ اتومبیل) این کار را انجام بدهد اما ظاهرا که به دلایلی بعد از یک مدت کوتاه وبلاگش را تعطیل کرده است ، بنابرین جا برای کسانی که مایلند این کار را انجام بدهند کاملا باز است .

(کی می دونه شاید هم خودم این کار رو انجام دادم)
دسته بندی خودرو ها
روشهای مختلفی برای دسته بندی خودرو ها مورد استفاده قرار میگیرد که معروفترین این روشها عبارتند از عبارتند از :
دسته بندی از نوع موتور ( درون سوز – برون سوز) دسته بندی از نظر نوع سوخت ( بنزین – گازوییل - ..) دسته بندی از نظر سیستم کاری موتور ( چهار زمانه – دوزمانه ) دسته بندی از نظر تعداد مسافر یا حجم بار ( سواری - سبک .....

سنگین) دسته بندی از نظر محل مورد استفاده ( شهری – بیابانی – چند منظوره و..) دسته بندی از نظر شکل موتور ( ایستاده یا خطی – خوابیده – وی شکل یا خورجینی – ستاره ای ...) و....

همانطور که ملاحظه میگردد روشهای بسیار زیادی برای دسته بندی خودرو ها وجود دارد بنابراین در ابتدا سعی میشود مشترکات بین خودرو ها مورد بررسی قرار گیرد همانطور که ملاحظه میگردد روشهای بسیار زیادی برای دسته بندی خودرو ها وجود دارد بنابراین در ابتدا سعی میشود مشترکات بین خودرو ها مورد بررسی قرار گیرد دسته بندی قسمتهای خودرو هر خودرو دارای تعداد زیادی قطعه ( بین 10 تا 20 هزار قطعه) میباشد .برای سهولت آشنایی با اجزاء خودروها معمولا قطعاتی که برای رسیدن به یک هدف مشترک ( مثلا تولید نیروی لازم برای حرکت)لازم است در کنار هم کار کنند را در یک دسته قرار میدهند .معمولا خودروها را بصورت زیر دسته بندی میکنند موتور( مولد قدرت) ، انتقال قدرت ، تعلیق ، شاسی و بدنه ، فرمان و چرخها ، تجهیزات برقی .

دسته مولد قدرت فقط موتور خودرو را شامل میگردد دسته انتقال قدرت شامل : کلاچ ، جعبه دنده ( گیر بکس – gear box ) است دسته تعلیق : فنربندی های خودرو جرء این دسته میباشند شاسی و بدنه : معمولا مجموعه سیستم ها ی خودر روی شاسی نصب میشوند و بدنه مکانیست برای جابجایی مسافر یا حمل بار فرمان و چرخها :شامل جعبه فرمان و اهرمهای فرمان بندی و چرخها تجهیزات برقی: شامل مجموعه باتری ، سیستم راه اندازی ، سیستم شارژ ، جرقه .....

در مورد زانتیا بیشتر بدانید خوب شاید فکر کنید که این خودرو فقط قابلیت بالا و پایین رفتن به صورت دستی و بوسیله دکمه مربوطه را دارد، اما چنین نیست ، این خودرو برای حفظ تعادل، قابلیت بالا و پایین بردن اتاق خودرو بر روی هر یک از چرخها به وسیله کمک فنرهای هیدرولیکی را در مواجه با موارد زیر، داراست.

۱-در سر پیچها از خم شدن شاسی به سمت خارج پیچ و سر خوردن چرخها جلوگیری می کند.

۲- جلوگیری از تکانهای شدید در دست اندازها.

۳-جلوگیری از پایین رفتن سطح خودرو در هنگام افزایش وزن (بار-مسافر).

۴-جلوگیری از پایین رفتن بیش از حد جلوی خودرو در هنگام ترمزهای شدید.

۵-جلوگیری از بر هم خوردن تعادل در هنگام ترکیدن لاستیک.

همچنین به وسیله دستی و با دکمه کنار ترمز دستی نیز قابلیت پایین و بالا بردن خودرو برای قراردادن آن در ۴ حالت مختلف، میسر است، که از این حالتها برای مقاصد مختلفی استفاده می شود که ۲ حالت آن برای انجام سرویسهای خودرو، یکی برای رانندگی عادی و دیگری برای رانندگی در جاده های نامناسب و پردست انداز با سرعت پایین در نظر گرفته شده.

این سیستم شامل چندین سنسور برای تشخیص وضعیت خودرو می باشد که دائما در حال ارسال اطلاعات وضعیت تعادلی خودرو به ECU (کامپیوتر مرکزی)می باشند، همچنین یک پمپ و یک مخزن و لوله های اتصال که حاوی روغن هیدرولیک می باشند را شامل می شود و کمکها نیز با هیدرولیک کار می کنند.سنسورها وضعیت را به ECU ارسال کرده ،ECU برای تنظیم تعادل، بسته به قرار گرفتن در پیچ یا مواجهه با دست انداز یا موارد دیگر برای متعادل کردن خودرو، بوسیله پمپ، فشار هیدرولیک را در سمتهایی که لازم است بالا می برد و اگر لازم باشد در سمتهای دیگر پایین می آورد و بدین ترتیب سمتی که فشار هیدرولیک بیشتری بر آن وارد شده،بالا میرود و سمتی که فشارهیدرولیک آن کم شود پایین می آید و میله تعادل (Anti Roll Bar) در حالت تعادل قرار می گیرد،تمامی این مراحل در ۱۰ میلی ثانیه انجام می شود.

این سیستم پیشرفته فقط توسط چند خودروساز بزرگ استفاده می شود،از آن جمله می توان به کمپانی های بنز، BMW، جاگوار، کادیلاک، لندروور، پژو و سیتروئن اشاره کرد، و هر یک نیز نام خاص خود را بر این سیستم نهاده اند، مثلا بنز آنرا ABC یا Active Body Control می نامد ،BMW آنرا Dynamic Drive و سیتروئن Hydractive می نامند، اما در کل این سیستم را Active Suspension (تعلیق فعال) یا Active Roll Control System (سیستم کنترل چرخش فعال)می نامند.

لازم به ذکر است که مثلا در خودروهای BMW این سیستم فقط در سری های8،7 وZ8 استفاده شده و هر ۳ آنها خودروهای لوکس و گرانقیمتی هستند که این امر نشاندهنده تکنولوژی بالای خودروی زانتیا است که با وجود اینکه تولید سال ۹۸ فرانسه است با این حال، بدلیل داشتن سیستم ذکرشده، همچنین ترمز ABS و کیسه هوا ، ایمن ترین خودروی موجود در کشور است ،و از لحاظ قیمت نیز در مقایسه با دیگر خودروهای موجود در ایران کاملا با صرفه است.

سیستم تعلیق هیدرولیکی یا hydraulic Suspension چیست؟

کاربرد سیستم های هیدرولیک در طراحی خودروها با جایگزینی ترمز هیدرولیکی بجای ترمزهای مکانیکی نوع کابلی و یا اهرمی آغاز شد.

در این سیستم و با توجه به قابلیت های انعطاف پذیری مایعات و با ایجاد فشار روی مایع امکان انتقال نیروی ترمز به تمام چرخها بوجود آمد.

بعدها از سیستم هیدرولیک و به روش مشابهی با ترمزهای هیدرولیکی در مکانیزم کلاچ خودروها استفاده شد.

در ادامه روند توسعه تکنولوژی در ساخت خودروها، کاربرد هیدرولیک وسعت بیشتری یافت و در سیستم های دیگر خودرو مانند جذب کننده ضربات (کمک فنر)، فرمانهای هیدرولیکی و گیربکس اتوماتیک بکار گرفته و متداول شد.

ایده بکارگیری سیستم هیدرولیک در مکانیزم تعلیق خودروها اولین بار در سال 1952 در شرکت خودرو سازی سیتروئن مطرح شد.

طراحان شرکت سیتروئن در طراحی و ساخت سیتروئن مدل DS19 از تمام مکانیزم های هیدرولیکی که تا آن زمان ابداع شده بود استفاده کردند.

آنها در طرح این خودرو بجای استفاده از سیستم های هیدرولیکی متعدد و مستقل برای هر کدام از مکانیزم ها، اقدام به طراحی یک سیستم هیدرولیکی مرکزی نمودند.

به این ترتیب از نصب پمپ، مخزن و روغن و مکانیزم های جداگانه خودداری کرده و یک مجموعه مشترک و اصلی جایگزین تجهیزات فوق گردید.

این سیستم هیدرولیک مرکزی و مشترک چندین زیر مجموعه که هر کدام عمل مستقلی در خودرو انجام می دادند را تغذیه می کرد.

این طرح باعث آسانتر شدن طراحی و یکپارچگی بیشتر خودرو گردید.

میزان قابل توجه توان هیدرولیکی که توسط موتور برای سیستم هیدرولیک این خودرو در نظر گرفته شده بود به طراحان آزادی عمل و ابتکار بیشتری می داد.

در اینجا بود که ایده بکارگیری سیستم هیدرولیک در مکانیزم تعلیق نه فقط بعنوان ضربه گیر (کمک فنر) بلکه بعنوان یک سیستم تعلیق کاملاً هیدرولیکی شکل گرفت.

طراحان سیتروئن به این فکر افتادند که می توانند بجای استفاده از روشهای متداول در سیستم تعلیق، یعنی استفاده از انواع فنرها و یا میله های پیچشی که تا آن زمان بکار می رفت، سیستم هیدرولیکی جدیدی را جایگزین کنند که ضمن تحمل بار خودرو عمل ضربه گیری را نیز انجام دهد.

این یک طرح آزمایشی بود که در سال 1955 روی خودروی سیتروئن مدل DS19 نصب گردید.

این روش بطور باورنکردنی باعث نرمی خودرو و بی تکان شدن رانندگی شده بود و ویژگی را بوجود آورده بود که به هیچ وجه با روشهای متداول سیستم تعلیق قابل تصور نبود.

جالب ترین ویژگی در این خودرو امکان تغییر و تنظیم ارتفاع بود.

برای این کار با تنظیم حجم روغن ارسالی به جک های هیدرولیکی که جایگزین فنر شده بودند امکان بالا و پایین بردن اتاق خودرو نسبت به سطح جاده بوجود آمده بود.

از ویژگیهای دیگر این خودرو تراز اتوماتیک سطح ماشین هنگام قرار گرفتن در سطوح ناهموار بود و این عمل با توجه به موقعیت بازوهای سیستم تعلیق نسبت به بدنه و تغییر اتوماتیک حجم روغن در جک های خودرو انجام می گردید.

طراحان DS19 به مرور زمان تغییرات زیادی در سیستم هیدرولیک نمونه اولیه ایجاد کردند ولی آنچه که اهمیت داشت بکارگیری روش کاملاً جدیدی از کاربرد هیدرولیک در خودرو بود که قبلاً هرگز انجام نشده بود.

اصول کار سیستم تعلیق هیدرولیکی که در بعضی مواقع بنام هیدروپنوماتیک نیز از آن نام برده می شود بر اصل تراکم پذیری گازها و غیرقابل تراکم بودن مایعات بنا نهاده شده است.

هر کدام از جک های بکار برده شده در سیستم تعلیق که جایگزین فنرهای معمولی شده اند شامل یک سیلندر و پیستون ساده و یک مخزن یا انباره که تحت فشار گاز نیتروژن است و در بالای جک نصب می شود هستند.

روغن هیدرولیک می تواند بین جک و انباره حرکت رفت و برگشت داشته باشد.

وزن بدنه خودرو که روی چرخها وارد می شود باعث بالا آمدن پیستون در سیلندر شده و در نتیجه خروج روغن از جک و ورود آن را به انباره در پی خواهد داشت.

با اضافه شدن روغن به انباره تراکم گاز نیتروژن حبس شده در داخل انباره افزایش می یابد تا با وزن خودرو به تعادل برسد.

به این ترتیب گاز نیتروژن داخل انباره با متراکم شدن بیشتر مانند یک فنر عمل می کند.

با قرار دادن یک اورفیس (مجرای تنگ) بین پیستون و انباره سرعت نوسان پیستون کاهش داده می شود و ضربات ناشی از سطوح ناهموار جذب می گردد، عملی که در خودروهای معمولی توسط کمک فنر انجام می شود.

در مدلهای جدید خودروهای شرکت سیتروئن که با نام زانتیا به بازار معرفی شده اند.

نمونه های بسیار پیشرفته و جدیدی از سیستم های هیدرولیکی نصب شده اند در این خودرو قابلیت های متعددی ایجاد گردیده است.

کنترل الکترونیکی زانتیا که به آن هیدرواکتیو می گویند به سیستم اجازه می دهد که مکانیزم تعلیق آن برای جذب ضربات متناسب با وضعیت ناهمواری جاده تغییر کند در اکسل های بکار گرفته شده در این خودروها بجز انباره های بالای جکها یک انباره در مرکز اکسل نصب شده است و با وصل شدن و یا قطع شدن ارتباط این انباره به مدار تعلیق هیدرولیکی ماشین میزان نرمی و یا سفتی حرکتهای بدنه تغییر می کند برای این منظور با قرار دادن تعدادی سنسور شرایط مختلف رانندگی مانند سرعت ماشین، سرعت و میزان فرمانگیری، نوسانات مربوط به جاده، شتابگیری و یا توقف را دریافت و به کامپیوتر دستگاه ارسال می کنند و بعد از پردازش داده های ورودی سیگنال ارسالی از کامپیوتر به شیر برقی تعبیه شده در مدار هیدرولیک ارسال می شود و از طریق این شیر رگلاتورهای کنترل نرمی (stiffness regulator) مقدار دهانه اورفیس بین جکهای دو طرف اکسل و انباره مرکزی را تغییر می دهند، در نتیجه مقدار و سرعت تبادل روغن بین جکها و انباره تغییر کرده و به این ترتیب شدت نوسانات جک ها متناسب با شرایط جاده تنظیم می گردد.

با این روش ترکیب بی نظیری از سواری راحت و کنترل بالای جاده ای ایجاد می گردد با اضافه شدن امکانات جدید الکترونیکی سطح تراز دستگاه با توجه به سرعت فرمانگیری و پیچ های تند، شتاب گیری و ترمزهای ناگهانی حفظ می گردد و در سخت ترین شرایط رانندگی راحتی سرنشینان و امکان کنترل خودرو را به حداکثر می رساند و تمام این قابلیت ها با توجه به بکارگیری سیستم تعلیق هیدرولیکی خودرو امکان پذیر شده است.

امروزه از سیستم های تعلیق هیدرولیکی در بسیاری از ماشین آلات سنگین و خودروهای نظامی استفاده می شود جایی که بکارگیری سیستمهای مرسوم فنری مشکلات فراوانی به همراه دارد و کیفیت و کارایی لازم را نیز نخواهد داشت بگونه ای که تصور عدم استفاده از سیستم تعلیق هیدرولیکی در ماشین آلاتی نظیر کامیونهای معدن و بسیاری از جرثقیل های غول پیکر و تریلرهای بزرگ با تعداد چرخهای فراوان تا حدودی غیرممکن بنظر می رسد.

آشنایی با پنوماتیک پنیوماتیک یکی از انواع انرژی هایی است که در حال حاضر از آن استفاده وافر در انواع صنایع می شود و می توان گفت امروزه کمترکارخانجات یا مراکز صنعتی را می توان دید که از پنیوماتیک استفاده نکند و در قرن حاضر یکی از انواع انرژی های اثبات شده ای است که بشر با اتکا به آن راه صنعت را می پیماید.

پنیوما در زبان یونانی یعنی تنفس باد و پنیوماتیک علمی است که در مورد حرکات و وقایع هوا صحبت می کند امروزه پنیوماتیک در بین صنعتگران به عنوان انرژی بسیار تمیز و کم خطر و ارزان مشهور است و از آن استفاده وافر می کنند.

خواص اصلی انرژی پنیوماتیک به شرح زیر است: عامل اصلی کارکرد سیستم پنیوماتیک هواست و هوا در همه جای روی زمین به وفور وجود دارد.

هوای فشرده را می توان از طریق لوله کشی به نقاط مختلف کارخانه یا مراکز صنعتی جهت کارکرد سیستم های پنیوماتیک هدایت کرد.

هوای فشرده را می توان در مخازن مخصوص انباشته و آن را انتقال داد یعنی همیشه احتیاج به کمپرسور نیست و می توان از سیستم پنیوماتیک در مکان هایی که امکان نصب کمپرسور وجود ندارد نیز استفاده نمود .

افزایش و کاهش دما اثرات مخرب و سوئی بر روی سیستم پنیوماتیک ندارد و نوسانات حرارتی از عملکرد سیستم جلوگیر ی نمی کند.

هوای فشرده خطر انفجار و آتش سوزی ندارد به این دلیل تاسیسات حفاظتی نیاز نیست.

قطعات پنیوماتیک و اتصالات آن نسبتا ً ارزان و از نظر ساختمانی قطعاتی ساده هستند لذا تعمیرات آنها راحت تر از سیستم های مشابه نظیر هیدرولیک می باشد.

هوای فشرده نسبت به روغن هیدرولیک مورد مصرف در هیدرولیک تمیز تر است و به دلیل این تمیزی از سیستم پنیوماتیک در صنایع دارویی و نظایر آن استفاده می شود .

سرعت حرکت سیلندر های عمل کننده با هوای فشرده در حدود 1 الی 2 متر در ثانیه است و در موارد خاصی به 3 متردر ثانیه می رسد که این سرعت در صنایع قابل قبول است و بسیاری ازعملیات صنعتی را می تواند عهده دار شود.

عوامل سرعت و نیرو در سیستم پنیوماتیک قابل کنترل و تنظیم است .

عناصر پنیوماتیک در مقابل بار اضافه مقاوم بوده و به آنها صدمه وارد نمی شود مگر اینکه افزایش بار سبب توقف آنها گردد .

تعمیرات و نگه داری سیستمای پنیوماتیک بسیار کم خطر است زیرا در انرژی های قابل مقایسه نظیر برق خطر جانی و آتش سوزی و در هیدرولیک انفجار و جانی وجود دارد اما در پنیوماتیک خطر جانی به صورت جدی وجود ندارد وآتش سوزی اصلا ً وجود ندارد و بدین دلیل در صنایع جنگ افزارسازی از سیستم تمام پنیوماتیک استفاده می شود .

معایب سیستم پنیوماتیک به شرح زیر است: چون سیال اصلی مورد استفاده در سیستم پنیوماتیک هوای فشرده و جهت تهیه هوای فشرده باید با کمپرسور آن را فشرده کرد همراه هوای فشرده شده مقداری رطوبت وناخالصی هوا ومواد آئروسل وارد سیستم شده و سبب برخی خرابی در قطعات می شود لذا باید جهت تهیه هوای فشرده فیلتراسیون مناسب استفاده نمود .

هزینه استفاده از هوای فشرده تا حد معینی اقتصادی می باشد و این میزان تا وقتی است که فشار هوا برابر 7 بار و نیروی حاصله با توجه به طول کورس و سرعت حداکثر بین 20000 تا 30000 نیوتن می باشد .

به طور خلاصه می توان گفت که جهت قدرت های فوق العاده زیاد مقرون به صرفه تر است از نیروی هیدرولیک استفاده شود .

هوای مصرف شده در سیستم پنیوماتیک در هنگام تخلیه از سیستم دارای صدای زیادی است که این مسئله نیاز به کاربرد صدا خفه کن را الزامی می کند.

به علت تراکم پذیری هوا به خصوص در سیلندر های پنیوماتیکی که زیر بار قرار دارند امکان ایجاد سرعت ثابت و یکنواخت وجود ندارد که این مسئله از معایب پنیوماتیک به شمار می رود اما قابل ذکر است که اخیرا ً یک نوع سیلندر که بجای شفت سیلندر از نوار لاستیکی استفاده می کند ساخته شده است که این عیب را بر طرف می کنند .

به طور کلی در مقایسه مزایا و معایب پنیوماتیک می توان گفت با توجه به مزایای بسیار نسبت به معایب کمتر می توان از پنیوماتیک بعنوان یک انرژی شایسته در صنایع استفاده کرد به خصوص با توجه به مزیت تمیزی سیستم تعمیر و نگه داری راحت تر ، نداشتن خطر جانی جهت پرسنل عملیاتی و تعمیراتی در سیستم که در سیستم های دیگر نظیر الکتریک و هیدرولیک وجود ندارد ضمنا ٌ این سیستم بی همتاست و گاهی فقط از این سیستم در جهت عملیات تولیدی باید استفاده شود نظیر : صنایع غذایی ، دارویی ، جنگ افزار که حتما ً عملیات تولیدی توسط سیستم پنیوماتیک انجام می پذیرد.

انرژی باتری و بنزین: بازده یک ماشین بنزینی به طور حیرت آوری کم است.

همه گرمایی که از اگزوز بیرون می آید یا بدرون رادیاتور می رود، انرژی تلف شده است.

موتور نیز انرژی زیادی را برای گرداندن پمپهای گوناگون، فنها و ژنراتورهایی که حرکت آنرا حفظ می کنند، مصرف می کند.

بنابراین بازده کلی یک خودرو با موتور بنزینی حدود 20 درصد است.

یعنی فقط 20 درصد از انرژی گرمایی موجود در بنزین تبدیل به کار (انرژی) مکانیکی می شود.

یک ماشین الکتریکی با باتری، بازده بالا و خوبی دارد.

بازده باتری حدود 90 درصد است(اکثر باتریها کمی گرما تولید می کنند یا نیاز به گرم شدن دارند.) و یک موتور الکتریکی حدود 80 درصد بازده دارد، که بازده کلی حدود 72 درصد به ما می دهد.

ولی این تمام داستان نیست.

الکتریسیته که برای برقرسانی به ماشین استفاده می شود، جایی باید تولید شود.

اگر در یک نیروگاه حرارتی با فرآیندی مثل فرآیند هسته ای یا نیروگاههای برق آبی، خورشیدی یا بادی تولید شود، آنوقت فقط 40 درصد از سوخت مصرفی نیروگاه، به الکتریسیته تبدیل می شود.

فرآیند شارژ کردن ماشین احتیاج به تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) دارد.

این فرآیند بازده ای در حدود 90 درصد دارد.

بنابراین، اگر به کل چرخه بنگریم، بازده یک ماشین الکتریکی حدود 72 درصد برای ماشین، 40 درصد برای نیروگاه برق و 90 درصد برای شارژ ماشین است.

که به ما بازده کلی حدود 26 درصد می دهد.

بازده کلی بسته به اینکه از چه نوع نیروگاهی برای تولید برق استفاده می شود متفاوت است.

مثلاً اگر الکتریسیته مورد نیاز ماشین توسط یک نیروگاه برق- آبی تأمین شود، هیچ هزینه ای نخواهد داشت (ما هیچ سوختی برای تولیدش نمی سوزانیم) ، و بازده ماشین برقی حدود 65 درصد می شود.

شاید شما از اینکه این سه فناوری چقدر به هم نزدیکند غافلگیر شده باشید.

این امتحانها اهمیت در نظر گرفتن کل سیستم ، نه فقط خودرو را نشان می دهند.

حتی می توان پا را فراتر از این گذاشته و بپرسیم که بازده تولید بنزین، متانول یا ذغال سنگ چقدر است.

در هر صورت، بازده تنها عامل مورد توجه نیست.

مردم فقط به خاطر اینکه ماشینی بیشترین بازده را دارد، با آن رانندگی نمی کنند.

آنها عاملهای بسیار دیگری را نیز مورد توجه قرار می دهند.

آنها می خواهند بدانند که: آیا ماشین مورد نظرشان براحتی سوخت گیری می شود؟

آیا مسافت خوبی را بدون سوخت گیری مجدد می تواند طی کند؟

آیا می تواند به سرعت ماشینهای دیگر در جاده برسد؟

چقدر آلودگی تولید می کند؟

این لیست، البته ادامه دارد.

در آخر فناوریی پیروز می شود که بین بازده و عملکرد، اعتدال ایجاد کند.

چندین فناوری دیگر برای سلولهای سوختی وجود دارد که برای مصارف تجاری در حال توسعه می باشند: سلول سوختی قلیایی (AFC) : این یکی از قدیمی ترین طرح ها است.

این سلول سوختی در برنامه فضایی ایالات متحده ، از دهه 1960 مورد استفاده قرار گرفته است.

AFC بسیار مستعد تولید آلودگی است، بنابراین به هیدروژن و اکسیژن خالص نیاز دارد، همچنین بسیار گران است، بنابراین این نوع سلول سوختی برای مصارف تجاری مناسب نیست.

سلول سوختی اسید فسفریک (PAFC) : سلول سوختی اسید فسفریک پتانسیل استفاده در سیستم های نیروگاههای کوچک تولید برق را دارد.

در دمای بالاتری نسبت به سلولهای سوختی PEM کار می کند، بنابراین زمان بیشتری طول می کشد تا گرم شود.

این خاصیت آن را برای استفاده در خودروها نامناسب می کند.

سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) : این نوع سلولهای سوختی برای نیروگاههای تولید برق در مقیاس بزرگ مناسبترین نوع هستند که می توانند برق کارخانه ها یا شهرهای کوچک را تأمین نمایند.

این نوع سلولهای سوختی در دمای بسیار بالا (در حدود 1832◦F، 1000◦C ) کار می کنند.

این دمای بالا، درجه اطمینان را پایین می آورد، اما همچنان سودمند است.

بخار آبی که توسط سلول سوختی ایجاد شده است می تواند به توربینها هدایت شود تا الکتریسیته بیشتری تولید شود.

این امر بازده کلی سیستم را بهبود می بخشد.

سلول سوختی کربنات مذاب (MCFC) : این سلولهای سوختی نیز برای تولید نیروگاههای برق بزرگ بسیار مناسب هستند.

در دمای 1112◦F (600◦C) کار می کنند، بنابراین آنها نیز بخار آب تولید می کنند که می تواند برای تولید برق بیشتر استفاده شود.

این سلولهای سوختی در دمای کمتری نسبت به SOFC ها کار می کنند؛ یعنی آنها نیازی به مواد و ابزار پیچیده ندارند، که این امر، طرح را کمی ارزانتر می کند.همانطور که بحث شد، سلولهای سوختی در شماری کاربردها می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

هر کاربرد پیشنهادی موضوعات و بحث و جدالهای خود را دارد.

نگاهی به این کاربردهای مختلف می اندازیم .

با اتومبیل شروع می کنیم: ماشینهایی با سلول سوختی در آینده ای نزدیک به تدریج جایگزین ماشینهای بنزینی و دیزلی خواهند شد.

ماشینی با سلول سوختی بسیار شبیه ماشین الکتریکی خواهد بود ، ولی با یک سلول سوختی و مبدل به جای باتری ها.

به احتمال زیاد ، شما باک ماشین سلول سوختی خود را با متانول پرخواهید نمود؛ اما برخی شرکتها روی مبدلهای گازوئیلی کار می کنند.

شرکتهای دیگر امید دارند تا مبدل را - با طراحی ابزار پیشرفته برای ذخیره سازی هیدروژن – به طور کامل کنار بگذارند.

سلولهای سوختی همچنین برای استفاده در لوازم الکتریکی قابل حمل، لپ تاپ ها، تلفنهای همراه و حتی سمعک ها مناسب به نظر می رسند.

در این کاربردها، سلول سوختی عمری بسیار طولانی تر از باتری خواهد داشت، و شما همچنین قادر خواهید بود که آنها را سریعاً با یک سوخت مایع یا گازی شارژ کنید.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه سلولهای سوختی دستی و سبک لینکهای زیر را ملاحظه بفرمایید: • Tiny Fuel Cell to Power Sensors • New Bicycle Powered by Fuel Cells اتوبوسهایی که با سلول سوختی کار می کنند در حال حاضر در چند شهر وارد سیستم حمل و نقل عمومی شده اند.

اتوبوس یکی از اولین کاربردهای سلول سوختی بود چرا که در آغاز، سلولهای سوختی برای تولید برق کافی برای براه انداختن یک وسیله نقلیه باید بزرگ می بودند.

حدود یک سوم اولین اتوبوسی که با سلول سوختی کار می کرد با خود سلول سوختی و تجهیزاتش اشغال شده بود.

هم اکنون چگالی توان آنقدر افزایش یافته که یک اتوبوس با یک سلول سوختی بسیار کوچک حرکت کند.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه اتوبوسهایی که با سلول سوختی کار می کنند لینک MSNBC: Getting on board the fuel-cell bus را ملاحظه بفرمایید.

تولید برق خانگی یک کاربرد محتمل سلول سوختی است که هم اکنون در بعضی مناطق موجود است.

جنرال الکتریک یک سیستم ژنراتور سوختی را معرفی می کند که توسط پلاگ پاور (Plug Power company) ساخته شده است.

این سیستم با استفاده از یک مبدل گاز طبیعی یا پروپان تا 7 کیلووات توان تولید می کند (که برای بیشتر خانه ها کافی است).

سیستمی شبیه به این، الکتریسیته و مقدار قابل ملاحظه ای گرما تولید می کند، بنابراین این امکان وجود دارد که این سیستم آب خانه شما را گرم کند و کمکی برای گرم کردن خانه بدون مصرف انرژی اضافی باشد.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه تولید برق خانگی با سلول سوختی لینکهای زیر را ملاحظه بفرمایید: • plug power • General Electric • IdaTech برخی از فناوری های سلولهای سوختی قابلیت این را دارند که جایگزین نیروگاههای احتراقی شوند.

سلولهای سوختی بزرگ توانایی این را خواهند داشت که الکتریسیته را با بازده بیشتری نسبت به نیروگاههای فعلی تولید کنند.

فناوری های در حال توسعه سلولهای سوختی برای این نیروگاهها، الکتریسیته را مستقیماً از هیدروژن (درون سلول سوختی) تولید خواهند کرد.

همچنین از گرما و آبی که در سلول تولید شده برای چرخاندن توربینهای گازی ، استفاده کرده و در نتیجه حتی الکتریسیته بیشتری نیز تولید خواهند کرد.

هم اکنون سلولهای سوختی بزرگ و قابل حملی برای تأمین برق اضطراری و پشتیبانی بیمارستانها و کارخانجات موجود هستند.

سلول سوختی شما احتمالاً به تازگی چیزهای زیادی درباره سلولهای سوختی شنیده اید.

بر اساس بسیاری از گزارشهای جدید، ممکن است به زودی از این فناوری(که با آن صرف جویی زیادی در انرژی می شود)،برای تولید برق لازم خانه ها و ماشینهایمان استفاده کنیم.

این فناوری برای مردم در زمینه های مختلف زندگی بسیار جالب است چرا که راهکارهایی برای بازدهی بیشتر و آلودگی کمتر در استفاده از انرژی ارائه می دهد، ولی چگونه؟

در این مقاله نگاهی گذرا به فناوری های موجود و فناوری های در حال توسعه در این زمینه، می اندازیم.

چگونگی کارکرد یکی از رایجترین فناوری ها را به تفصیل توضیح خواهیم داد و در مورد کاربرد های بالقوه سلولهای سوختی نیز صحبت خواهیم کرد.

از نظر فنی، سلول سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی است.

یک سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در این فرآیند الکتریسیته تولید می کند.

وسیله الکتروشیمیایی دیگری که همه ما با آن آشناییم، باتری است.

یک باتری تمام مواد شیمیایی لازم را در خود ذخیره کرده و این مواد را به الکتریسیته تبدیل می کند.

یعنی باتری بالاخره تمام می شود و شما یا آن را دور می اندازید و یا شارژ می کنید.

مواد شیمیایی ، به طور پیوسته در داخل سلول سوختی جریان دارند، بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی به سلول برقرار بوده و الکتریسیته به بیرون آن جریان داشته باشد، سلول سوختی تمام نمی شود.

مواد اولیه بیشتر سلولهای سوختی که امروزه استفاده می شوند هیدروژن و اکسیژن هستند.

سلول سوختی ، قابل رقابت با بسیاری از ابزارهای تبدیل انرژی دیگر است که شامل توربین گازی درون نیروگاه شهر شما، موتور بنزینی درون ماشینتان و باتری درون لپ تاپتان می شود.

موتورهای احتراقی مانند توربین ها و موتورهای بنزینی ، سوخت ها را می سوزانند و از فشاری که با انبساط گازها بوجود آمده برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می کنند.

باتری ها نیز در مواقع لازم انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی بر می گردانند.

سلولهای سوختی باید هردو عمل را بصورتی کارآمدتر انجام دهند.

سلول سوختی یک ولتاژ DC(direct current) فراهم می کند، که برای برق رسانی به موتورها ، چراغها یا هر تعداد وسیله برقی قابل استفاده و کافی است.

انواع مختلفی از سلول سوختی موجود است، که هرکدام از یک فرآیند شیمیایی متفاوت استفاده می کنند.

سلولهای سوختی معمولاً بر حسب نوع الکترولیتی که در آنها استفاده می شود، دسته بندی می شوند.

بعضی از سلولهای سوختی برای استفاده در نیروگاههای برقی هستند.

بقیه، ممکن است برای کاربردهای سبک یا برقدهی ماشینها مناسب باشند.

سلول سوختی تبادل پروتونی (PEMFC) یکی از رایجترین تکنولوژی ها در این زمینه است.

این سلول سوختی می تواند به طور کامل برق ماشینها ، اتوبوسها و شاید خانه هایتان را تأمین نماید.

PEMFC از یکی از ساده ترین واکنشهای سلول سوختی استفاده می کند.ابتدا به ساختار سلول سوختی PEM (proton exchange membrane )نگاهی می اندازیم.

شکل1.اجزای یک سلول سوختی PEM در شکل1 ملاحظه می فرمایی که 4 عنصر پایه ای در PEMFC وجود دارند.

* آند، قطب منفی یک سلول سوختی، که چندین وظیفه دارد.

الکترونهای کنده شده از مولکول هیدروژن را برای استفاده در یک مدار خارجی هدایت می کند.

با مجراهای موجود در آن گاز هیدروژن آزاد شده را بر روی سطح کاتالیزگر پخش می کند.

* کاتد ، قطب مثبت یک سلول سوختی که مجراهای موجود در آن اکسیژن را روی سطح کاتالیزگر پخش می کنند.

همچنین الکترونها را از مدار خارجی به سمت کاتالیزگر هدایت می کند که در آنجا با اکسیژن و یونهای هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می شود.

* الکترولیت ، که غشا و پل تبادل پروتون است.

این ماده با رفتاری خاص، که شبیه به یک صافب پلاستیکی معمولی موجود در آشپزخانه است، فقط یونهای در حال حرکت را از خود عبور می دهد.

این غشا راه الکترونها را می بندد.

* کاتالیزگر یک ماده مخصوص است که واکنش هیدروژن و اکسیژن را آسان می کند.

که معمولاً از گرد پلاتین با ورقه ای بسیار نازک از کربن روی ان ساخته می شود.

کاتالیزگر درشت و متخلخل (پرمنفذ) است تا بیشترین سطح ممکن در مجاورت هیدروژن یا اکسیژن قرار گیرد.

قسمت پوشیده از پلاتین کاتالیزگر طرف PEM قرار می گیرد.

فرآیند شیمیایی یک سلول سوختی قطب آند: 2H2 à 4H+ + 4e- قطب کاتد: O2 + 4H+ 4e- à2H2O واکنش کلی: 2H2 + O2 à2H2O شکل 2 نشان می دهد که هیدروژن که قبلاً تنظیم فشار شده، از قطب آند وارد سلول سوختی می شود.

فشار، این گاز را به سمت کاتالیزگر فشرده می کند.

هنگامی که یک ملکول H2 در تماس پلاتین قرار گیرد، به دو یون H+ و دو الکترون (e) تجزیه می شود .

الکترونها از طریق ۀند به مدار خارجی راه پیدا می کنند(که کار مفیدی همچون چرخاندن یک موتور انجام می دهد) و به قطب کاتد سلول سوختی باز می گردد.

در این بین، در قطب کاتد سلول سوختی گاز اکسیژن (O2) به سمت کاتالیزگر هدایت می شود، که در آنجا دو اتم اکسیژن تشکیل می شوند.

هر کدام از این اتمها الکترونگاتیوی زیادی دارند.

این الکترونگاتیوی دو یون H+ را جذب و از بین غشا عبور می دهد که در آنجا با اتم اکسیژن و دو الکترون از مدار خارجی ترکیب شده و ملکول آب (H2O) را تشکیل می دهند.

این واکنش در یک سلول سوختی فقط حدود 0.7 ولت تولید می کند.

برای بالا بردن این ولتاژ تا یک حد منطقی، سلولهای سوختی جدا از هم زیادی باید با هم ترکیب شوند تا یک بسته سلول سوختی را تشکیل دهند.

PEMFC ها در دمای نسبتاً کمی کار می کنند(تقریباً در 176˚F معادل 80˚C ) بدین معنی که آنها سریع گرم می شوند اما سازه نگهدارنده گرانقیمتی نیاز ندارند.

ارتقا و پیشرفت پیوسته در مهندسی و موادی که در این سلولها به کار می رود چگالی برقی را تا حدی بالا برده است که یک وسیله با اندازهای معادل یک چمدان کوچک می تواند برق یک ماشین را تأمین کند.

مشکلات سلول سوختی: در قسمت آخر آموختیم که یک سلول سوختی از هیدروژن و اکسیژن برای تولید الکتریسیته استفاده می کند.

اکسیژن مورد نیاز سلول سوختی از هوا تأمین می شود.

در حقیقت، در سلولهای سوختی PEM ، هوای عادی به کاتد پمپ می شود.

به هر حال هیدروژن نیز خیلی آماده و در دسترس نیست.

هیدروژن یک سری محدودیت هایی داردکه آن را بیشتر برای مصارف ، غیر کاربردی می کند.

مثلاً شما لوله کشی هیدروژن در خانه تان ندارید، و شما در پمپ بنزین محلی تان به پمپ هیدروژن دسترسی ندارید.

ذخیره و حمل هیدروژن دشوار است، بنابراین درست تر آن است که سلولهای سوختی، سوختهایی آماده و در دسترس را به کار برند.

این مشکل توسط وسیله ای به نام مبدل برطرف شده است.

مبدل یک سوخت هیدروکربنی یا الکلی را به هیدروژن، که سوخت سلول سوختی است، تبدیل می کند.

متأسفانه مبدلها کامل و بی نقص نیستند.

آنها حرارت تولید می کنند و علاوه بر هیدروژن گازهای دیگری نیز تولید می کنند.

آنها از وسیله های مختلف برای خالص سازی هیدروژن استفاده می کنند ، ولی با این وجود هیدروژنی که بیرون می دهند خالص نیست و این امر، بازده سلول سوختی را کاهش می دهد.

برخی از سوختهایی که بیشتر مورد توجه اند: گاز طبیعی، پروپان و متانول هستند.

در حال حاضر بسیاری از مردم ، لوله کشی گاز طبیعی یا مخزن پروپان در خانه شان دارند.

بنابراین محتمل ترین سوختها برای استفاده در سلولهای سوختی خانگی اینها هستند.

متانول سوختی مایع با خواصی مشابه بنزین است.

مانند آن براحتی قابل حمل و توزیع است، بنابراین متانول ممکن است گزینه خوبی برای تأمین سوخت ماشینی با سلول سوختی باشد.

اهداف سلول سوختی: کاهش آلودگی یکی از اهداف اصلی سلول سوختی است.

با مقایسه ماشینی با سلول سوختی و ماشینی بنزینی و ماشینی با باتری، می توان دید که امروزه سلول سوختی چگونه می تواند بازده ماشینها را افزایش دهد.

از آنجایی که هر سه نوع ماشین اجزای مشابه بسیاری(تایرها، جعبه دنده، …) دارند؛ ما با آن اجزای ماشین کاری نداریم و بازده ها را تا جایی که انرژی مکانیکی تولید شود، مقایسه می کنیم.

با ماشینی که با سلول سوختی کار می کند شروع می کنیم.(توجه کنید که همه این بازده ها تخمینی اند ولی آنقدر به مقدار واقعی نزدیک هستند که یک مقایسه درست داشته باشیم.) اگر سلول سوختی با هیدروژن خالص سوخت دهی شود پتانسیل بازده 80 درصد را نیز دارد.

یعنی 80 درصد گنجایش انرژی هیدروژن را به انرژی الکتریکی بازگرداند.

اما همانطور که در قسمت قبل آموختیم، ذخیره کردن هیدروژن دشوار است.

وقتی یک مبدل را به آن اضافه می کنیم تا متانول را به هیدروژن بازگرداند، بازده کلی 30 تا 40 درصد می شود.

ما هنوز نیاز داریم که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کنیم.

این کار بوسیله یک موتور الکتریکی تمام می شود.

بازده منطقی که برای موتور در نظر گرفته می شود حدود 80 درصد است.

بنابراین ما 30 تا 40 درصد بازده تبدیل متانول به الکتریسیته و 80 درصد بازده تبدیل الکتریسیته به انرژی مکانیکی داریم که به ما بازده کلی حدود 24 تا 32 درصد می دهد.