چه چیزی باعث می شود یک دوچرخه برقی مدرن یا موتورسیکلت های برقی، بسیار خوب و مثبت عمل کنند؟ این فناوری ها بر چه اساسی پایه گذاری شده اند و آینده آنها به چه صورت تغییر خواهد کرد؟ آیا نسل جدید موتورها و دوچرخه های برقی را می توان در جوامع به عنوان یک وسیله نقلیه محبوب و کاربردی معرفی کرد؟ منبع انرژی برای این دو وسیله نقلیه ساده چیست و آیا برای محیط زیست خطری ندارند؟…. این ها مسائلی هستند که در این مطلب قصد داریم به آنها بپردازیم.

مقدمه ای بر فناوری دوچرخه های برقی

دوچرخه های برقی وسایل نقلیه ای هستند که در شکل ظاهری همانند سایر دوچرخه های عادی هستند با این تفاوت که پدال دوچرخه به منبع تأمین انرژی الکتریکی متصل است. این فناوری ها شاید در ابتدا کمی پیچیده به نظر برسند اما در حقیقت همان چیزی است که باعث به حرکت در آمدن دوچرخه می شود. سال های زیادی است که دوچرخه های برقی به دنیای علم و فناوری معرفی شده اند اما نسل جدید و شناخته شده آنها در سال 1990، طراحی و ارائه شد. در اواسط دهه 2000 بود که یک فناوری کمکی، همراه با باتری لیتیم- یون، ورود به دوره ای جدید را برای سیستم های حمل و نقل هموارتر کرد.

فناوری طراحی و منبع انرژی در دوچرخه های برقی

در این قسمت تصمیم داریم به پنج مورد از بهترین پیشرفت های فناوری اشاره کنیم که با تکیه بر آنها، امکان استفاده از دوچرخه های برقی ارزان قیمت و کم مصرف از نظر انرژی را فراهم می کند:

1- یک باتری قابل شارژ با چگالی بالا و مقرون به صرفه برای تأمین انرژی

بهترین و متداول ترین منبع تأمین انرژی که برای دوچرخه های برقی معرفی شد، همان باتری های یون-لیتیم بود. این ماده شیمیایی (لیتیوم-یون) در سال 1992 توسط شرکت سونی، تجاری سازی شد و هم اکنون به عنوان منبع تأمین انرژی برای همه اتومبیل های الکتریکی، تلفن های همراه و تقریباً همه دستگاه های مدرن دیگر به کار می رود.

باتری های دوچرخه برقی معمولی فقط 6-7 پوند وزن دارند و می توانند 1000 چرخه شارژ – تخلیه را پشتیبانی کنند. این باتری ها توسط سیستم های الکترونیکی محافظت می شوند که از افزایش درجه حرارت بیش از حد در باتری ها جلوگیری می کنند (= شارژ و تخلیه باتری باعث تولید گرما می شود) و همچنین آسیب ناشی از تخلیه بیش از حد باتری را حذف می کنند.

شکل شماره 1: درون محفظه موتور بوش در دوچرخه برقی، یک آرایش پیچیده از چرخ دنده ها، مدارها و یک موتور آهنربای دائمی قرار داده شده است. علیرغم ماهیت پیچیده این نوع طراحی، هنوز فاکتور Q یا عرض بین میل لنگ ها فقط 10 میلی متر بیشتر از یک دوچرخه استاندارد است.

-طراحی موتورهای برقی سبک، قدرتمند و با دوام

موتور به کار رفته در دوچرخه های برقی از نوع موتورهای DC بدون آهنربای دائمی هستند؛ اندازه آنها کوچک است و به آهنرباهای ساخته شده از فلزات خاکی کمیاب مانند نئودیمیم (10 برابر قدرتمندتر از Alnico) شباهت دارد. این نوع فناوری باعث شده استارت های موتور در دوچرخه های برقی، بسیار کوچک تر باشد.

3-سنسورهای دقیق

سنسورهای دقیق، غیر تماسی و مقرون به صرفه برای دوچرخه های برقی تعبیه شده است. زمانی که نیروی گشتاوری را روی شفت پدال وارد می کنید، سنسورها مسئول اندازه گیری این نیروی وارد شده هستند. این گشتاور موجب می شود شفت در یک جهت خاص، دارای خاصیت مغناطیسی شود. گشتاور اعمال شده توسط پدال، با کمی پیچش در شفت، خاصیت مغناطیسی را به یک فاکتور قابل اندازه گیری تغییر می دهد. این اثر را خاصیت مغناطیسی در دوچرخه برقی می نامند.

4-سیستم الکترونیک قدرت مبتنی بر سوئیچ سریع بین ترانزیستورهای عایق دو قطبی.

یکی دیگر از فناوری هایی که در دوچرخه های برقی دیده می شوند، سیستم الکترونیکی قوی مبتنی بر ترانزیستورها است. سنسورها به طور مداوم موقعیت زاویه ای روتور (چرخنده) در موتور را کنترل می کنند. جابجایی ترانزیستورهای عایق دو قطبی، یک فاز فشرده از جریان باتری را به اکثر سیم پیچ های استاتور موتور اعمال می کند. این حالت، یک میدان مغناطیسی چرخشی ایجاد می کند که کمی پیش تر از آهنرباهای دائمی چرخان روتور، اثرات آنها باقی خواهد ماند؛ در نتیجه، این آهنرباهای چرخان را با سرعت موتور- از صفر تا 4500 دور در دقیقه – به شدت به چرخش در می آورد. سپس گشتاور موتور، چند برابر شده و سرعت آن در دو یا چند مرحله، کاهش می یابد. این نوع عملکرد به شما کمک می کند تا با دوچرخه های برقی، بهتر رانندگی کنید.

5-قابلیت جفت شدن با سایر دستگاه ها

قابلیت اتصال دیجیتال از دوچرخه برقی با سایر سیستم ها به شما امکان می دهد از طریق یک تلفن هوشمند یا دستگاه دیگر، با سیستم موتور دوچرخه خود ارتباط داشته باشید. اگرچه این فناوری لزوماً در عملکرد دوچرخه های برقی، یک عامل کلیدی نیست، اما این نوع رابط، امکان کنترل عالی عملکرد، کنترل سرعت و موارد دیگر را فراهم می کند. تمام این نوع طراحی ها موجب می شوند شما از کار کردن با دوچرخه برقی بسیار لذت ببرید.

نگاهی بر فناوری موتورسیکلت های برقی

آینده برای فناوری موتور سیکلت های برقی بسیار بهتر و روشن تر به نظر می رسد! اما باید بررسی کنیم و ببینیم چرا اینطور است؟

بیشتر شدن نگرانی های زیست محیطی منجر به یک رقابت شدید در بین تولید کنندگان وسایل نقلیه موتوری شده است. این تولید کنندگان سعی می کنند برای تولید و توسعه وسایل نقلیه الکتریکی از بهترین فناوری ها استفاده کنند. حتی در این میان از طرح های ابتکاری و خلاقانه علمی هم استقبال می کنند. این همان چیزی است که با در نظر گرفتن نیاز مشتریان به دوچرخه های برقی و موتورسیکلت های برقی انجام می شود.

فناوری سبز در چند سال اخیر برای طراحی موتورسیکلت های برقی به کار می رود. این نوع طراحی با توجه به سنجش میزان انتشار کربن در سطح جهانی معرفی شده؛ چیزی که بیشتر دولت ها را به خود جذب کرده است. برخی از عوامل مانند نوسان قیمت بنزین، نگرانی های آلودگی های زیست محیطی و کاهش ذخایر نفت، فاکتورهایی هستند که به رشد تقاضا برای تولید و خرید موتورسیکلت های برقی کمک می کنند.

تولید و تأمین انرژی برقی از راه های بدون آلودگی نظیر نسل جدید باتری ها، چیزی است که شرکت های تولید کننده موتورسیکلت های برقی را بر آن داشته تا استراتژی های خود را برای طراحی موتور و دوچرخه های برقی برجسته تر، مشخص کنند. ویژگی های موتور سیکلت های برتر مانند افزایش سرعت، قدرت بیشتر، حداکثر گشتاور، جذابیت، زیبایی و بالاترین برد (دامنه)، سفر را برای مشتریان ساده تر ساخته است. این وسایل نقلیه در آینده قرار است مشتریان بسیاری را به خود جذب کند.

منابع تأمین انرژی برای موتورسیکلت های برقی (+ دوچرخه های برقی)

فعالان این صنعت معتقدند ظهور باتری های یون- لیتیم (Li-ion) تعریف جدیدی از صنعت موتور سیکلت و دوچرخه های برقی را ارائه داده است. کشش قابل توجهی به سمت باتری های لیتیم- یون وجود دارد. این باتری ها با کاهش نیاز به نگهداری، بهینه سازی دامنه حرکت و ارتقای منبع تأمین انرژی، عملکرد کلی این وسایل نقلیه را تقویت می کنند.

اجرای دستورالعمل های  مربوط به کنترل میزان آلایندگی و ایمنی بیشتر، میزان تقاضا برای موتورسیکلت های برقی را افزایش داده است. با توجه به اینکه دوچرخه های برقی و موتورسیکلت ها در آینده به سیستم حمل و نقل معرفی می شوند، پیش بینی می شود درآمد صنعت موتور سیکلت برقی تا میزان قابل توجهی افزایش داشته باشد. حتی این وسایل می توانند در مسابقات هم به کار روند.

با سامانه ساینوا آشنا شوید.

مقدمه‌ای بر سلول‌های الکتروشیمیایی و باتری فلز-هوا

افزایش روزافزون آلودگی‌های زیست محیطی و گرمایش بی‌سابقه‌ی جهانی به دنبال استفاده از سوخت‌های فسیلی و البته محدودیت این منابع سبب افزایش توجه کشورهای مختلف دنیا به حوزه‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک و نیز اختصاص بخش کلانی از بودجه‌ی پژوهشی آن‌ها به این بخش شده است.

انرژی الکتریکی می‌تواند یکی از بهترین جایگزین‌ها برای سوخت‌های فسیلی در آینده باشد. روش‌های تجدیدپذیر و پاک متعددی برای تولید انرژی الکتریکی وجود دارد که از آن جمله می‌توان به توربین‌های آبی در نیروگاه‌های برق-آبی، توربین‌های بادی در نیروگاه‌های بادی و صفحات خورشیدی اشاره کرد که هرکدام مزایا و معایب خود را دارند.

یکی از روش‌های نسبتا پاک و تجدیدپذیر برای تولید انرژی الکتریکی استفاده از سلول‌های الکتروشیمیایی است. این سلول‌ها که در اصطلاح عام به باتری معروفند، انواع مختلفی دارند و ما قصد داریم در این مقاله به معرفی باتری فلز-هوا بپردازیم.

همانگونه که در شکل فوق می‌بینید، باتری‌های فلز هوا دارای یک آند فلزی از جنس آلومینیوم، منیزیم، روی، لیتیوم یا فلزات دیگر یا آلیاژی از این فلزات و یک الکترولیت که می‌تواند محلولی آبی یا آلی یا نوعی جامد باشد، تشکیل شده است و از هوا به عنوان کاتد استفاده می‌کند. در این نوع از سلول‌های الکتروشیمیایی، اکسیژن مولکولی موجود در هوا در مرز آند با الکترولیت با فلز واکنش داده و فلز را یونیزه می‌کند. سپس یون‌های آزاد فلزی وارد محلول الکترولیت می‌شوند و جریان الکتریکی در باتری برقرار می‌شود. واکنش‌های شیمیایی باتری‌های هوا-فلز به صورت زیر رخ می‌دهند (در این مثال از روی به عنوان آند استفاده شده است):

مشخصات آند در باتری هوا-فلز

پتانسیل اکسیداسیون فلزهای مختلف با هم دیگر متفاوت است و بنابراین در هر باتری که، بسته به نوع کاربرد، از فلز خاصی به عنوان آند در باتری‌های هوا-فلز استفاده می‌کنند. یکی از متغیرهای تأثیرگذار در انتخاب یک باتری‌ هوا-فلز برای کاربردی خاص، انرژی ویژه است. در جدول زیر انرژی مخصوص چند نوع از باتری‌های هوا-فلز آورده شده است:

مزایای استفاده از فلز به عنوان آند در سلول‌های الکتروشیمیایی عبارتند از: چگالی بالای انرژی و وفور مواد اولیه برای ساخت. با ان حال، فعالیت فلزات ضعیف است و توانایی کمی در تخلیه‌ی جریان دارند. یکی از انوع باتری هوا-فلز که دهه‌های اخیر توجهات زیادی را به خود جلب کرد‌ه‌‌اند، باتری‌های لیتیوم-هوا هستند که انرژی مخصوص بالایی دارند ولی واکنش‌پذیری بالای لیتیوم در این باتری‌ها می‌تواند خطرآفرین باشد.

پژوهش‌های زیادی نیز روی باتری‌های منیزیم-هوا نیز به دلیل منابع زیاد و دردسترس منیزیم، وزن پایین، سمی‌نبودن و واکنش‌پذیری خیلی بالا و در عین حال، ایمن بودن، صورت گرفته است. این باتری‌ها بیشترین ولتاژ نظری را در میان دیگر باتری‌های هوا-فلز دارند. در جدول زیر می‌توانید ولتاژهای نظر باتری‌های هوا-فلز که در ساخت آن‌ها از فلزات متفاوتی استفاده شده است ببینید.

همانطور که در جدول فوق می‌بینید، بیشترین ولتاژ نظری متعلق به باتری‌هایی است که در ساخت آن‌ها از آند منیزیمی استفاده می‌شود، اما بیشتری ولتاژ عملی را باتری‌های لیتیومی دارند. فلز روی نیز ضعیف‌ترین آندها را می‌سازد ولی ارزان و فراوان است.

مشخصات کاتد در باتری‌های هوا-فلز

ماده‌ی اصلی که در باتری هوا-فلز نقش کاتد را ایفا می‌کند اکسیژن است ولی نوع جایگاه کاتد برای فراهم آوردن دسترسی اکسیژن به فلز به منظور انجام واکنش‌های متعاقب، از اهمیت بالایی برخوردار است.

در شکل شماتیک فوق می‌توانید ساختار کلی کاتد را در باتری هوا-فلز ببینید. هوا از منافذ یک پوشش آبگریز وارد کاتد می‌شود. پوشش آبگریز می‌تواند از جنس تفلون یا واکس باشدکه خواص آبگریزی دارند. سپس هوا از یک فوم که معمولا از جنس مخلوط پودر کربن ولکان یا استیلن و یک ماده‌ی هیدروفوب است و لایه‌ی انتشار گاز نامیده می‌شود عبور می‌کند.

لایه‌ی بعدی در کاتد باتری هوا-فلز، کاتالیست است که کار آن افزایش سرعت واکنش احیای اکسیژن می‌باشد. از فلزات گران‌بها، مواد دارای پایه کربنی، کمپلکس‌های فلزی یا اکسیدهای فلزی گذرا به عنوان کاتالیست استفاده می‌شود. لایه‌ی چهارم کاتد در این نوع باتری‌ها لایه‌ی جمع‌آوری جریان نام دارد. در جدول زیر می‌توانید انواع کاتالیست‌های مختلف در انواع باتری هوا-فلز را ببینید.

قیمت بالا فلزات گران‌بها مهم‌ترین عامل محدودکننده‌ی استفاده از آن‌هاست. بهترین کاتالیست در میان کاتالیست‌های گران‌بها، پلاتینیوم است. اکسیدهای فلزی گذرا به دلیل قیمت پایین جایگزین مناسبی برای فلزات گران‌بها هستند ولی پایداری پایینی دارند. مواد دارای پایه‌ی کربنی نیز ارزان هستند ولی پایداری خوبی دارند. توجه داشته باشید که نانولوله‌های کربنی به شدت خطرناک و سرطان‌زا می‌باشند. کمپلکس‌های فلزی نیز پایداری خوبی دارند و هزینه‌ی آن‌ها نیز خیلی پایین است و برخلاف نانولوله‌های کربنی، سمی نیستند.

ویژگی‌های الکترولیت در باتری‌های هوا-فلز

الکترولیت با هر دو الکترود باتری هوا-فلز تماس دارد و جریان الکترون‌ها و یون‌ها بین آن‌ها را برقرار می‌کند. نوع الکترولیت به کار رفته در این باتری‌ها به نوع فلز مورد استفاده برای ساخت آند و نوع کاتالیست مورد استفاده برای ساخت کاتد بیشترین وابستگی را دارد.

الکترولیت زمینه‌ی انجام واکنش‌های شیمیایی است و باید پایین‌ترین مقاومت ممکن را برای باتری فراهم آورد تا باتری هوا-فلز بیشتری کارایی ممکن را داشته باشد. از مواد مختلفی به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. بعضی از این مواد دارای pH قلیایی هستند و بعضی نیز pH خنثی دارند.

محلول‌های سدیم کلراید، هیدروژن کلراید، هیدروکسید سدیم، آمونیاک و هیدروکسید پتاسیم، الکترولیت‌های معمول مورد استفاده در باتری‌های هوا-فلز هستند. بیشترین ولتاژ (۷۲/۱ ولت) در بین باتری‌های هوا-فلز، متعلق با باتری هوا-فلزی است که در آند آن از منیزیم و در الکترولیت آن از محلول سیدم کلراید استفاده شده باشد.

بعضی از انواع باتری‌ هوا-فلز دارای داری یک مسیر جریان گردشی برای محلول الکترولیت می‌باشند و در نتیجه دسترسی الکترولیت به آند و کاتد بیشتر شده و از ایجاد حالت ژله‌ای در الکترولیت به دلیل استفاده‌ی زیاد از باتری، جلوگیری می‌شود.

باتری های فلز-هوا در ایرانْ با سامانه سانیوا آشنا شوید