Aenert. Research Laboratory news
يعتبر الهيدروجين أحد ركائز التحول الوشيك للطاقة. ومع ذلك، فإن الغاز يجلب العديد من التحديات فيما يتعلق بنقله الآمن لأنه شديد الانفجار وبالتالي يجب نقله في صهاريج الضغط العالي. يبلغ ضغط هذه الخزانات 700 بار وهي مصنوعة من مركبات مقواة بالألياف (FRC). بالمقارنة مع الخزانات المعدنية، فهي مثالية للاستخدام في قطاع التنقل والنقل بسبب كتلتها المنخفضة.
ولضمان أعلى مستويات الأمان، تخضع خزانات الضغط H2لاختبارات مكثفة قبل استخدامها لأول مرة. ومن المهم أيضًا أن تحافظ الخزانات على سلامتها في مواجهة الضغوط المتكررة الناتجة عن التزود بالوقود وسحب الهيدروجين أو في حالة حدوث ضرر (على سبيل المثال، الاصطدام الخلفي). ولمنع حدوث ذلك، تعد الصيانة الدورية لأنظمة التخزين ذات الضغط العالي ذات أهمية قصوى أيضًا. ومع ذلك، فإن فحص الخزان الذي يتم إجراؤه كل عامين يتكون فقط من فحص بصري خارجي. لا يمكن اكتشاف الأضرار الموجودة داخل الخزان باستخدام طريقة الفحص التقليدية هذه. وبدلاً من ذلك، يمكن تجنب الضرر من خلال المراقبة المستمرة لأوعية الضغط - وهي عملية تُعرف باسم مراقبة الصحة الهيكلية أو SHM للاختصار.
الآن ( 2023 )، في سياق مشروع بحثي مشترك HyMon، يقوم باحثون من معهد فراونهوفر للمتانة الهيكلية وموثوقية النظام LBF بتطوير نظام مراقبة هيكلي قائم على المستشعر يتيح المراقبة المستمرة لخزانات الضغط H2، والتي يهدف إلى توفير مستوى عال من الأمان للمركبات الهيدروجينية.
أحد الأهداف الرئيسية لنظام المراقبة الهيكلية الموجود على متن الطائرة والذي يتميز بأجهزة استشعار مناسبة وإلكترونيات تقييم هو توفير البيانات اللازمة للخدمة والإصلاح. وهنا تلعب أجهزة استشعار الانبعاثات الصوتية دورًا حاسمًا. يعتمد مبدأ العمل على أجهزة الاستشعار التي تكتشف الموجات الصوتية عالية التردد. إذا تمزقت ألياف الكربون في خزان الضغط، تتولد موجة صوتية تنتقل عبر الألياف. ثم تحدد المستشعرات عدد الألياف المكسورة. يمكن لحالات التحميل الخاصة، مثل الاصطدامات الخلفية، أن تلحق الضرر بالمناطق المحلية من الخزانات، مما يتسبب في كسر الكثير من الألياف في فترة زمنية قصيرة جدًا. تتم معالجة إشارات القياس بواسطة إلكترونيات التقييم لتوفير معلومات حول الحالة الصحية للخزان. يجري تطوير الخوارزميات والأساليب اللازمة للكشف عن فواصل الألياف في Fraunhofer LBF. وتشمل هذه، على سبيل المثال، تحليلات تردد الموجات الصوتية.
بالإضافة إلى أجهزة استشعار الانبعاثات الصوتية، تم أيضًا دمج أجهزة استشعار ضغط الألياف الضوئية في الخزانات. وهي تتكون من ألياف زجاجية موصلة للضوء مع أجهزة استشعار شبكية من الألياف Bragg مدمجة فيها. يتم تغليف الألياف الزجاجية بطبقة FRC للخزان أثناء التصنيع أو تطبيقها على السطح بعد ذلك لتمكين المراقبة الآلية المستمرة أو الدورية للسلالات في خزان الهيدروجين. على عكس أجهزة استشعار الضغط التقليدية، تعد هذه الألياف الزجاجية مناسبة بشكل خاص لمراقبة المواد البلاستيكية المقواة بألياف الكربون نظرًا لمرونتها في التعامل مع سلالات المواد العالية ودورات التحميل. يتم استخدام بيانات القياس من أجهزة استشعار الضغط أولاً للتحقق من نماذج الحساب لخزانات الضغط وثانيًا للحصول على نظرة ثاقبة حول كيفية تغير سلوك المادة طوال عمر خدمة الخزان من أجل استخلاص استنتاجات حول حالة الكلال للمادة.
ستتضمن المرحلة الأولى من عملية الاختبار إنتاج أنواع مختلفة من الضرر مثل فواصل الألياف أو فواصل المصفوفة أو التشققات في منصة الاختبار في Fraunhofer LBF بمساعدة عينة مسطحة من ألياف الكربون مجهزة بأجهزة استشعار. سيتم تسجيل إشارات الضرر مع أجهزة الاستشعار. بعد ذلك، سيتم تقييم أجهزة الاستشعار لمعرفة ما إذا كانت قادرة على تسجيل الإشارات بجودة كافية وما إذا كانت الخوارزميات قادرة على تصنيف آليات الضرر بشكل صحيح على أساس الإشارات. وفي الخطوة التالية، سيتم اختبار نظام الاستشعار بأكمله داخل نماذج الخزانات ذات الجدران الرقيقة ومن ثم على خزانات الهيدروجين عالية الضغط، والتي تتعرض لضغوط دورية تحت ضغط داخلي حتى يحدث الفشل. تريد فرق البحث معرفة عدد أجهزة الاستشعار اللازمة للمراقبة الهيكلية، وأين يجب وضعها، وما هي المواد اللاصقة الأكثر ملاءمة لربطها بخزان الهيدروجين. وفي نهاية المطاف، سيتم تجهيز مركبة الاختبار بأجهزة استشعار ومراقبة هيكلية على متنها، وسيتم التحقق من صحتها من خلال الجمع بين التصادم الافتراضي وإعدادات الاختبار الواقعية.
في ظل أزمة الطاقة الحالية، أصبح تخزين الطاقة بكفاءة أولوية قصوى للعديد من الصناعات. في عام 2020قام العلماء بعمل نموذج وقاموا بتحليل أوعية تخزين الهيدروجين بالإضافة إلى التحليل الهيكلي والحراري الكامل. لقد أكملوا التصميم الهيكلي الأساسي لخزان الهيدروجين السائل المبرد المحمول جواً في هذا البحث. تمت معالجة مشكلة التسرب الحراري المفرط لهيكل الدعم التقليدي من خلال إنشاء هيكل دعم عازل جديد. ثم قاموا بتقييم الأداء الحراري للخزان المصمم. تم تحليل هيكل الخزان من خلال الجمع بين نظرية حاوية الفيلم وطريقة المحاكاة العددية للعناصر المحدودة. تم تحليل بنية الدعم الأديابي باستخدام نظرية الاتصال هيرتز وطريقة المحاكاة العددية. تم إنشاء طريقة تحليل بنية بسيطة لتصميم بنية حاوية مماثلة وبنية دعم نقطة الاتصال. سيتم أيضًا توفير قواعد لمزيد من التصميم الهيكلي الأمثل لخزان الهيدروجين. تم إجراء التحليل باستخدام مواد مثل التيتانيوم وسبائك النيكل وبعض المساحيق المطلية مثل الألومينا والتيتانيا وأكسيد الزركونيوم.
Image: (from left to right) Titanium, nickel, zirconium
Source: Siddharth Senthil Kumar, Bibin Chidambaranathan, Ramachandran Manickam/ Design and Analysis of Hydrogen Storage Tank with Different Materials by Ansys/ IOP Conference Series Materials Science and Engineering 810(1):012016, May 2020/ DOI:10.1088/1757-899X/810/1/012016/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the CC BY 3.0 Deed Attribution 3.0 Unported
في عام 2020 ، سلوك غاز الهيدروجين المضغوط في خزان الهيدروجين تم تحليله لتصريفه. تم فحص تأثيرات نماذج الغاز لمراعاة سلوك غاز الهيدروجين عند درجة حرارة التفريغ وظروف الضغط. تم تحليل تأثيرات نموذج الاضطراب للنظر في دقة كل نموذج ومقارنتها من حيث شدة الاضطراب. ومن دراسة تأثير نموذج الغاز، تبين أن معادلة ريدليش-كوونغ (معادلة جبرية تجريبية تربط بين درجة الحرارة والضغط وحجم الغازات) هي أحد نماذج الغاز الواقعية لتدفق الغاز المفرغ. في هذا المجال، يمكن لنموذج نقل إجهاد القص ونموذج إجهاد رينولدز تحليل سلوك الغاز المضغوط بشكل أكثر دقة، مما يدل على شدة اضطراب أقل من تلك الموجودة في نماذج المجموعة القابلة للتحقيق وإعادة التطبيع.
Image: The cross-section of a 74-L Type III hydrogen tank
Source: Moo-Sun Kim, Joon-Hyoung Ryu, Seung-Jun Oh, Jeong-Hyeon Yang/ Numerical Investigation on Influence of Gas and Turbulence Model for Type III Hydrogen Tank under Discharge Condition/ Energies 13(23):6432, December 2020/ DOI:10.3390/en13236432/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
هناك العديد من المزايا لاستخدام أجهزة الاستشعار على الخزان: يمكنها التقاط الموجات الصوتية عالية التردد عند انقطاع الألياف، مما يمكّن الخوارزميات من اكتشاف الألياف المكسورة وإحصائها. يكون خزان الهيدروجين في نهاية عمره الإنتاجي إذا زاد معدل تكسر الألياف فجأة. كما أن المراقبة الهيكلية المستمرة على متن الطائرة تضمن زيادة مستوى الأمان لمركبات الهيدروجين، حيث يمكن تقييم الضرر المحتمل حتى في حالة التأثيرات الطفيفة، مثل الاصطدام بحاجز، ويمكن تقدير العمر التشغيلي المتبقي للخزان. علاوة على ذلك، فإن ضمان الجودة الشامل له فائدة تجنب الاستبدال غير الضروري لخزانات الهيدروجين.
هدف شركاء المشروع هو تطوير النظام الكامل إلى نظام قياسي لمراقبة الحالة للتطبيقات المستقبلية. فريق البحث واثق من أن نظامهم سيقدم مساهمة قيمة نحو اقتصاد الهيدروجين المستدام.
من قبل هيئة التحرير
خزانات الهيدروجين للسيارات
ترجمت مع ترجمة جوجل
