تولید انرژی از ارتعاشات مکانیکی به زبان ساده
- Mojtaba
- 25 شهریور 1399
- 12:37
- No Comments
در این مقاله قصد معرفی و توضیح درباره تولید انرژی از ارتعاشات مکانیکی داریم. ایده تولید انرژی از ارتعاشات مکانیکی امروزه بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است. توجه داشته باشید که اصطلاح تولید انرژی همان برداشت/کسب انرژی میباشد. در این فرآیند، ارتعاشات سیستم باعت ایجاد تغییرمکان شده و سپس تغییرمکان به ولتاژ تبدیل میشود. ابتدا مقدمهای کوتاه درباره کلیات ارائه شده و سپس به جزئیات آن میپردازیم. با ما همراه باشید.
مقدمه
فرآیند بهدستآوردن انرژی از محیط اطراف و تبدیل آن به انرژی الکتریکی را تولید/کسب انرژی (Energy Harvesting) گویند. ایده تولید انرژی از منابع محیطی، تازه نیست و تاریخ آن به آسیاب بادی و آب چاله باز میگردد. برای چندین دهه، محققان در حال ایجاد تکنیکهایی برای تولید انرژی از گرما و سایر منابع محیطی هستند. یکی از روشهای رایج استفاده از انرژی محیطی، استفاده از انرژی مکانیکی در فرم ارتعاشات است. در واقع در این فرآیند از انرژی دینامیکی سیستم برای تولید انرژی در شکل الکتریکی استفاده میشود. برای تبدیل ارتعاشات به الکریسیته میتوان از روشهایی نظیر الکترومغناطیس، پیزوالکتریک و الکترواستاتیک استفاده نمود. البته مکانیزم پیزوالکتریک بدلیل راحتی در استفاده و کوپلینگ عالی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد.
در واقع با تبدیل انرژیهای محیط به فرم الکتریکی، میتوان از آن در سایر زمینهها به راحتی استفاده نمود. با پیشرفتهای اخیر تکنولوژی در زندگی روزمره، تقاضا برای وسایل الکترونیکی قابل حمل و کممصرف رو به افزایش است. درحال حاضر این فرآیند در سیستمهای کوچک (میکرو) بسیار مفید واقع شده است. یک ایده جالب از تولید انرژی از ارتعاشات مکانیکی، استفاده از انرژی ارتعاشی حرکت کفش است. در این سیستم درون کفش حسگرهای پیزو نصب شده و انرژی الکتریکی کمی تولید میکند. این مقدار انرژی برای شارژ تلفن همراه، تجهیزات کممصرف بیسیم و… مناسب است. در ادامه ایدههای جذابتر معرفی میشوند. در ادامه با جزئیات بیشتر فرآیند تولید انرژی و تبدیل ارتعاشات به الکتریسیته را توضیح میدهیم.
آموزش دینامیک به زبانی کاملا ساده توسط رتبه برتر المپیاد!
سیستم ارتعاشی
تا به امروز بیشترین سیستم ارتعاشی که برای تولید انرژی انتخاب شده است، تیر یکسر گیردار است. دلیل استفاده زیاد از این سیستم دلایلی چون سادگی، کاربرد و قابلیت تعمیم به سایر سیستمها میباشد. مثلا ارتعاشات بال هواپیما را درنظر بگیرید. هندسه بال هواپیما بصورت تیر یکسر گیردار ذوزنقهای میباشد. در واقع در محل اتصال بال به بدنه، بیشترین عرض و در انتهای بال، کمترین سطح مقطع را داریم. با بررسی ارتعاشات و فرآیند تولید انرژی از تیر یکسر گیردار ذوزنقهای، میتوان آن را به بال هواپیما تعمیم داد. در این سیستم، تولید انرژی میتواند کمک بسیار زیادی به بحث مانیتورینگ و پایش سلامت بال بکند. مثلا میتوان سیستمی را روی بال هواپیما درنظر گرفت تا پایش سلامت همواره در طول پرواز صورت بگیرد. انرژی این سیستم را میتوان از ارتعاشات بال به آسانی استخراج نمود. این سیستم یکی از ابتداییترین سیستمهای موجود در زمینه MEMS (سیستمهای الکترومکانیکی در ابعاد میکرو) میباشد.
البته که موضوع تولید انرژی از ارتعاشات مکانیکی فقط به همینجا ختم نمیشود. در هر سیستمی که بتوان دامنه بیشتری از ارتعاشات را داشت، میتوان ولتاژ بیشتری نیز تولید کرد. به همین دلیل سایر سیستمها نیز بررسی و تحلیل شدهاند. در سالهای اخیر سیستمهای جدیدی نظیر پوسته استوانهای، کروی، مخروطی و… نیز ارائه و بررسی شدهاست. با ایجاد تغییر در پارامترها و یا هندسه سیستم، افزایش دامنه ارتعاش و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی بیشتر را خواهیم داشت. ایدهی جذابی که در این زمینه وجود دارد استفاده از انرژی ارتعاشات بدنه هواپیما و جتها میباشد. مشابه با بال هواپیما، از ارتعاشات بدنه آن نیز میتوان انرژی را استخراج نمود.
تولید انرژی
مکانیزمهای مختلفی که برای تبدیل انرژی مکانیکی (ارتعاشات) به الکتریسیته وجود دارد. این مکانیزمها عبارتند از الکترومغناطیس، پیزوالکتریک و الکترواستاتیک. پیزوالکتریک به دلیل راحتی استفاده، دارا بودن خاصیت ذاتی کوپلینگ الکترومکانیکی و چگالی توان بالا بیشتر مورد استفاده قرارگرفته است. همچنین در این زمینه مقالات علمی پژوهشی بسیار زیادی منتشر شدهاست. همانطور که ذکرشد متداولترین وسیله تولید انرژی از ارتعاشات، تیر یکسر گیردار با یک یا چند لایه پیزوالکتریک است. کرنش دینامیکی ایجاد شده در لایههای پیزوالکتریک منجر به تولید ولتاژ الکتریکی میگردد که به وسیله الکترودهایی که سطح لایه پیزوالکتریک را میپوشانند، جمعآوری و ذخیره میشود. از لحاظ ریاضی فرآیند تبدیل انرژی مکانیکی (ارتعاشات) به انرژی الکتریکی قابل استفاده را میتوان بوسیله روابط ساختاری پیزوالکتریک و همچنین روابط مقاومت مصالح تشریح نمود. ولتاژ ایجاد شده که بطور مستقیم از کرنش لایههای پیزوالکتریک ایجاد میشود، به راحتی به انرژی تبدیل میشوند.
خاصیت پیزوالکتریک برای اولین بار روی مواد کریستالی مانند کوارتز در سال 1880 توسط برادران کیوری کشف شد. در واقع پیزوالکتریک فشار مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل میکند. تبدیل فشار به الکتریسته را اثر مستقیم پیزوالکتریک و تبدیل الکتریسیته به فشار را اثر معکوس پیزوالکتریک مینامند. البته توجه داشته باشید که فشار با کرنش، تغییرمکان و کلیه مفاهیم مکانیکی ارتباط دارد. به همین دلیل در این مقاله بارها ذکر شد که تغییرمکان به ولتاژ الکتریکی تبدیل میشود. از پیزوالکتریک در بسیاری از تجهیزاتی که در پیرامون خود میبینید استفاده شده است. مثلا در تمام میکروفونها، گوشی تلفن همراه، گرامافون و… وجود پیزوالکتریک ضروری میباشد. هنگامی که با دستیار صوتی موبایل خود صحبت میکنید، صدای شما توسط پیزوالکتریک از حالت مکانیکی به الکتریکی تبدیل میشود.
کوپلینگ الکترومکانیکی
پس از شناخت سیستم ارتعاشی و سیستم تولید کننده انرژی بایستی ارتباط این دو را بیابیم. در فرآیند تولید انرژی از ارتعاشات مکانیکی، ارتعاشات تولید تغییرمکان کرده و تغییرمکان توسط پیزوالکتریک به ولتاژ تبدیل میشود. کوپلینگ (ارتباط) سیستم ارتعاشی و الکتریکی توسط پیزوالکتریک صورت میگیرد. سپس معادلات اساسی پیزوالکتریک برحسب تغییرمکان و یا کرنشهای مکانیکی نوشته میشوند. در این معادلات ضرایبی چون نفوذپذیری پیزوالکتریک وجود دارند. هرچه ضریب نفوذپذیری الکتریکی یک ماده پیزوالکتریک بزرگتر باشد، طبیعتاً انرژی بیشتری حاصل میشود.
معادلات حاصل بصورت معادلات دیفرانسیل میباشند. برای حل این معادلات گاهی مجبور به استفاده از حلهای عددی میشویم. چراکه پاسخ تحلیلی برای این معادلات وجود ندارد. برای اطلاع بیشتر از حل معادلات میتوانید به بخش آموزش متلب در وبلاگ گام98 مراجعه کنید.
زمینه کاربرد
تولید انرژی از ارتعاشات را میتوان در هر سیستمی بکار برد. این سیستمها میتوانند در هر زمینهای باشند. از ارتعاشات ساختمانهای بلند گرفته تا پل، وسایل نقلیه، قطار، کشتی و… و حتی کفش. رژه و حرکات نظامی سربازان را درنظر بگیرید. در این مراسمهای صبحگاهی که شامل حرکات زیاد در مدت طولانی است، میتوان از انرژی ارتعاشی کفش استفاده کرد. در واقع هنگام ضربه کفی کفش به زمین انرژی بسیار زیادی در فرآیند ضربه ردوبدل میشود. با دریافت و تبدیل این انرژی، میتوان برق موردنیاز برای تجهیزات الکترونیکی سربازان را فراهم آورد. از طرفی گاهی قصد ما از تولید انرژی از ارتعاشات صرفا مقداری کم برای پایش سلامت خودِ سیستم میباشد. چرا که سیستمهای پایش سلامت انرژی بسیار کمی نیاز دارند. گاهی نیز مکان قرارگیری باتری تجهیزات به نحوی است که دسترسی بسیار سختی دارد. در این موارد میتوان با استفاده از ارتعاشات سیستم، راهی برای شارژ مجدد باتری پیدا کرد.
اما لازم به ذکر است که چند جنبه مهم را باید برای تولید انرژی درنظر گرفت. یکی از مهمترین جنبههای آن، بازده میباشد. بدین معنا که با نصب تجهیزات لازم برروی یک سیستم ارتعاشی، آیا انرژی تولیدی مقداری قابل توجه خواهد داشت؟ در حال حاضر پاسخ به این سوال کمی دشوار است چرا که تحقیقات زیادی در حال انجام است. در سیستمهای میکرو، این فرآیند سربلند از آزمایش بیرون آمده و هزینههای مصرفی را جبران نموده است. مثلا در بسیاری از سیستمهای کوچک (میکرو) این مقدار انرژی در حد میلی وات میباشد. اما در سیستمهای ماکرو (ابعاد نسبتاً بزرگ) هنوز پاسخ قطعی نمیتوان ارائه داد. مثلا میتوان آیا میتوان از ارتعاشات قطار در مسیر حرکت انرژی الکتریکی قابل توجهی بدست آورد؟ آیا استفاده از ارتعاشات حرکت خودرو (که دامنه ارتعاشی زیادی هم دارد) بصرفه است؟
سخن آخر
در این مقاله سعی کردیم که شما را با جنبههای مختلف تولید انرژی از ارتعاشات مکانیکی آشنا کنیم. توضیحات ارائه شده در این مقاله که با زبان ساده و عامیانه ارائه شد از منابع علمی معتبر دریافت شدهاست. تاریخچه، نحوه تولید انرژی از ارتعاشات و ایدههای نو از جمله موارد کلیدی این موضوع میباشند. تصور میشود با گسترش این علم، مشکلات باتریهای سنتی بطور کامل حذف شوند. مشکلاتی نظیر نیاز به شارژ، وزن زیاد، فضای زیاد و… از مهمترین معضلات باتریهای سنتی میباشند. با توجه به تجدیدپذیر بودن این انرژی و معضل سوختهای فسیلی، تصور میشود این نوع انرژی جایگزین بسیار خوبی در آینده باشد. البته که تا امروز، تولید انرژی توان پاسخگویی به انرژی زیاد سیستم را ندارد. اما با رشد روز افزون تکنولوژی مواد، این مقدار در آینده میتواند افزایش چشمگیری داشته باشد. به امید داشتن دنیایی سبزِ سبز!
این مقاله آموزشی به کوشش تیم تولید محتوای علمی گام98 در راستای ارتقای دانش و استفاده از آن نوشته شده است. درصورتی مفید بودن این مطلب آن را برای دوستان خود به اشتراک بذارید.
دیدگاهتان را بنویسید