هدف پیزوالکتریک کالیفرنیا: برداشت انرژی سبز از ترافیک

هدف پیزوالکتریک کالیفرنیا: برداشت انرژی سبز از ترافیک

هدف پیزوالکتریک کالیفرنیا: برداشت انرژی سبز از ترافیک

آیا ترافیک با حجم بالا یک منبع خوب برای برداشت انرژی است؟ کميسيون انرژي کالیفرنيا قصد دارد تا به این موضوع پی ببرد به این ترتیب، چگونه دستگاههای پیزوالکتریک می توانند کابوس ترافیک را به رویای انرژی تجدید پذیر تبدیل کنند.

روش های برداشت انرژی اخیرا افزایش یافته است به خصوص با توجه به منابع تجدید پذیر انرژی. منابع تجدید پذیر فقط به خورشید محدود نمی شوند منابع دیگری مانند باد، زمین گرمایی و جزر و مد وجود دارد. تنها مشکل با تمام این اشکال انرژی این است که آنها وابسته به محل و آب و هوا هستند و همیشه در دسترس نیستند. اما در مورد فعالیت های انسانی به عنوان منبع انرژی چه؟ آیا می توان انرژی حاصل از فعالیت های روزمره ما را برای کمک به قدرت جامعه مدرن برداشت کرد؟
شکل خاصی از فعالیت های انسانی که در کالیفرنیا وجود دارد، ترافیک است. کالیفرنیا تصمیم گرفته است تا یک آزمایش انجام دهد تا ببیند آیا می توان انرژی حاصل از لرزش خودرو در جاده را ذخیره کرد.

ایده ی پیزوالکتریک

کالیفرنیا روی آزمایشی سرمایه گذاری کرده است که به موجب آن جاده هایی که ترافیک سنگین را تجربه می کنند با استفاده از مبدل های پیزوالکتریک، انرژی تولید شده توسط وسایل نقلیه (هم در حالت ایستاده و هم در حال حرکت)، به برق تبدیل می شود. این برق پس از آن می تواند به شبکه تغذیه ارسال شود تا قدرت را برای همه چیز از جمله ساختمان ها، خانه ها و چراغ های خیابانی تامین کند.

برداشت انرژی پیزوالکتریک تکنولوژی "جدیدی" نیست بلکه قدمت طولانی دارد در واقع، صرفه جویی در انرژی از ترافیک نه تنها ثابت شده است، بلکه در بعضی از نقاط در حال استفاده می باشد. برای مثال چندین ایستگاه قطار در توکیو از انرژی پیزوالکتریک برای تولید توان مورد نیاز برای اجرای ماشین های بلیط و نمایش های الکترونیکی استفاده می کنند. مثال دیگر یک کلوب شبانه هلندی است که برای روشنایی از کاشی های پیزوالکتریک روی زمین استفاده می کند.

توکیو در برخی از ایستگاه های خود از کاشی های پیزوالکتریک استفاده می کند تا تابلوهای تبلیغاتی را به نمایش بگذارد.
توکیو در برخی از ایستگاه های خود از کاشی های پیزوالکتریک استفاده می کند تا تابلوهای تبلیغاتی را به نمایش بگذارد. عکس از گروه راه آهن ژاپن

با این حال، آیا چنین سیستمی در شرایط ترافیکی کار خواهد کرد و به اندازه کافی برق تولید خواهد شد تا هزینه را جبران کند؟

هزینه برای دستگاه های پیزوالکتریک و خروجی انرژی

دستگاه های پیزوالکتریک معمولا بیشتر برای تولید صداها و اندازه گیری ارتعاشات در مقایسه با تولید برق برای مصرف انرژی استفاده می شود. این باعث می شود اطلاعات انرژی برای برداشت انرژی پیزوالکتریک دشوار باشد. خوشبختانه یک مبدل برای فروش وجود دارد که به طور خاص برای تولید برق در برداشتن انرژی طراحی شده است. در اینجا برخی از مشخصات ذکر شده است:

  • ولتاژ مدار باز در نقطه انحراف = 20.9V
  • جریان مدار بسته در انحراف معیار = 57 میکرومپ
  • خروجی قدرت در انحراف معیار = 7.1mW
  • دمای عملیاتی = -20 ° C تا 90 ° C
  • ابعاد 70mm x 31.8mm (ارتفاع 1.5mm)
  • 1 قطعه = 301 دلار: 100 قطعه = 132 دلار

با توجه به این داده ها، می توانیم تقریبا پروژه ای را انجام دهیم که مقدار انرژی تولید شده توسط دستگاه های پیزو ( ارتعاش 50KH ) در 3.189W / متر مربع است.

هزینه یک مبدل تک (اگر به صورت عمده خریداری می شود) 132 دلار برای هر وسیله است که مجموع هزینه آن 60 هزار دلار در هر متر مربع است (450 دستگاه در یک متر مربع). در حالی که ممکن است مبلغ سنگینی به نظر برسد، این برای یک متر مربع از مواد است که اگر باریک ساخته شود می تواند راه طولانی را در برگیرد. در مورد کالیفرنیا ایده این است که یک جاده 60 متر و یک ژنراتور پیزوالکتریک 2 سانتیمتری در پشته ها ایجاد شود. با این حال این نشان می دهد که دستگاه های پیزو که در این پروژه مورد استفاده قرار می گیرند، نوع رایجتری در الکترونیک روزمره در مقایسه با دستگاه هایی که به طور خاص برای برداشت انرژی طراحی شده اند پیدا خواهند کرد (همانند تولیده شده توسط Piezo Systems Inc)

بیایید نگاهی بندازیم به پیاده رویی که در آن باید یک نوار کامل از پیزو نصب شود تا ذخیره انرژی صورت پذیرد. با توجه به عرض پهنای 1.5 متر پیاده رو، کل مساحت این نوار 90 متر مربع است که هزینه پیزو 5،400،000 دلار را به همراه خواهد داشت و تولید کل انرژی (فرض می شود که مساحت پرشده توسط افراد مسن 50Hz است) 287.01 وات است. با این حال احتمال دارد که دستگاه های پیزو پراکنده شوند، بنابراین اگر ما نمونه را تغییر دهیم که نیاز به پوشش 10٪ از دستگاه های پیزو دارد هزینه آن 540 هزار دلار است که مجموع تولید انرژی آن 28.7 وات است.

با توجه به اینکه یک پنل خورشیدی تنها 1 کیلو وات می تواند به اندازه 1000 دلار هزینه کند، قیمت برداشت برق از راه رفتن به نظر می رسد بسیار شدید است.


یک مکان برای اتومبیل؟

مسائلی فراتر از هزینه های چنین سیستمی وجود دارد و آن زمانیست که وقتی پروژه به سمت عملی شدن پیش رود به بررسی های بیش از نیاز خواهد داشت.
ژنراتورهای پیزو به خوبی در باشگاه های شبانه و ایستگاه های قطار کار می کنند، زیرا مردم به طور کلی بعید است که بخواهند مسیرشان را تغییر دهند. از آنجایی که دستگاه های پیزو بر روی انحراف برای تولید برق متکی هستند راه پله باید برای حرکت و ارتعاش اجازه داده شود تا حداکثر موثر از انرژی برداشت شود. این برای مناطق عابر پیاده مسئله ای نیست چون مردم بسیار مخرب نیستند اما جاده هایی که ترافیک خودرو را اداره می کنند موضوع دیگری است.

دیسک های پیزو
دیسک های پیزو: عالی برای وزوز، نه خیلی برای اتومبیل. عکس از آدام ویسکی [CC-BY-SA-3.0]

اگر می خواهید ایمن و قابل اطمینان باشد جاده ها باید طوری ساخته شود که در برابر صدمات ناشی از لاستیک و آوار مقاوم باشند. به عنوان یک نتیجه، جاده ها تمایل دارند که در اطراف حرکت نکنند و تحت تاثیر قرار گیرند (در عوض آنها به قطعات تقسیم می شوند) این باعث می شود مبدل ها را در زیر جاده های مشکل ساز در دو جهت قرار دهید. هر دو جاده ساخته شده اجازه می دهند تا انرژی ارتعاشی برای رسیدن به مبدل فراهم شود که به طور بالقوه جاده را ضعیف تر می کند یا مبدل ها به هیچ وجه نزدیک به ساخت پتانسیل آنها نمی رسند، آنها یک سرمایه گذاری پر هزینه هستند.

همچنین جهان از موتورهای احتراق داخلی به باتری های الکتریکی تغییر می کند. موتورهای احتراق حتی زمانی که ثابت هستند بسیار ارتعاش می کنند. این چیزی است که سیستم کالیفرنیایی در طول ترافیک سنگین به آن متکی است. با این حال اتومبیل های الکتریکی تقریبا زمانی که ایستاده اند در حال ارتعاش نیستند، بنابراین برداشت انرژی کمتری صورت خواهد گرفت.

این مسئله مطرح است که آیا این ایده جاده ای پیزو نیز به همان اندازه افزایش می یابد و مصرف کنندگان بیشتر به ماشین های الکتریکی تبدیل می شوند. در حقیقت، کالیفرنیا مسلما رهبر جهانی در جنبش خودروسازی الکتریکی بوده است و یک حرکت برای پول خود در فروش ماشین های الکتریکی به چین داده است. این بدان معنا نیست که وسایل الکتریکی سبب صرفه جویی انرژی در ترافیک شود اما این یک عامل است که باید در هنگام سرمایه گذاری میلیون ها دلار دولتی در زیرساخت ها مورد توجه قرار گیرد.

ماشین ها در جاده های ایالت متحده
ماشینها برای جاده های مدرن فوق العاده مخرب هستند. عکس از وزارت حمل و نقل ایالات متحده

خلاصه

شاید محققانی که بر روی این پروپزال کار می کنند که از یک نوع جدید از دستگاه استفاده کنند که می توانند برق بیشتری تولید کنند یا شاید به پشته های بسیار بزرگتر نیاز باشد. این سیستم بدون دانستن جزئیات بیشتر که چطور می تواند موثر باشد، دشوار است. تصور اینکه چگونه چنین سیستمی می تواند به اندازه کافی موفق باشد تا بتواند گسترش یابد کار آسانی نیست.

منبع:
California’s Piezoelectric Energy Harvesting Aims to Turn Traffic into Green Energy