بخشی از مقاله
تولید انرژی الکتریکی پاک از انرژی حرکتی انسان
چکیده:
دست یابی به منابع انرژی های تمام نشدنی از آرزوهای بشر می باشد که در آینده ای نزدیک تحقـق خواهـد یافـت . یکـی از مهمتـرین و پیشرفته ترین آنها انرژی های حاصل از حرکات انسان است. انرژی تولید شده توسط انسان از انرژی ذخیره شده در چربی های بدن ایجاد می شود که فعالیت های روزمره را باعث می شوندو سهم زیادی از انرژی هایی که در این فعالیت ها از دست می رود را می توان بازیافـت نمود. این مقاله در جستجوی معرفی سیستمی است که با استفاده از انرژی جنبشبـدنِی انسـانِ در حرکـت بـرق تولیـد نمـوده و بتوانـد قسمتی از انرژی الکتریسیته مورد نیاز در روشنایی و به کار انداختن دستگاه های الکترونیکی د رمکان های پر رفت و آمد مثل مکان های مقدس و همچنین متروها و پیاده روها را تامین کند. فلسفه ای که در این ایده نوین نهفته است استفاده نامحسوس از انرژی حرکتی فرد در فعالیت های عادی وی می باشد.مکان مورد مطالعه این تحقیق مسجدالحرام است. در این تحقیق بـا مـرور منـابع کتابخانـه ای روش کفپوش های خاص اثر پیزوالکتریک در نظر گرفته شده ، سپس با استفاده از روش های ریاضی میزان انرژی کسب شده توسط کفپوش ها به ازای جمعیت در حال حرکت محاسبه شد. بر این اساس با در نظر گرفتن متوسط 2 هزار نفر درحال حرکت پیرامون خانه کعبه و سالن های صفا و مروه، در هر ساعت بیش از 70 هزار کیلو وات برق قابل تولید خواهد بود. تداوم تحقیق ها و آزمون های تجربی این روش می تواند تحولی را در تولید انرژی پاک ایجاد نماید.
مقدمه:
گستردگی نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی مهم در زندگی بشر بوده و تلاش برای دستیابی به یک منبـع تمـام نشـدنی انرژی از آرزوهای دیرینه می باشد. از نقوش حک شده بر دیوار غارها می توان دریافت که بشر اولیه نیروی ماهیچه ای را بـه عنـوان یـک منبع انرژی مکانیکی به خوبی شناخته تا از آن استفاده کند. کم کم با پیشرفت تمدن بشری، چوب و پس از آن زغال سنگ، نفـت و گـاز وارد بازار انرژی گردیده اند. اما به دلیل افزایش روزافزون نیاز به انرژی و محدودیت منابع فسیلی از یـک سـو و افـزایش آلـودگی محـیط زیست ناشی از این منابع از سوی دیگر استفاده از انرژی های نو را روزبه روز با اهمیت تر و گسترده تر نمـوده اسـت. یکـی از مهـم تـرین انرژی های نو، انرژی های تولید شده به واسطه انسان است که از والاترین، عالی ترین و تکامل یافته ترین انرژی در این عـالم اسـت و بـه همین سبب در ردیف انرژی های این عالم جای نمی گیرد چرا که فعل و حرکت های انسان عمود بر جریان عمومی حرکت جهان اسـت. بی شک یکی از سبزترین سیستم های حمل و نقل در دنیا پاهای انسان هستند که بدون کوچکترین آلودگی زیسـت محیطـی، شـما را از جایی به جای دیگر می رسانند.[1,2,3] دانشمندان و محققان در دنیا بیشترین تلاش خود را صرف پیدا نمودن راه هایی برای به دست آوردن انرژی بیشتر و ارزان تر می کنند به
طوری که تاکنون از خورشید، باد و حتی انرژی اتم ها مدد جسته و به فکر استفاده از انرژی حرکتی انسان نیز می باشند.
از قدیم الایام در بسیاری از کشورهای جهان به خصوص چین و شرق آسیا دینام های متصل به دوچرخه ساخته بودند که در آن ها از یک ژنراتور برای تولید جریان الکتریسیته و روشن نمودن چراغ های دوچرخه استفاده شده است. [4] محققان آمریکایی مهار کننده زانویی طراحی و ساخته اند که انرژی تولید شده در راه رفتن انسان را به برق تبـدیل مـی کنـد. ایـن مهـار
کننده ها ژنراتورهای کوچکی هستند که انرژی تولید شده به وسیله حرکات ماهیچه های انسانی را به برق تبدیل می کنند هر ژنراتور می تواند حدود 5 وات برق تولید کند که تقریبا معادل انرژی الکتریکی مورد نیاز همزمان 10 تلفن همراه است. محقق اصلی این پروژه مکس دانلون از دانشگاه سیمون فریزر در بریتیش کلمبیا می باشد. به گفته این محقق در آینده اگر برق می خواهیم باید بـه جـایی بـرویم کـه ماهیچه ها حرکت می کنند[5] اخیرا نیز از یک ژنراتور زانویی رونمائی شده است که از سامانه های الکترونیکی بهره می گیرد و با یک دقیقه پیاده روی فـرد الکتریسـیته
لازم برای نیم ساعت گفتگو با تلفن همراه را تامین می کند.
دکتر ژانگ لین وانگ و همکارانش در انسیتو فناوری جورجیا نوعی تی شرت طراحی کرده اند که در تار و پود آن ژنراتورهـایی قـرار دارد که میتوانند از کوچکترین حرکات بدن انرژی دریافت و آن را به دستگاههای قابل حمل منتقل کنند در این سیستم آرایه ای از نانوسـیم های اکسید روی به صورت عمودی بر روی الکترودهای حاوی پلاتین آرایش یافته که می توانند الکتریسیته تولید نمایند این نانو نیروگـاه انرژی منابع محیطی مانند لرزش های مکانیکی بدن، جریان خون و حتی امواج فوق صوت را به برق تبـدیل مـی کنـد. تـاکنون محققـان توانسته اند در حدود 4 نانو آمپر جریان و ولتاژی در حدود 4 میلی ولت از نانو نیروگاهی شامل دو لیف که هر کدام یک سانتی متر طـول دارند به دست آورند ولی از مشکلات عمده آنها نیاز به شستشوی لباسها است و اکسید روی به کار رفته در این دسـتگاههـا بـه رطوبـت حساس می باشد. البته دکتر وانگ با استفاده از فیبرهای نانوئی ضدآب در حال حل این مشـکل مـی باشـد. اخیـرا وانـگ روی فیبرهـای پلیمری کار می کند که فیبرهای تولید کننده برق را احاطه کرده و به آنها اجازه میدهند به عنوان ریز فناوری های قابل پیوند به بدن به کار گرفته شوند. همچنین وانگ و دیگر دانشمندان همکار وی دست به تولید انرژی الکتریکی کارآمد از تنفس انسان بـرای کـار انـداختن دستگاه های کوچک الکترونیکی زده اند (جریان هوای تنفس عادی انسان معمولا در حد دو متر در ثانیه می باشد) آن ها از پیشرفت های فناوری نانو استفاده کرده و با کوچک کردن دستگاه های الکترونیکی وسایل مختلف زیست پزشکی ساخته اند که می تواننـد قنـد خـون بیماران دیابتی را مورد نظارت قرار داده و یا باتری دستگاه تنظیم ضربان قلب را شارژ مجدد نمایند تا نیازی به تعویض نداشته باشد. [6]
لری رم کوله پشتی ای موسوم به Lightning pack ابداع کرده است که انرژی تولید شده از گامهای انسان در راه رفتن را ذخیـره و بـه الکتریسیته تبدیل می کند و الکتریسیته تولید شده از طریق یک رشته سیم برای شارژ باطری استفاده می شـود ایـن مینـی ژنراتـور 1/3 کیلوگرم وزن دارد که به آن دریافت کننده بیونیکی انرژی گفته می شود. اخیرا نسخه جدیدی از آن که از فیبرهای کربنـی سـاخته شـده است بسیار سبک تر و وزنی حدود نیم کیلو گرم دارد این دانشمند همچنین کوله پشتی نوری ای ساخته است که از حرکات طبیعـی ران ها مقادیر قابل توجهی انرژی دریافت می کند این مینی ژنراتور روی زانو قرار گرفته و هیچ مشکلی در حرکت بدن ایجاد نمی کند.[7]
ادام باسل مدیر سالون ورزشی ژیمناستیک در ارگان آمریکا توانسته است از رکاب زدن دوچرخه های ثابت سالن مینی ژنراتورهـایی را راه اندازی و الکتریسیته تولید کند و آن را برای تامین بخش قابل توجهی از برق مصرفی سالن به کار گیرد.
محققین ژاپنی یک باتری کوچک ساخته اند که انرژی خودش را از طریق انرژی جنبشی تامین می کند یعنی با تکان خوردن شارژ شده و قادر است 22 میلی وات انرژی تولید کند که می تواند جایگزین باتری های کوچک سـاعت شـود. راز بـازدهی ایـن بـاتری در اسـتفاده از آلیاژی به نام Galfenol می باشد که از آهن و گالیوم تشکیل شده است. [8]
شرکت ترمونت آمریکا ( 2010) یک وسیله به نام باتوم PEG به وزن 312 گرم و به طول 32 سانتیمتر ساخته است که می تواند برق مورد نیاز تلفن همراه و رایانه شخص حمل کننده آن را تامین کند این وسیله انرژی تولیدی خود را از حرکت انسـان در راه رفـتن تـامین مـی کند.[9] محققان دانشگاه تکنولوژی جورجیا((2009 ابزاری تولید کرده اند که حرکت انگشت دست انسان را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند این
سیستم با استفاده از نانو کابل های فیزیوالکتریکی که به دو جفت الکترود فلزی متصل است قادر به تولید انرژی می باشد. [10] نمایشگاه انجمن شیمی آمریکا((2009 نانو فناوری جدیدی را معرفی کرده اند که قادر است با استفاده از حرکـات بسـیار کـوچکی چـون ضربان قلب انرژی الکتریکی تولید کند. این گامی مهم برای تولید دستگاههای الکترونیکی است که می توانند با استفاده از حرکـات بـدن انسان بدون نیاز به باتری و یا جریان الکتریسیته شارژ شوند. این فناوری با استفاده از نانو انتقال دهنده های اکسید روی عمـل مـی کنـد این نانو انتقال دهنده ها زمانی که زیر فشار قرار گیرند می توانند انرژی تولید کنند(( 500 نانو انتقال دهنده در کنار هم کـوچکتر از یـک تار موی انسان است.[11]
مواد و روش
به طور کلی انرژی را به دو دسته انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل تقسیم می کنند انرژی جنبشی همـان حرکـت اسـت. حرکـت امـواج , الکترونها , اتمها , مولکولها , اجسام و مواد. بنابراین انرژی جنبشی شامل انرژی الکتریکی, انرژی موجی, انرژی حرارتـی, انـرژی صـوتی و انرژی حرکتی است. انرژی مورد نیاز برای حرکت اشیاء و مواد از یک جا به جایی دیگر را انرژی حرکتی می گویند. این اشیاء هنگامیکه به آنها نیرویی وارد شود بر اساس قانون حرکت نیوتن, حرکت می کنند . [12] بدن انسان همواره مقادیر قابل توجهی انرژی تولید میکند. یک انسان بالغ، معادل یک باتری به وزن یک تن دارای انرژی ذخیره شـده در
چربی بدن می باشد. این میزان قابل توجه انرژی، سوخت مورد نیاز بدن را برای انجام فعالیتهای روزمره تأمین میکند، اما چه مـیشـود اگر این انرژی نسبتا هنگفت برای تامین برق مورد نیاز فعالسازی دستگاههای الکترونیکی کوچک که آدمی همه روزه با آنهـا سـر و کـار دارد به کار گرفته شود. [4] با نگاهی به دنیای فناوری متوجه خواهیم شد که ظهور فناوری های نوین نقش مهمی در دگرگون سـاختن الگـوی زنـدگی امـروزی ایفـا
نموده اند. امروزه سرعت تحولات در دنیای فناوری به اندازه ای است که محدودیت کاربری آن را از میان برداشته است اگرچـه بـی شـک گوشی تلفن همراه و لپ تاپ از مهمترین اعجازهای عصر فناوری می باشد ولیکن تمام شدن شارژ باتری از محـدودیت اسـتفاده از آن هـا است ولی خوشبختانه این روزها شاهد اخبار جدیدی از تلاش ها و تحقیقـات انجـام شـده توسـط محققـان در زمینـه طراحـی و سـاخت شارژرهایی با قابلیت های منحصر به فرد می باشیم که این مشکل را حل خواهد نمود.
هنگام راه رفتن بخشی از انرژی ذخیره شده بدن صرف راه رفتن و بخش زیادی نیز هدر می رود که اگر بتوانیم مقادیری از آن را بازیافـت کنیم منبع انرژی تجدید پذیری را در اختیار خواهیم داشت. محققین با مطالعات و بررسی های انجام شده در راه رفتن انسان به این نتایج دست یافته اند که اگر یک فرد 68 کیلوگرمی در هر ثانیه دو قدم بردارد 324 وات یا 28 کیلوکالری توان استفاده می کند[13,14] بدین جهت ما به دنبال معرفی سیستمی هستیم تا با استفاده از انرژی جنبشی بدن انسان در حرکت برق تولید نمـوده و پـس از ذخیـره
سازی در تامین برق مورد نیاز دستگاه های مختلف استفاده شود بی آن که افراد در جریان این فرآیند قرار داشته باشند. این ایـده چشـم انداز روشنی است که با گذشت زمان و پیشرفت فناوریهای نوین به حقیقت خواهد پیوست. چشم اندازی که در آن افراد در حالی که راه می روند و یا حرکات مختلف ورزشی انجام می دهند یا به کارهای روزانه مشغول اند و یا حتی در خواب می باشند بی آنکه خـود متوجـه شوند برق تولید می کنند. فلسفه ای که در این ایده ی نوین نهفته است استفاده نا محسوس از انرژی است یعنی به جای ایـن کـه بـرای تولید انرژی زمان صرف شود انرژی مورد نیاز با حرکات عادی و روزمره بدن تولید و به کار گرفته میشود.
ما بر این باور هستیم که می توان با استفاده از تکنیکی موثر و هوشمندانه از رد پاهای در حال حرکت انسان نیز برق تولید کرد.
در این طرح از کفپوش های خاصی استفاده خواهد شد که می توانند انرژی تولید شده از سوی فشار پـای انسـان در حرکـت را در خـود ذخیره کنند ساخت این کفپوش ها مبتنی بر اثر پیزوالکتریک می باشد که با استفاده از مواد خاص در صورت تحت فشار قرار گرفتن جریان الکتریسیته تولید میکنند به عنوان مثال می توان به فندک سیگار اشاره نمود در این ماشین ساده چکش کوچکی وجود دارد کـه در صورت برخورد با کریستال پیزوالکتریک جرقه تولید نموده تا فندک روشن شود. زمانی که افراد روی این کفپوش ها راه بروند کفپـوش تا حدود یک سانتی متر فشرده شده و با مواد پیزوالکتریکی موجود در زیر آن تماس یافته و با فشار هر پا مـی توانـد بسـته بـه میـزان و شدت فشار 2 تا 20 وات الکتریسیته تولید نماید.[6] البته گرچه ممکن است برق تولید شده از راه رفتن یک فرد چندان زیاد نباشد اما در مکان هایی که به طور تمام وقت صد ها نفر در حرکت می باشند میزان برق تولیدی قابل تصور نمی باشد. یکی از اماکنی که در تمام ایـام و به طور شبانه روزی انسان ها در حرکت هستند طواف خانه خدا و سعی صفا و مروه می باشد که بر اسـاس آمارهـای بـه دسـت آمـده روزانه به طور متوسط 2000 نفر را شامل می شود و این مکانی است که ایده تولید انرژی حاصل از حرکت می توانـد قسـمت اعظمـی از الکتریسیته مورد نیاز جهت روشنایی و حتی راه اندازی دستگاههای الکترونیکی کعبه را تامین نماید همان طور کـه گفتـه شـد بـا فـرش نمودن کفپوش های مخصوص می توانند انرژی جنبشی حاصل از حرکت انسان ها را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. از آنجـا کـه میـزان الکتریسیته تولید شده بسته به شدت فشاری است که از طریق پاهای افراد به کفپوش وارد می آید اگر به ازای هر فشار پا به طور متوسط 10 وات الکتریسیته تولید شود در هر ساعت 72 هزار کیلو وات برق تولید خواهد شد. . میزان این انرژی طبق فرمـول زیـر محاسـبه مـی شود.
