بخشی از مقاله
چکیده
قیمت فزایندهي حاملهاي انرژي فسیلی و پیشبینی ورود به دورهي بحران انرژي باعث شده است تا توجه محققان به شیوههاي تولید انرژي پاك و تجدید پذیر جلب شود. از جمله این راهها، تولید برق از پیزوالکتریک است که در حال گذران فرایند تحقیق و مطالعه و در نهایت ورود به چرخهي صنعت میباشد. در این مقاله طراحی سیستم مولد برق با استفاده از سرامیکهاي پیزوالکتریک نصب شده در زیر یک سرعتگیر هنگام عبور خودرو بر روي آن مورد بررسی قرار گرفته است.
براي این منظور ابتدا به شرح پیزوالکتریک پرداخته شده و سپس معادلات حرکت خودرو هنگام عبور از یک سرعتگیر بدست آمده است. با استفاده از شبیهسازي حرکت خودرو بر روي سرعتگیر، بار وارده از سوي آن به صفحات پیزوالکتریک محاسبه شده و انرژي الکتریکی حاصله توسط این صفحات بدست آمده است. طبق بررسیهاي انجام شده، این سیستم تحت شرایط طراحی قادر به تامین برق چراغ راهنمایی و رانندگی خواهد بود.
1. مقدمه
یکی از ویژگیهاي غیرمعمولی که برخی سرامیکها از خود بروز میدهند، پدیدهي پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. وقتی ماده پیزوالکتریکی تحت تأثیر بار مکانیکی - به صورت انبساط یا انقباض - قرار گیرد، مقداري بار الکتریکی در سطح آن ظاهر میشود. هنگام اعمال نیروي خارجی، دوقطبیهاي این سرامیکها تحریک میشوند و میدان الکتریکی ایجاد میشود. وارون کردن اثر نیرومثلاً - از کششی به فشاري - جهت میدان را معکوس میکند.
تحقیقات زیادي به منظور تولید انرژي الکتریکی با استفاده از صفحات پیزوالکتریک صورت گرفته است. از آنجمله میتوان به کارهاي انجام شده توسط دارپا در پروژهاي به نام زراعت انرژي در ایالات متحده اشاره کرد. این پروژه شامل بر فعالیتهایی بود که تجهیزات زمین جنگ از طریق ژنراتورهاي پیزوالکتریک جاي گرفته در چکمهي سربازان باردار شود. تلاشهاي دارپا در جهت به دست آوردن 1 تا 2 وات از اثر برخورد مستمر پوتین سربازان با زمین به هنگام راه رفتن، به واسطه عدم کاربردي بودن و به خاطر ناراحتیهاي ناشی از انرژي ایجاد شده توسط فردي که پوتینها را به پا کرده است، متوقف گشت.
این طرح به صورتهاي دیگر ادامه یافت و به کفشهایی که توانایی تولید انرژي الکتریکی را دارند منجر گردید. در آزمایش انجام شده، شرکت سولپاور متوجه شد که باتري تعبیه شده در این کفشها براي اینکه به طور کامل یک گوشی آي فون را شارژ کند نیاز به طی مسافت 4 تا 8 کیلومتر خواهد داشت. کفی کفش ضد آب و مقاوم در برابر هرگونه آب و هوا است. آخرین رتبه براي این دستگاه 100 میلیون گام در آزمونهاي مختلف شبیه سازي شده است. کفی کفش براي کاربران با وزن تا 350 پوند 159 - کیلوگرم - طراحی شده است. ارزش این دستگاه 100 تا 120 دلار برآورد شده است
با قرار دادن صفحات پیزوالکتریک در سطح پیادهروهایی که که تردد عابرین در آن زیاد میباشد، به راحتی میتوان انرژيهاي جنبشی را جمع آوري نموده و تبدیل به انرژي الکتریکی نمودبر. اساس آمار موجود، معمولاًافراد عادي به طور میانگین در شبانه روز براي انجام کار و فعالیتهاي روزانه خود حدود 30000 الی 50000 گام بر میدارند. در سال 2009 در انگلیس و فرانسه این ایده شکل جديتري به خود گرفت و نمونههاي اولیه آن به صورت آزمایشی مورد بهره برداري قرار گرفتدر. مرکز شهر تولوز فرانسه، مخصوصاًدر محل عبور عابرین پیاده از عرض خیابان صفحاتی نصب شد، که می تواند تا 30 وات برق تولید کند.
با استفاده از صفحات پیزوالکتریک میتوان ارتعاشهاي مکانیکی ناشی از رفت و آمد اتومبیلها را به انرژي الکتریکی تبدیل کرد. این صفحات قادرند در یک خیابان دو طرفهي یک کیلومتري تا 44 مگاوات برق تولید کنند. در اینباره آزمایشهاي موفق نشان داده که از 10 متر طول جاده 2000 W.h انرژي الکتریکی میتوان استخراج کرد
در پژوهش حاضر استفاده از صفحات پیزوالکتریک به عنوان مولد الکتریکی در زیر سرعتگیر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. با استفاده از مدل ارائه شده در این مقاله انرژي الکتریکی تولیدي توسط این سیستم محاسبه شده و اثر ارتفاع سرعتگیر، سرعت خودروهاي عبوري و همچنین سطح مقطع صفحات پیزوالکتریک بر میزان انرژي تولیدي بررسی میگردد.
2. مدل سیستم
براي طراحی سیستم، ابتدا لازم است اطلاعات کافی در مورد بار اعمالی به صفحات پیزوالکتریک استخراج گردد. سپس با داشتن نیروي اعمالی میتوان به طراحی صفحات پرداخت. براي این منظور، مطابق شکل 1، خودرو به صورت مدل نیم ارابه که داراي 4 درجه آزادي میباشد، در نظر گرفته شده است.
