به گزارش سرویس ترجمه خبرگزاری ایمنا، پیزوالکتریک یک پدیده فیزیکی است که از طریق آن قطعات کریستالی تحت فشار مکانیکی جریان برق تولید می‌کنند. کوارتز یکی از این کریستال‌های پیزوالکتریک است که با فشردن و کشش آن، اختلاف پتانسیل الکتریکی جزئی بین دو انتهای آن ایجاد می‌شود و چنانچه یک کابل بین دو انتهای آن وصل شود، جریانی قابل استفاده تولید می‌کند.
پیزوالکتریک چیست؟
هرچند کشف پدیده پیزوالکتریک به دو قرن پیش برمی‌گردد اما، اولین بار در سال ۱۸۸۰ توسط برادران کوری به نمایش درآمد؛ زمانی که آنها متوجه شدند اعمال فشار بر کریستال‌هایی مانند کوارتز، توپاز، تورمالین و حتی نیشکر روی سطح آنها بارهای الکتریکی ایجاد می‌کند. اولین کاربرد عملی این پدیده در دوران جنگ جهانی اول و برای ساخت دستگاه‌های سونار بود که مکان‌یابی خطرات زیر آب را برای ناوبری، جست‌وجو و نقشه‌برداری از اشیا در بستر دریا ممکن می‌ساخت.
مقدار انرژی تولیدشده از طریق پیزوالکتریک محدود و تا میزان ۲۰ وات است. برای درک این محدودیت، در نظر بگیرید که یک تلفن همراه با ۱۵ وات شارژ می‌شود. این انرژی محدود نمی‌تواند کارآمدی پیزوالکتریک را زیر سوال ببرد زیرا سیستم‌های پیزوالکتریک بسیار قوی هستند و طول عمر بالایی دارند. علاوه بر این، هزینه تولید انرژی پانل‌های مجهز به کریستال‌های پیزوالکتریک در مقایسه با عناصر رایج‌تر مانند سرامیک، چندان بالا نیست. یک پانل پیزوالکتریک با پوشش بتنی معمولی و وزن حدود پنج کیلوگرم، ظرفیت تولید ۶.۵ مگاژول را دارد که ۶۵۰ هزار ثانیه (بیش از ۱۸۰ ساعت) طول می‌کشد تا یک دستگاه ۱۰ واتی تمام این انرژی را مصرف کند و در تمام طول مدت ۱۸۰ ساعت، عملکرد پانل با کیفیت بالایی ادامه دارد. هرچند در این محاسبه سرانگشتی، استهلاک قطعات مکانیکی و فلزی لحاظ نشده است اما عمر مفید این پانل‌ها بسیار بیشتر از استهلاک قطعات است و همین موضوع آنها را به یک گزینه مطلوب برای پایداری شهر هوشمند تبدیل می‌کند.
برای استفاده از این فناوری باید مولدهای انرژی در مناطق پرتردد مانند لابی ساختمان‌ها، سکوهای مترو یا محوطه‌های ورزشی نصب شوند و برای جلوگیری از اتلاف ناشی در انتقال، الکتریسیته تولیدشده به سیستم‌های موجود یا نزدیک این مناطق مانند شارژرهای دستگاه‌های الکترونیک ارسال شود.
موارد استفاده از انرژی پیزوالکتریک
کاربردهای عمده انرژی پیزوالکتریک شامل برنامه‌های کم‌مصرف مانند روشن کردن فندک‌های الکتریکی و شارژ وسایل الکترونیکی مانند تلفن همراه است. در حال حاضر پروژه‌های آزمایشی همچون Pavegen راه‌اندازی شده است تا از انرژی جنبشی حاصل از حرکت عابران پیاده روی سنگفرش خیابان‌ها، انرژی الکتریکی موردنیاز برای روشن نگه داشتن چراغ‌ها و همچنین شارژ دستگاه و وسایل الکتریکی را تأمین کند. هرچند میزان انرژی تولیدی وابسته به عوامل گوناگونی همچون تعداد افراد، وزن و شدت قدم‌های آنان بسیار متفاوت است اما، به‌طورکلی می‌تواند نقش مهمی در کاهش هزینه‌های انرژی شهر و ارتقای پایداری داشته باشد. پروژه‌های دیگر نیز از انرژی حاصل از حرکت وسایل نقلیه در جاده‌ها برای تولید برق استفاده می‌کنند. به این ترتیب خودروها که همواره مصرف‌کننده انرژی بودند به‌عنوان تأمین‌کننده انرژی مطرح می‌شوند. آنچه قابل‌توجه است این است که برخلاف شهرهای پرجمعیت، محیط‌های روستایی با جمعیت کم نمی‌توانند مکان ایده‌آلی برای پیزوالکتریک باشند و استفاده از سنگفرش‌های خورشیدی برای آنها مناسب‌تر است.
نقش پیزوالکتریک در حسگرسازی شهرهای هوشمند
حسگرسازی یک گرایش فناوری مدرن برای قرار دادن تعداد زیادی حسگر در همه دستگاه‌های شهری است که یکی از الزامات اصلی انقلاب سوم فناوری به حساب می‌آید. استفاده از انرژی پیزوالکتریک در حسگرسازی شهرهای هوشمند، حرکت شهروندان را با خدمات ارائه‌شده مرتبط می‌کند و به آنها برای مثال خدمات اینترنتی کارآمدتری ارائه می‌دهد. خدمات مربوط به ابرداده‌ها مانند خدمات محاسبات لبه‌ای در شبکه‌های مجازی اپراتورهای مخابرات، با استفاده از این انرژی کارآمدتر می‌شود. سنگفرش‌های پیزوالکتریک به جای استفاده از انرژی سرورها، برق موردنیاز برای فعالیت سرورها را تولید می‌کنند و از این طریق بار اضافی روی سرورها را حذف می‌کنند.
پله‌های مولد انرژی
یکی دیگر از فناوری‌های تولید الکتریسیته استفاده از انرژی جنبشی حاصل از بالا و پایین رفتن افراد از پله‌های موجود در سطح شهر است که نسبت به انرژی حاصل از پیاده‌روی راندمان بالاتری دارد. این انرژی در باتری‌هایی مخصوص ذخیره می‌شود و سپس برای روشن کردن چراغ‌ها یا سایر اهداف کم‌مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه به چند نمونه از بهره‌گیری از پیزوالکتریک در تأمین انرژی شهرها اشاره می‌شود.
سنگفرش‌های جنبشی در لندن
شهرهایی مانند لندن که بهره کمی از نور خورشید می‌برند، پتانسیل بالایی برای جایگزینی فتوولتاییک با پیزوالکتریک دارند. عابران پیاده در لندن به لطف فناوری استارت‌اپ Pavegen، با راه رفتن در خیابان انرژی تولید می‌کنند و حرکتی سبز در شهر به جریان می‌اندازند. روسازی Pavegen به گونه‌ای طراحی شده است که هنگام پا گذاشتن روی آن، به میزان جزئی در حدود پنج میلی‌متر فشرده می‌شود و با کمک کریستال‌های پیزو حدود سه ژول در هر قدم یا پنج وات توان مداوم تولید می‌کند. سنگ‌های اسلب موجود در سنگفرش این انرژی را جذب می‌کند تا آن را در یک باتری لیتیوم پلیمری ذخیره کند یا به وسایل الکترونیکی مجاور مانند لامپ‌های خیابانی انتقال دهد. یک لامپ معمولی به ۶۰ وات در یک ساعت نیاز دارد و می‌تواند به‌طور مؤثر برای یک ساعت با کمتر از ۹ قدم روشن شود. گام‌های کافی روی سطح متناسب سنگفرش، از لحاظ تئوری می‌تواند انرژی کافی برای تأمین تمام مصرف روشنایی مورد نیاز خیابان را تولید کند. همچنین با ردیابی داده‌های مربوط به حرکات افراد از طریق فناوری بی‌سیم، می‌توان تعداد قدم‌ها و اطلاعات مربوط به انرژی تولیدشده را تجزیه‌وتحلیل کرد و بر اثربخشی و کارایی پروژه نظارت کرد.
کاشی‌های پیزوالکتریک در لاس‌وگاس
لاس‌وگاس آمریکا با نصب کاشی‌های انرژی جنبشی با دوام که برای تبدیل حرکت به انرژی مفید طراحی شده‌اند، راهکاری مبتنی بر زیرساخت‌های شهری برای تأمین انرژی ارائه داده است. این شهر چراغ‌های خورشیدی خیابانی را به کاشی‌های کار شده در سراسر متصل کرده است، به این ترتیب نور خورشید در طول روز و قدم زدن عابران پیاده هنگام شب انرژی موردنیاز آنها را تأمین می‌کنند. میزان الکتریسیته تولیدی توسط این کاشی‌ها حدود هفت وات در هر بار قدم گذاشتن روی آن است که برای استفاده بعدی در باتری ذخیره می‌شود. علاوه بر این، سنسورهای حرکت در این کاشی‌ها به‌گونه‌ای تعبیه شده است که تنها با حضور افراد چراغ‌ها را روشن می‌کنند و از اتلاف انرژی جلوگیری می‌کنند. لاس‌وگاس در نظر دارد نیمکت‌های دارای شارژ USB و وای‌فای را به این طرح هوشمند بیفزاید.
پله‌های مولد انرژی در استکهلم
شهر استکهلم در سوئد از فناوری پله‌های مولد انرژی برای روشن کردن چراغ‌های ایستگاه متروی مرکزی خود استفاده می‌کند. این فناوری الکتریسیته لازم برای کل سیستم روشنایی ایستگاه را از طریق سنسورهای پیزوالکتریک به کاررفته در پله‌ها فراهم می‌آورد. طراحی این پله‌های مولد به صورتی است که هنگام قدم گذاشتن افراد روی هر پله روشن می‌شود و با ایجاد نورپردازی زیبا و منحصربه‌فرد مردم را به استفاده از این پله‌ها به جای پله‌برقی تشویق می‌کند.
کف‌سازی هوشمند در تلفورد
بریتانیا برای تأمین نیروی لازم برای مکان‌های خارج از شبکه مانند فضای بازی‌ها، روشنایی محیطی و نظارت بر محیط‌زیست در حال توسعه فناوری کف‌سازی جنبشی است که انرژی جنبشی حاصل از گام‌های مردم را به برق تبدیل می‌کند. در این اقدام نوآورانه که بریتانیا آن را «اینترنت موجودات» نامیده است، سنگفرش‌ها ردپای افراد را با استفاده از برنامه‌های مخصوص ثبت و تجزیه‌وتحلیل می‌کنند و فناوری هوشمندی برای تولید برق از راه رفتن و دویدن مردم ارائه می‌دهند. شهر تلفورد در بریتانیا یک پیاده‌روی مخصوص با این فناوری تأسیس کرده است تا مردم حین عبور از این مسیر بتوانند تلفن‌های همراه و سایر دستگاه‌های برقی خود را توسط نقاط شارژ تعبیه‌شده در کنار نیمکت‌های پیاده‌رو شارژ کنند.
نظر شما