تولید انرژی الکتریکی از کف کفش

100426113137

دکتر ویل کاجاکاری، از اساتید دانشکده مهندسی برق دانشگاه لویسیانا موفق به تولید انرژی الکتریکی از یک مولد کوچک جایگذاری شده در داخل کفش شد. اختراع دکتر کاجاکاری و تیم تحقیقاتیش بر اساس یک مدار رگولاسیون ولتاژ با بازده بالا است که بار الکتریکی تولید شده پیزوالکتریکی را به ولتاژ قابل استفاده برای شارژ باتری ها و یا تأمین انرژی وسایل الکتریکی با توان مصرفی پایین تبدیل می نماید. سازنده این سیستم میگوید: “بطور خاص کوهنوردان میتوانند از این وسیله برای تأمین انرژی در مواقع اضطراری مثل علامت دادن توسط چراغ برای درخواست کمک و یا به طور عام میتوان از این سیستم برای تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز وسایل پرتابل که به طور معمول با باتری تغذیه می شوند استفاده نمود. امروزه تولید انرژی الکتریکی به روش Energy Harvesting مثل تولید انرژی از خورشید، روش های پیزوالکتریکی و امثال اینها برای تأمین انرژی سیستم های موقعیت یاب و سنسورهای MEMS بسیار مورد استقبال قرار گرفته است. البته توان تولید شده در این گونه روش ها معمولاً بسیار کم است. به عنوان مثال یک مولد ارتعاشی MEMS قادر به تولید تنها چند میکرووات انرژی می باشد. گرچه این مقدار انرژی برای تغذیه برخی سنسور های MEMS کافی است، اما اکثر کاربردهای امروزی نیاز به حداقل چند میلی وات انرژی برای راه اندازی دارند. به عنوان مثال حسگرهای استفاده شده در کفش ها جهت اندازه گیری گام های طی شده و سرعت راه رفتن حدود 100 میکرووات و مکان یاب های GPS بسیار بیش تر از این نیاز به انرژی دارند. مولد های پیزواکتریکی زمانی که فشرده میشوند، بار الکتریکی تولید میکنند، این ویژگی، استفاده از پیزوالکتریک ها را برای تولید انرژی بسیار مناسب نموده است چرا که برای کارکرد آنها نیازی به ولتاژ بایاس نیست. در حقیقت یک مولد پیزوالکتریک به همراه دو دیود یکسوکننده میتواند ولتاژ DC تولید کند. سیستم تولید انرژی که گروه ما به آن دست پیدا کرده، از یک مولد پلیمری که دارای سطوح فلزی برای هدایت الکتریکی است تشکیل شده است. بر خلاف مولد های قدیمی که از جنس سرامیک بودند، مولد ما از جنس پلاستیک نرم است و کاملاً با مواد استفاده شده در تولید کف کفش سازگار می باشد. به همین دلیل این مولد میتواند به سهولت جایگزین پاشنه کف کفش گردد بدون اینکه استفاده کننده از آن احساس ناراحتی نماید. چالش بزرگ در مولد های پیزوالکتریک توانایی تولید بهینه ولتاژ های بالا است در حالی که جریان خروجی بسیار کم می باشد. مولد جاسازی شده در کفش قادر به تولید 5 میلی ژول در هر سیکل است، این در حالی است که ولتاژ تولید حدود 50 ولت برای تغذیه مداراتی که در بالا به آن ها اشاره شد بسیار زیاد است. تحولی که این مشکل را از پیش رو برداشته، مدار تنظیم ولتاژ طراحی شده توسط تیم دانشگاه لویسیانا می باشد که قادر به تبدیل ولتاژ تولید شده توسط مولد پیزوالکتریک به ولتاژ قابل استفاده برای تغذیه مدارات الکترونیکی است. یک نمونه از این مدارات یک مبدل ولتاژ بالای تولیدی پیزوالکتریک به ولتاژ 3 ولت قابل استفاده برای شارژ باتری ها یا تغذیه مستقیم مدارها با بازده تبدیل 70 درصد است. مولد پیزوالکتریکی در کنار مدار تنظیم ولتاژ قادر به تولید 2 میلی وات انرژی الکتریکی به طور متوسط در هنگام قدم زدن می باشد. انرژی تولیدی این سیستم را میتوان با یک باتری لیتیومی 30 میلی آمپر ساعتی(باتری های دکمه ای موجود در بازار) مقایسه نمود. اگر 0.5 میلی آمپر جریان از این باتری ها کشیده شود، در مدت کمتر از سه روز تخلیه می گردند و این در حالی است که مولد پیزوالکتریکی ساخته شده توسط تیم ما قادر به تولید همین جریان تا هر وقت که استفاده کننده راه میرود می باشد. حتی می توان انرژی تولیدی را در باتری هایی ذخیره کرد تا در هنگام استراحت نیز بتوان از آن بهره گرفت. علاوه بر کاربرد در راه اندازی سنسور ها کم توان، این سیستم میتواند ترانسپاندرها (وسیله ای که با دریافت سیگنال های مخابراتی آنها را به طور خودکار پاسخ میگوید)، گیرنده های GPS و همچنین برچسب های موقعیت یاب که توان مصرفی در حد چند میلی وات دارند را راه اندازی کند.