Prąd z … jezdni i trotuarów
Opracowano na podstawie materiałów firm Innowattech i InStep NanoPower („Energia Gigawat” – 7-8/2018
Poszukiwanie alternatywnych źródeł energii wkracza na nowe, dotychczas niezbadane obszary. Jedną z perspektywicznych możliwości pozyskiwania darmowej, czystej energii jest wykorzystanie mechaniki drgań.
Ruchy drgające (wibracje) występują praktycznie wszędzie, a więc w budowlach, maszynach i urządzeniach przemysłowych i komunalnych oraz w przyrodzie np. w ziemi czy wodach.
Utylizacja tych ogromnych zasobów energii oznaczałaby nowy etap w rozwoju naszej cywilizacji technicznej. Do przekształcania energii drgań mechanicznych na energię elektryczną czyli postać najbardziej przydatną w praktyce, stosuje się najczęściej dwa rodzaje przetworników: piezoelektryczne i elektromagnetyczne. Zjawisko piezoelektryczne (odkryte w 1880 r. przez Pierre i Jacques Curie) polega na występowaniu polaryzacji (rozdziału ładunków lub uszeregowania dipoli) w niektórych kryształach poddanych naprężeniom mechanicznym. Materiały piezoelektryczne np. kwarc, amazonit i związki tytanu nadają się do odzysku energii drgań o dużej sile, lecz niewielkiej deformacji. Przetworniki elektromagnetyczne (silniki, cewki itp.) są przydatne przy większych prędkościach i/lub amplitudzie ruchu obiektu. Konwersja energii mechanicznej na elektryczną zachodzi tu zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej, a więc np. drgająca konstrukcja wprawia w ruch sprzężoną z nią cewkę umieszczoną w stałym polu magnetycznym. Wskutek przemieszczania się zwojów względem linii sił pola magnetycznego następuje indukowanie siły elektromotorycznej w tym uzwojeniu. W obu układach energię przekształca się kolejno w dwóch etapach: najpierw z energii mechanicznej uzyskuje się napięcie przemienne, które następnie zostaje wyprostowane. Z uwagi na dość niskie wartości mocy uzyskiwanej z pojedynczych przetworników obecnie wykorzystuje się je tylko do doładowywania baterii, zamiast do produkcji energii elektrycznej.
Odzysk energii pojazdów
Układy odzysku energii drgań są testowane w miejscach, gdzie występuje stały ruch elementów konstrukcyjnych o możliwie dużej amplitudzie, prędkości lub częstotliwości.
Należą do nich zwłaszcza trasy o wysokim natężeniu ruchu pieszego (dworce kolejowe, lotnicze, szkoły, sklepy, trotuary wielkomiejskich ulic itp.), kołowego (jezdnie), tory tramwajowe lub kolejowe. W obiektach tych pozyskiwana elektryczność ma służyć do zasilania miejscowych instalacji oświetlenia, sygnalizacji czy ogrzewania, co pozwoli na rezygnację z kłopotliwej budowy i utrzymywania zewnętrznej sieci zasilającej.
Fot.1 Przetwornik energii nacisku na szyny kolejowe
Pionierami utylizacji zjawisk mechanicznych do wytwarzania elektryczności są inżynierowie izraelskiej firmy Innowattech. Wykonali oni m.in. próby liczącego 100 m odcinka jezdni wyposażonej w moduły piezoelektrycznych przetworników typu IPEG™ umieszczonych pod warstwą asfaltu. Testy wykazały możliwość uzyskania mocy elektrycznej do 400 kW z szosy o długości 1 km przy odpowiednio dużym natężeniu ruchu. Moduły IPEG™ zapewniają odzysk energii z nacisku, ruchu, wibracji i zmian temperatury, a dodatkowo dostarczają wielu istotnych informacji o parametrach wykorzystywanego zjawiska np. liczbie przejeżdżających pojazdów, ich ciężarze i prędkości. Rozmieszczenie przetworników pod nawierzchnią jezdni można wykonać w czasie budowy lub remontu drogi. Wyposażenie jezdni i trotuarów w podobne instalacje odzysku energii mechanicznej otwiera perspektywy tworzenia
“inteligentnych dróg”.
Fot.2 Nacisk koła pojazdu na przetwornik energii mechanicznej
(a) (b)
Rys.3 Układy odzysku energii mechanicznej nacisku na podłoże: (a) trotuaru, (b) jezdni
Odzysk energii piechura
Eksperymentalne pomiary pokazały, że podczas marszu zamianie na ciepło ulega przy zetknięciu każdej z nóg piechura 10 do 20 W wydatkowanej mocy mechanicznej. Należy zauważyć, że jest to niewielki ułamek całkowitej mocy (średnio 300 W) metabolizmu organizmu ludzkiego. Dotychczas efektywne wykorzystanie tej odpadowej energii przez samego piechura było niemożliwe z powodu braku odpowiedniego przetwornika realizującego jej zamianę na elektryczność. Innowacyjne rozwiązanie zadania opłacalnego przetwarzania tej stosunkowo niewielkiej mocy na elektryczność i przesyłania jej do osobistego odbiornika piechura zaproponowała firma InStep NanoPower. Zastosowano w nim zjawisko przylegania cieczy do dielektrycznej powierzchni. Jak pokazano na Rys.4 kropla cieczy przewodzącej, umieszczona na elektrodzie (kolor czarny) powleczonej dielektrykiem (kolor czerwony), po przyłożeniu zewnętrznego napięcia elektrycznego V ulega spłaszczeniu, dążąc do zmniejszenia energii tego autonomicznego układu (proces ten określa skrót w jęz.
ang. EWOD – ElectroWetting On Dielectric). Możliwe jest też odwrotne zjawisko (REWOD – Reverse ElectroWetting On Dielectric) zilustrowane na dole tegoż rysunku.
Przyłożenie zewnętrznej siły odkształcającej tę kroplę powoduje przepływ impulsu pojemnościowego prądu ładowania między oboma elektrodami przez obciążenie R służące do odbioru mocy elektrycznej. Zmniejszenie siły nacisku i powrót kropli do wyjściowego kształtu kulistego wywołuje zmniejszenie pojemności tego kondensatora i impuls prądu jego rozładowania.
Rys.4 Poglądowa ilustracja zjawisk EWOD i REWOD
Moc wytwarzaną w procesie REWOD w „energetycznym” bucie tego producenta zwiększono podnosząc częstotliwość odkształcania kropli. W tym celu zastosowano innowacyjną koncepcję tworzenia i zaniku pęcherzyków obojętnego gazu w przewodzącej cieczy. Proces ten przebiega w układzie nazwanym barboterem pod wpływem nacisku stopy na podłoże.
Wzrost i zanik pęcherzyków na elektrodach powoduje okresowy ruch przewodzącej cieczy, zmieniając powierzchnię jej styku z tymi elektrodami, co powoduje zmiany pojemności tworzonego przez nie kondensatora. Z kolei oscylacyjne wahania tej pojemności wywołują impulsy prądu elektrycznego w szeregowym obwodzie „źródło napięcia polaryzacji- kondensator-rezystor”. Przetłaczanie pęcherzyków przez barboter zachodzi, jeżeli gaz poddawany jest działaniu zewnętrznego ciśnienia, tutaj wywołanego przez nacisk stopy piechura. Wyróżniającą zaletą tego wynalazku jest możliwość odbioru energii mechanicznej od obiektu drgającego z dowolną częstością, amplitudą i siłą.
Fot.5 Przetwornik energii w podeszwie buta firmy InStep NanoPower
Odzyskiwaną moc elektryczną można użyć do bezpośredniego zasilania rozmaitych osobistych aparatów piechura, np. smartfonu, radioodbiornika, GPS czy latarki. W tym przypadku przekaz mocy z przetwornika do odbiornika następuje przewodem lub bezprzewodowo (przez indukcję). Można także w obuwiu zainstalować Wi-Fi „hot spot”,
który zapewni przekaz mocy między urządzeniami mobilnymi i siecią bezprzewodową.
Przetwornik wyposażono w ciągle doładowywaną baterię dla gromadzenia zapasu energii. Jej zasoby są przydatne do zasilania odbiorników w czasie spoczynku człowieka. Bateria jest zabudowana hermetycznie, a jej obwody są zabezpieczone przed wystąpieniem ewentualnego zwarcia. Dlatego też całe urządzenie w podeszwie obuwia nie stwarza najmniejszych zagrożeń dla jego użytkownika. Obecność komór wypełnionych cieczą w podeszwie buta nie zmienia komfortu jego stosowania. Stopa nie styka się bowiem bezpośrednio z elastyczną powłoką komory i nie odczuwa jej nieustannych odkształceń. Komory wypełnione płynami są zresztą sprawdzonym rozwiązaniem konstrukcji obuwia sportowego.
