توليد الكهرباء عن طريق خطوات المشي

تعد تكنولوجيا جمع الطاقة حلا واعدا لأزمة الطاقة الناتجة عن المصادر غير المتجددة، إذ يمكن جمع أنواع مختلفة من الطاقة المتجددة التي تأتي من البيئة المحيطة كالإشعاع الكهرومغناطيسي على شكل الضوء، أو الاهتزازات، أو الحرارة، أو الرياح، حتى الماء، وتحويلها إلى طاقة كهربائية يمكن استخدامها في العديد من التطبيقات. تعد الطاقة الميكانيكية أكثر أنواع الطاقة انتشارا والتي يمكن جمعها وتحويلها إلى طاقة كهربائية، بينما تعد المواد الكهروضغطية(1) من أكثر المواد ملاءمة لجمع الطاقة من الاهتزازات؛ لأن تأثير المواد الكهروضغطية يعتمد فقط على الاستقطاب الداخلي للمادة، ومقارنة بأساليب جمع الطاقة الميكانيكية الأخرى، فإن المولدات الكهروضغطية تتمتع بمتانة أفضل. ويحتوي نظام حصاد الطاقة على (3) أجزاء: مصدر الطاقة، وآلية الحصاد، والحمل (استهلاك أو تخزين الطاقة الكهربائية المنتجة)، ومصداق مصادر الطاقة الميكانيكية التي توجد في الطبيعة هو جسم الإنسان، إذ يستخدم الطاقة الميكانيكية، مما يسمح بدمج بعض محصلات الطاقة في الأنشطة اليومية للإنسان. بعض الأمثلة على الطاقة البشرية التي يمكن حصادها هي (10) ملي واط تقريبا، ويمكن الحصول عليها من حركة الأطراف العلوية، و(1) ملي واط من حركة الكتابة، والمشي يمكن أنْ يصل إلى (1) واط. هناك (3) آليات رئيسة لتحويل الطاقة الميكانيكية: التحويل الكهروضغطي، والتحويل الكهرومغناطيسي، والتحويل الكهروستاتي(2). وتولد الكهرباء باستخدام خطوات المشي عبر تقنيات تعتمد تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية، وتعرف هذه التقنيات عموما باسم (توليد الكهرباء بالطاقة البشرية أو توليد الكهرباء من الطاقة الحركية) وتهدف إلى استغلال الطاقة التي تهدر في الأنشطة اليومية، وتعتمد هذه التقنيات تأثير (بيزوكهرباء)(3) بشكل أساسي، إضافة إلى التحريض الكهرومغناطيسي. تأثير البيزوكهرباء: تحدث هذه الظاهرة في بعض المواد كبلورات الكوارتز والسيراميك التي تولد شحنة كهربائية عند تعرضها لضغط أو إجهاد ميكانيكي، في هذه التقنية تدمج هذه المواد في أرضيات أو بلاطات خاصة، وعندما يخطو الشخص على هذه البلاطة، تتشوه المادة البيزوكهربائية، مما يولد فرق جهد كهربائي يستخدم لتوليد التيار الكهربائي. التحريض الكهرومغناطيسي: تعتمد هذه التقنية المبدأ الفيزيائي الذي ينص على أن حركة المغناطيس داخل ملف من الأسلاك أو العكس تولد تيارا كهربائيا في أنظمة توليد الكهرباء من المشي، فتصمم الأرضية بحيث يؤدي الضغط عليها إلى تحريك المغناطيس عبر ملفات الأسلاك، مما يولد تيارا كهربائيا. بعض الأمثلة على استخدام هذه التقنيات لإنتاج كميات صغيرة من الكهرباء: 1ـ أرضيات بيزوكهربائية: تثبت في الأماكن العامة ذات الازدحام الشديد، كمحطات القطار، والمراكز التجارية، والمطارات، وتربط هذه البلاطات ببطاريات لتخزين الطاقة المولدة، التي يمكن استخدامها بعد ذلك لإضاءة اللافتات، أو تشغيل الشاشات الرقمية، أو شحن الأجهزة المحمولة. 2ـ أحذية توليد الطاقة: تدمج وحدات صغيرة لتوليد الطاقة في ظهر الأحذية، ويمكن لهذه الوحدات شحن بطاريات صغيرة في أثناء المشي، التي تستخدم لتشغيل أجهزة إلكترونية صغيرة أو لشحن الهواتف. ............ (1) المواد الكهروضغطية: مواد صلبة تولد شحنات كهربائية على أسطحها عند تطبيق إجهاد ميكانيكي عليها، وتتغير أبعادها الميكانيكية عند تطبيق مجال كهربائي عليها. (2) التحويل الكهروستاتي: عملية تبادل الطاقة بين الشكل الكهربائي والشكل الميكانيكي الحركي عبر قوى الجذب والتنافر الكهروستاتيكية التي تنشأ بين الأجسام المشحونة كهربائيا. (3) تأثير البيزوكهرباء: الظاهرة الفيزيائية المتبادلة التي تظهر في بعض المواد البلورية كالكوارتز أو السيراميك الخاص ولها تأثيران: التأثير المباشر، يؤدي تطبيق الإجهاد الميكانيكي ضغطا أو شدا على المادة إلى توليد شحنة كهربائية على أسطحها، والتأثير المعكوس: يؤدي تطبيق المجال الكهربائي جهدا على المادة إلى حدوث تغير في شكلها وأبعادها الميكانيكية من التمدد أو التقلص.