انقر هنا لمشاهدة فيديو "ملخص مرئي" لهذا الاختراع.
اختراعات علي پور أحمد | التصنيف: اختراعات جديدة في العالم | ذات صلة: الاكتشافات العلمية والاختراعات التكنولوجية
توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهرضغطية - استخدام الكهرباء الضغطية في السيارات
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
◉ المقدمة والأهداف:
في هذه المقالة، نقوم بوصف موجز لاختراع توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة تستخدم عجلات مزودة بإطارات كهرضغطية.
أصبحت السيارات الحديثة اليوم أكثر من مجرد وسيلة نقل، إذ إنها مزودة بمجموعة متنوعة من الأنظمة الإلكترونية المعقدة التي توفر للركاب إمكانيات تتجاوز مجرد وسيلة نقل بسيطة. من أنظمة السلامة إلى برامج الترفيه المتنوعة، والتحكم في المحرك، والملاحة، والاتصال بالإنترنت، وغيرها، أصبحت جميعها جزءًا لا يتجزأ من ضروريات السيارة. من ناحية أخرى، أدى التقدم التكنولوجي في صناعة الإلكترونيات إلى زيادة استخدام المكونات والأجهزة الإلكترونية في السيارات بشكل غير مسبوق. وقد تسارع هذا النمو مع ظهور مختلف المعدات والأجهزة الكهربائية النانوية، وأصبح أحد مخاوف الزيادة الحتمية في إنتاج واستهلاك الكهرباء في هذه الصناعة.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
من الواضح أنه مع تزايد استخدام المكونات الإلكترونية المختلفة، صغيرة كانت أم كبيرة، تتزايد الحاجة إلى توليد الكهرباء في السيارات. ومع ذلك، ومع كل القيود التي تواجه توليد الكهرباء في السيارات، لا يزال الطلب على السيارات المزودة بميزات وخيارات إلكترونية أكثر تزايدًا. وقد جعل هذا إيجاد حلول جديدة لتوليد المزيد من الكهرباء في السيارات أحد أهم التحديات التي تواجه شركات صناعة السيارات حول العالم. وتُعدّ المستشعرات، والمحركات، ووحدات التحكم الإلكترونية، وإلكترونيات الطاقة، وشبكات الاتصالات، ومكونات واجهة المستخدم، ووحدة التحكم المتطورة في هيكل السيارة (BCM) ووحدة التحكم الإلكترونية للمحرك، وأنظمة السلامة المتطورة (ESC) وABS، والراحة والسهولة، ونظام الملاحة وتوصيل وحدات تحديد المواقع (GPS)، وإدارة الطاقة، والقيادة الذاتية، بعضًا من الضرورات الإلكترونية في السيارات الحديثة والمعاصرة.
بالإضافة إلى ما ذكرته، إذا أضفنا إلى المجموعة السابقة أجهزة استشعار إلكترونية ضرورية أخرى (لتقدير الكميات الفيزيائية)، مثل: أجهزة استشعار الضغط، ودرجة الحرارة، والقرب، والسرعة، والأكسجين، والموقع، والضوء، والمطر، والقصور الذاتي، والتي تُعتبر جميعها عوامل مستهلكة للطاقة في السيارة، فسنفهم أهمية توليد الطاقة الكهربائية في السيارة. مع أن بطاريات الجيل الجديد قد ساهمت في حل هذه المشكلة إلى حد ما، إلا أن الكهرباء اللازمة لتخزينها في البطارية قد تُسبب ضغطًا على المحرك وتزيد من استهلاك الوقود والطاقة، بالإضافة إلى زيادة استهلاك أجزاء المحرك، وهو أمر غير مرغوب فيه لصناعة السيارات، ولا اقتصادي ولا مرغوب فيه للمستهلك ومالك السيارة.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
صُممت معظم السيارات التقليدية للعمل ببطارية ١٢ فولت بسعة ٦٠٠ أمبير. في هذه البطاريات سداسية الخلايا، عند شحنها بالكامل، يُنتج ١٢.٦ فولت من الكهرباء. بمعنى آخر، يمكن لبطارية السيارة تخزين ما بين ٤٠٠ و١٠٠٠ أمبير حسب نوع السيارة وحجمها، ولكن كمية الكهرباء المُنتجة تنخفض مع تفريغ البطارية. يقع تعويض هذا الانخفاض في تخزين الكهرباء في السيارات غير الكهربائية على عاتق المولد، الذي يُحوّل الطاقة الميكانيكية التي ينتجها محرك الديزل إلى طاقة كهربائية ويشحن البطارية. أما في السيارات الكهربائية، فتقع مسؤولية شحن البطارية بالضرورة على عاتق محطات الشحن المختلفة، مما يُسبب في كلا النوعين من السيارات مشكلة الحمل الإضافي على المحرك وإهدار الطاقة والوقت.
دفعني مجموع هذه المشاكل والمخاوف المتعلقة بتوليد الكهرباء في السيارة (دون زيادة الحمل الإضافي على محركها أو زيادة استهلاك الوقود والطاقة) إلى ابتكار فكرة توليد الكهرباء من إطارات السيارة لبعض مكوناتها الإلكترونية. في الواقع، يعتمد الهيكل الأساسي لفكرتي على التأثير الكهروضغطي واستخدام الضغط الناتج بين سطحين وتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية والعكس صحيح. ببساطة، عند حدوث ضغط ميكانيكي، تتولد شحنات كهربائية في بعض المواد أو تتغير أبعادها بتطبيق مجال كهربائي، وهي عملية عكسية تُسمى "التأثير الكهروضغطي المباشر".
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
◉ الوصف الفني للاختراع:
ينشأ التأثير الكهروضغطي في بعض المواد (طبيعية كانت أم صناعية) نتيجة عدم تناسق خلايا الوحدة البلورية وثنائيات الأقطاب الكهربائية الناتجة عن الإجهاد الميكانيكي وإزاحة بنية المادة. تيتانات زركونات الرصاص (PZT) هي مادة سيراميك ضغطي اصطناعية ذات خصائص كهروضغطية عالية. بالإضافة إلى ذلك، هناك مواد أخرى مثل نيوبات الرصاص والمغنيسيوم (PMN) وتيتانات الرصاص (PT) ذات تطبيقات متعددة في صناعة الطيران والفضاء نظرًا لخصائصها الكهروضغطية. في الواقع، تيتانات زركونات الرصاص (PZT) هي مادة سيراميكية اصطناعية متعددة البلورات، تُستخدم (على نطاق أوسع من المواد الكهروضغطية الأخرى) في أجهزة الاستشعار ومشغلات أنظمة الدفع الفضائي. تعد البلورات المفردة الطبيعية مثل الكوارتز والتورمالين أيضًا أمثلة على المواد الكهرضغطية في الطبيعة، ولكن لكي تحتوي البلورة على خصائص كهرضغطية، يجب ألا تحتوي على مركز داخلي للتناظر، على الرغم من أن المواد البلورية اللامركزية لا تحتوي جميعها على خصائص كهرضغطية كاملة.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
المواد الخزفية الاصطناعية، مثل تيتانات زركونات الرصاص (PZT) وتيتانات الباريوم، متعددة البلورات وليست كهرضغطية بطبيعتها، إذ تتطلب مجالًا كهربائيًا مستمرًا لمحاذاة ثنائيات أقطابها البلورية في اتجاه المجال الكهربائي، مما يُنتج خصائص كهرضغطية. تُسمى عملية محاذاة اتجاه ثنائيات أقطاب البلورة الاستقطاب، وبعدها يُنتج السيراميك عزمًا ثنائي القطب صافيًا، ويستجيب خطيًا للمجال الكهربائي أو الإجهاد الميكانيكي. وقد أدى هذا الأداء إلى انتشار استخدام البلورات في بنية مختلف أجهزة الاستشعار الكهرضغطية.
لا تتطلب المستشعرات الكهروضغطية مصدر طاقة خارجي، إذ إنها قادرة على توليد إشارة خرج من الإجهاد الفيزيائي المطبق، وتُنشئ ضغطًا وتقيسه بفعالية باستخدام التأثير الكهروضغطي. ولأنها قادرة على تحويل المعاملات الفيزيائية إلى كهرباء، فإنها تُحوّل التسارع أو الضغط الفيزيائي إلى شحنة كهربائية قابلة للقياس. على الرغم من صغر حجمها، تستجيب المستشعرات الكهروضغطية للضغط بسرعة كبيرة، ولذلك، في فكرة هذا الاختراع، استخدمتُ عددًا كبيرًا من المستشعرات الكهروضغطية الصغيرة بالتوازي حول المحور الخارجي لإطارات السيارة.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
يتكون هيكل "مستشعرات الضغط الكهروضغطية" المستخدمة في هذا الاختراع من غشاء وبلورة كهروضغطية. يمكن لهذه المستشعرات أن تكون حساسة لأي مقدار من الضغط الفيزيائي، وتستشعر قيمته بتحريك غشاء معدني رقيق. يُولّد هذا الغشاء، المُثبّت على المستشعر، ضغطًا على البلورة الكهروضغطية عند ثنيها بسبب تغيرات الضغط. ستكون الشحنة الكهربائية التي تصل إلى سطح البلورة ذات قطبية معاكسة، وتتناسب طرديًا مع الانفعال. بمعنى آخر، عند ضغط بلورات الكوارتز، يتولد جهد كهربائي مُحدد يتناسب طرديًا مع مقدار الضغط.
تعمل هذه المستشعرات الكهرضغطية بتطبيق طاقة ميكانيكية على بلورة، فعند تطبيق ضغط عليها، ينشأ مجال كهربائي صغير، مما يؤدي إلى علاقة خطية بين الاستقطاب والمجال الكهربائي، لأن المجال لا يكفي لمحاذاة الاحتكاك الداخلي، وتتفاعل البلورة فقط كمادة عازلة عادية. ولكن مع ازدياد المجال الكهربائي، ينزاح جزء من الاحتكاك الداخلي بين المناطق السالبة، التي يكون استقطابها في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي، إلى الاتجاه الموجب للمجال، ويحدث اتجاه للشحنة الكهربائية. يؤدي هذا إلى زيادة سريعة في الاستقطاب، نتيجةً لزيادة المجال الكهربائي.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
◉ انقر على أي من صور المعرض أدناه للتكبير:
تُوضع البلورة الكهرضغطية بين صفيحتين معدنيتين دائريتين صغيرتين، عادةً ما تكونان في حالة توازن مثالي. تُطبق الصفيحتان المعدنيتان ضغطًا فيزيائيًا أو قوة ميكانيكية على مادة البلورة، مما يُؤدي إلى خروج الشحنات الكهربائية في البلورة عن حالة التوازن، وتكوين شحنات سالبة وموجبة زائدة على شكل بلورات على جانبين متقابلين. ثم تجمع الصفيحة المعدنية الدائرية الصغيرة هذه الشحنات، والتي يُمكن استخدامها في النهاية لتوليد الجهد وإرسال التيار الكهربائي عبر الدوائر الداخلية إلى المكونات الإلكترونية الأخرى في السيارة.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
كما هو موضح في الفيديو في نهاية هذه المقالة، يتكون تصميم إطارات السيارات من عدة أجزاء منفصلة. على المحور الخارجي للإطار، يتم تثبيت مجموعة من المعدات المتعلقة بأجهزة الاستشعار الكهروضغطية، وعلى الجزء الداخلي من الإطار، قمت بتصميم مجموعة نقل الشحنة الكهربائية المنتجة للتخزين المؤقت واستخدامها لاحقًا في الدوائر الإلكترونية للسيارة. على الجزء الخارجي من محور الإطار، يتم تشكيل أخدود عريض في المنتصف وأخدودين متوازيين على الجانبين. الأخدود الأوسط هو موقع الشريط المطاطي المجهز بأجهزة استشعار كهروضغطية، والتي توضع في أزواج ومتوازية على فترات 4 سم من بعضها البعض حول السطح الخارجي للشريط. يكون قطر ونصف قطر الشريط المطاطي الحلقي لأجهزة الاستشعار الكهروضغطية بحيث بعد وضعه (ضغطه وإغلاقه) في الأخدود الأوسط، يكون محاذيًا ومتساويًا مع المحور الخارجي للإطار.
تُعدّ المحاذاة الدقيقة لحلقة المستشعر الكهروضغطي مع السطح الخارجي للإطار جزءًا مهمًا من هذا النظام المبتكر، لأنه إذا لم يكن السطح مستويًا، فإن ضغط وزن السيارة سيُتلف المستشعرات ويُشوّهها، مما يُؤدي بطبيعة الحال إلى فقدانها لوظائفها. بمحاذاة حلقة المستشعر الكهروضغطي مع الإطارات، يُركّز وزن السيارة على كثافة النسيج خارج الأخدود، وعندما يدور الإطار، لا يوجد ضغط على المستشعرات الكهروضغطية، وبالتالي يعتمد الضغط الميكانيكي على بلورة المستشعر بشكل مباشر على ملاءمة محاذاة المستشعر. في هذه المرحلة، ونظرًا لأن المستشعرات في حالة محايدة، لا تتولد أي شحنة كهربائية. لحل هذه المشكلة وتطبيق ضغط منخفض ومُتحكّم فيه على حلقة المستشعر، صممتُ "مشغلًا مطاطيًا" لخلق ضغط على الأخدود المركزي للإطار. يأتي "مشغل الضغط" هذا على شكل أجنحة مطاطية مرنة ومتفاعلة على السطح الخارجي للإطار، مصبوبة بشكل موحد ومُثبتة على حلقة الإطار.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
بالإضافة إلى تطبيق ضغط مُتحكم به على المستشعرات الكهروضغطية، يتولى "مُشغل الضغط" أيضًا مسؤولية تحفيز حركة السيارة وشحنها، مما يُقلل الضغط على المحرك، وبالتالي يُقلل من استهلاك الوقود. ترجع هذه الخاصية إلى مرونته العالية جدًا وقابليته للانعكاس إلى الحالة الأولية قبل الضغط في هذا الإطار، بحيث عندما يصل كل جناح مرن إلى سطح الطريق، ينضغط (ينكمش)، وبعد انفصاله عن سطح الطريق، ينفتح (يتمدد) بشكل انفجاري ويعود إلى حالة ما قبل الضغط. عند تجهيز جميع عجلات السيارة الأربع بنظام الفتح الانفجاري لـ"مُشغل الضغط"، تدخل السيارة في حالة سحب أمامي عند تطبيق ضغط مرن مزدوج (ناتج عن تشغيل العجلات الأربع). لتحسين أداء قدرة السحب الأمامي، صممتُ أيضًا "مُشغلي ضغط" بنظام وظيفي مُماثل على الأخدودين على جانبي كل إطار، بحيث تصل الشحنة القفزية لضغط التمدد لـ"المُشغل" إلى أقصى كفاءة.
كما هو موضح في فيديو هذه المقالة، بعد تحفيز المستشعرات الكهروضغطية وتوليد شحنة كهربائية، تُرسل الكهرباء المولدة عبر بكرة نقل تدور مع دوران عجلة السيارة، وتُوضع على شريط نحاسي دائري داخل الحافة، ثم تُنقل إلى شبكة أسلاك تؤدي إلى وحدة مقوم الجسر لتحويل دخل التيار المتردد إلى خرج تيار مستمر. بعد ذلك، لتخزين الطاقة في مجال مغناطيسي، تُرسل الشحنة الكهربائية إلى ملف محث ثنائي الطرف. بعد ذلك، يُستخدم الصمام الثنائي لتمرير التيار الكهربائي المخزن في اتجاه واحد عبر طرفي الأنود والكاثود، وأخيرًا، يُستخدم مكثف ثنائي الطرف لتخزين تراكم الشحنات الكهربائية لسطحين متجاورين ومعزولين عن بعضهما البعض. يمكن تخزين الكهرباء المولدة من هذه العملية في البطارية واستخدامها لاستهلاك الدوائر الإلكترونية للسيارة جزئيًا، مما يُخفف عبء توليد الكهرباء الزائدة عن الدينامو أو بطارية السيارة.
◉ الاختراع: توليد الكهرباء بشكل مستقل في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي بورأحمد
◉ تصنيف: اختراعات جديدة للمخترعين في العالم
في نهاية هذه المقالة، أعتقد أنه من الضروري التذكير مجددًا بأنه عند مدّ أو ضغط بلورة كهرضغطية، يتغير تركيبها المادي وتظهر شحنة كهربائية فيها بمستويات مختلفة تبعًا لنوع وشكل الضغط، لذا يُعدّ فهم سلوك البلورات الكهرضغطية أمرًا بالغ الأهمية عند تصميم واستخدام التأثير الكهرضغطي في إطارات السيارات. تستطيع المستشعرات الكهرضغطية القائمة على التأثير الكهرضغطي استخدام قوى عرضية أو طولية أو قصية، وفي الوقت نفسه، لا تتأثر بالمجالات الكهربائية والإشعاع الكهرومغناطيسي. تعمل هذه المستشعرات خطيًا على نطاق واسع من التغيرات في درجات الحرارة، مما يجعلها مثالية للبيئات ذات درجات الحرارة المتغيرة، ولكن في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية جدًا، يجب استخدام وحدات التجويف أو الأغشية الحاجزة أو أغطية الحماية الحرارية ضمن هذه الفئة من المستشعرات. تُعد مستشعرات البلورات الكهرضغطية مناسبة للاستخدام في الأجسام المتحركة مثل إطارات السيارات، لأن معظمها يُستخدم لقياس الضغط الديناميكي والمتحرك، ولا يُستخدم عمومًا لقياس الضغط الساكن.
مثل الاختراعات الأخرى، يتمتع هذا الاختراع أيضًا بإمكانية التطوير والتحسين بشكل أكبر، واستخدام هذا المطاط الكهرضغطي يمكن أن يساعد بشكل كبير في إزالة القيود في توليد الطاقة للدوائر الإلكترونية في جميع أنواع المركبات.
نهاية المقال//
◉ فيديو لتوليد الكهرباء بشكل ذاتي في سيارة باستخدام عجلات مزودة بإطارات كهربائية ضغطية / التصنيف: اختراعات علي پور أحمد
◉ صانع الرسوم المتحركة لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ ملحن الموسيقى لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ الراوي: علي بورأحمد
◉ اللغة: الانجليزية
◉ الترجمة: لا يوجد
نبذة عن المخترع ومؤلف هذه المقالة:👇
مقالات عن الاختراعات العلمية المتعلقة بالسيارات :
◉ اختراع نظام منع انقلاب السيارة - نظام منع انقلاب أوتوماتيكي لكابينة الركاب في المركبات الكهربائية بالكامل (BEV)
◉ اختراع مركبة كهربائية بالكامل (BEV) ذات قدرة شحن داخلية مستقلة دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي أو محطات تيار مستمر وتيار متردد
◉ اختراع لتقليل استهلاك الوقود والطاقة في جميع أنواع المركبات الكهربائية والبنزينية باستخدام "هيكل التعليق بالجاذبية"
◉ اختراع سيارة ركاب تتحول إلى شاحنة وفان
اختراعات أخرى علي پورأحمد :
◉ قائمة كاملة بالاختراعات والمقالات العلمية المنشورة علي پورأحمد
◉ الاختراعات العلمية علي پورأحمد
◉ أفلام الخيال العلمي علي پورأحمد
◉ جوائز علي پور أحمد
◉ لوحات للفنان علي پورأحمد
◉ موسيقى علي بورأحمد الآلية
إعلان
