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Ali Pourahmads Erfindungen | Kategorie: Neue Erfindungen in der Welt | Verwandte Themen: Wissenschaftliche Entdeckungen und technologische Erfindungen
Autonome Stromerzeugung in einem Auto mithilfe von Rädern mit piezoelektrischen Reifen – Nutzung von Piezoelektrizität in Automobilen
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
◉ Einleitung und Ziele:
In diesem Artikel beschreiben wir kurz die Erfindung der autonomen Stromerzeugung in einem Auto mithilfe von Rädern, die mit piezoelektrischen Reifen ausgestattet sind.
Moderne Autos sind heute weit mehr als nur ein Transportmittel. Sie sind mit einer Vielzahl komplexer elektronischer Systeme ausgestattet, die den Insassen Funktionen bieten, die weit über die reine Beförderung hinausgehen. Von Sicherheitssystemen über Unterhaltungsprogramme, Motorsteuerung, Navigation und Internetanbindung bis hin zu vielem mehr – all dies gehört mittlerweile zum Standard in der Automobilbranche. Gleichzeitig hat der technologische Fortschritt in der Elektronikindustrie dazu geführt, dass der Einsatz elektronischer Komponenten und Geräte in Autos so stark zugenommen hat wie nie zuvor. Diese Entwicklung hat sich mit der Einführung verschiedener nanoelektrischer Geräte und Anlagen noch beschleunigt und ist angesichts des unaufhaltsamen Anstiegs von Stromerzeugung und -verbrauch in dieser Branche zu einer der größten Herausforderungen geworden.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
Mit dem zunehmenden Einsatz verschiedener kleiner und großer elektronischer Bauteile steigt auch der Bedarf an elektrischer Energie im Auto. Trotz der bestehenden Einschränkungen bei der Stromerzeugung im Fahrzeug wächst die Nachfrage nach Fahrzeugen mit mehr elektronischen Funktionen und Optionen stetig. Daher zählt die Entwicklung neuer Lösungen zur Steigerung der elektrischen Leistung im Auto zu den wichtigsten Herausforderungen für Automobilhersteller weltweit. Sensoren, Aktoren, elektronische Steuergeräte, Leistungselektronik, Kommunikationsnetzwerke, Benutzerschnittstellen, fortschrittliche Karosseriesteuergeräte (BCM) und Motorsteuergeräte (ECU), erhöhte Sicherheit durch ESC und ABS, Komfortfunktionen, Navigation und GPS-Anbindung, Energiemanagement und autonomes Fahren sind nur einige der elektronischen Komponenten, die in einem modernen Auto unerlässlich sind.
Zusätzlich zu den bereits erwähnten Punkten, kommen zu den notwendigen elektronischen Sensoren (zur Messung physikalischer Größen) wie Druck-, Temperatur-, Näherungs-, Geschwindigkeits-, Sauerstoff-, Positions-, Licht-, Regen- und Trägheitssensoren hinzu, die allesamt als energieverbrauchende Faktoren im Auto gelten. Erst dann wird die Bedeutung der elektrischen Energieerzeugung im Fahrzeug deutlich. Zwar haben Batterien der neuen Generation diese Herausforderung teilweise gelöst, doch die zum Speichern der Batterie benötigte elektrische Energie kann den Motor belasten und den Kraftstoff- und Energieverbrauch sowie den Verschleiß von Motorteilen erhöhen. Dies ist weder für die Automobilindustrie erfreulich noch wirtschaftlich und wünschenswert für Verbraucher und Fahrzeughalter.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
Die meisten herkömmlichen Autos sind für den Betrieb mit einer 12-Volt-Batterie mit einer Kapazität von 600 Ampere ausgelegt. Diese Sechs-Zellen-Batterien liefern im voll geladenen Zustand 12,6 Volt. Das bedeutet, dass eine Autobatterie je nach Fahrzeugtyp und -größe zwischen 400 und 1000 Ampere speichern kann. Die gespeicherte Strommenge nimmt jedoch mit sinkender Batterieladung ab. Bei Verbrennern gleicht die Lichtmaschine diesen Verlust an gespeicherter Energie aus. Sie wandelt die vom Dieselmotor erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie um und lädt die Batterie. Bei Elektroautos hingegen erfolgt das Laden der Batterie an verschiedenen Ladestationen. Dies führt bei beiden Fahrzeugtypen zu einer zusätzlichen Belastung des Motors sowie zu Energie- und Zeitverlusten.
Die Summe dieser Probleme und Bedenken hinsichtlich der Stromerzeugung im Auto (ohne zusätzliche Belastung des Motors oder erhöhten Kraftstoff- und Energieverbrauch) führte mich zu der Idee, Strom aus den Autoreifen für einige elektronische Bauteile zu gewinnen. Tatsächlich basiert meine Idee im Wesentlichen auf dem piezoelektrischen Effekt und nutzt den Druck zwischen zwei Oberflächen, um mechanische Energie in elektrische Energie und umgekehrt umzuwandeln. Vereinfacht ausgedrückt: Bei mechanischer Belastung entstehen in manchen Materialien elektrische Ladungen oder ihre Dimensionen verändern sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Dieser reversible Prozess wird als "direkter piezoelektrischer Effekt" bezeichnet.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
◉ Technische Beschreibung der Erfindung:
Der piezoelektrische Effekt in einigen Materialien (natürlichen oder synthetischen Ursprungs) entsteht durch Asymmetrien in den Kristallzellen und elektrische Dipole, die durch mechanische Spannungen und Verschiebungen der Materialstruktur hervorgerufen werden. Bleizirkonattitanat (PZT) ist ein synthetisches piezokeramisches Material mit stark ausgeprägten piezoelektrischen Eigenschaften. Daneben gibt es weitere Materialien wie Bleimagnesiumniobat (PMN) und Bleititanat (PT), die aufgrund ihrer piezokeramischen Eigenschaften vielfältige Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie finden. Bleizirkonattitanat (PZT) ist ein synthetisches, polykristallines Keramikmaterial, das (häufiger als andere piezoelektrische Materialien) in Sensoren und Aktoren von Raumfahrtantriebssystemen eingesetzt wird. Natürliche Einkristalle wie Quarz und Turmalin sind ebenfalls Beispiele für piezoelektrische Materialien. Damit ein Kristall piezoelektrische Eigenschaften aufweist, darf er jedoch kein inneres Symmetriezentrum besitzen, obwohl nicht alle exzentrischen kristallinen Materialien vollständig piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
Synthetische Keramikmaterialien wie Bleizirkonattitanat (PZT) und Bariumtitanat sind polykristallin und nicht von Natur aus piezoelektrisch. Sie benötigen ein Gleichstromfeld, um ihre Kristalldipole in Feldrichtung auszurichten und piezoelektrische Eigenschaften zu erzielen. Dieser Ausrichtungsprozess wird als Polung bezeichnet. Nach der Polung weist die Keramik ein resultierendes Dipolmoment auf und reagiert linear auf ein elektrisches Feld oder mechanische Spannung. Diese Eigenschaft hat zur weitverbreiteten Verwendung von Kristallen in verschiedenen piezoelektrischen Sensoren geführt.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
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◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
Piezoelektrische Sensoren benötigen keine externe Stromquelle, da sie aus der einwirkenden physikalischen Dehnung ein Ausgangssignal erzeugen und mithilfe des piezoelektrischen Effekts Kompression effektiv erzeugen und messen können. Da piezoelektrische Sensoren physikalische Parameter in Elektrizität umwandeln können, wandeln sie Beschleunigung oder physikalischen Druck in eine messbare elektrische Ladung um. Trotz ihrer geringen Größe reagieren piezoelektrische Sensoren sehr schnell auf Druck. Aus diesem Grund habe ich im Rahmen dieser Erfindung eine große Anzahl kleiner piezoelektrischer Sensoren parallel um die Außenachse der Autoreifen angeordnet.
Die in dieser Erfindung verwendeten piezoelektrischen Drucksensoren bestehen aus einer Membran und einem piezoelektrischen Kristall. Diese Sensoren reagieren auf beliebige physikalische Druckstärken und erfassen deren Wert durch die Bewegung einer dünnen Metallmembran. Diese Membran, die auf dem Sensor angebracht ist, erzeugt bei Druckänderungen Druck auf den piezoelektrischen Kristall. Die elektrische Ladung, die die Kristalloberfläche erreicht, besitzt entgegengesetzte Polarität und ist proportional zur Dehnung. Das heißt, bei der Kompression des Quarzkristalls entsteht eine elektrische Spannung, die proportional zum Druck ist.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
Diese piezoelektrischen Sensoren funktionieren, indem sie mechanische Energie auf einen Kristall übertragen. Wird Druck auf den Sensor ausgeübt, entsteht ein kleines elektrisches Feld. Da das Feld nicht ausreicht, um die innere Reibung auszurichten, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Polung und elektrischer Feldstärke. Der Kristall verhält sich daher wie ein normales dielektrisches Material. Mit zunehmender Feldstärke verschiebt sich jedoch ein Teil der inneren Reibung zwischen den negativ geladenen Bereichen, deren Polung der Feldrichtung entgegengesetzt ist, in die positive Richtung des elektrischen Feldes. Dadurch richtet sich die elektrische Ladung aus. Dies führt zu einem raschen Anstieg der Polung, der durch die Zunahme der Feldstärke bedingt ist.
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Der piezoelektrische Kristall befindet sich zwischen zwei kleinen, kreisförmigen Metallplatten, die sich üblicherweise im Gleichgewicht befinden. Durch die Metallplatten wird eine mechanische Kraft auf das Kristallmaterial ausgeübt, wodurch sich die elektrischen Ladungen im Kristall verschieben und auf gegenüberliegenden Seiten überschüssige negative und positive Ladungen erzeugen. Die kleinen kreisförmigen Metallplatten sammeln diese Ladungen, die letztendlich zur Spannungserzeugung genutzt werden können, um elektrischen Strom über interne Schaltkreise zu anderen elektronischen Bauteilen im Fahrzeug zu leiten.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
Wie im Video am Ende dieses Artikels zu sehen ist, besteht die Konstruktion von Autoreifen aus mehreren separaten Teilen. Auf der Außenachse des Reifens ist eine Einheit mit piezoelektrischen Sensoren angebracht, während auf der Innenseite die Einheit zur elektrischen Ladungsübertragung für die temporäre Speicherung und spätere Verwendung in den elektronischen Schaltkreisen des Fahrzeugs vorgesehen ist. Auf der Außenachse des Reifens befinden sich eine breite, mittige Nut und zwei parallele Nuten an den Seiten. In der mittleren Nut befindet sich der mit piezoelektrischen Sensoren bestückte Gummistreifen. Diese Sensoren sind paarweise und parallel im Abstand von 4 Zentimetern auf der Außenfläche des Streifens angeordnet. Durchmesser und Radius des ringförmigen Gummistreifens mit den piezoelektrischen Sensoren sind so gewählt, dass er nach dem Einpressen und Abdichten in die mittlere Nut bündig mit der Außenachse des Reifens abschließt.
Die präzise Ausrichtung des piezoelektrischen Sensorrings auf die Reifenaußenfläche ist ein wichtiger Bestandteil dieses innovativen Systems. Ist die Oberfläche nicht eben, beschädigt und verformt der Fahrzeugdruck die Sensoren, was deren Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Durch die Ausrichtung und Nivellierung des Sensorrings auf den Reifen wird das Fahrzeuggewicht auf die Gewebedichte außerhalb der Profilrille verlagert. Da beim Drehen des Reifens kein Druck auf die piezoelektrischen Sensoren wirkt, hängt die mechanische Belastung des Sensorkristalls direkt von der korrekten Sensorausrichtung ab. In diesem Zustand sind die Sensoren neutral und es wird keine elektrische Ladung erzeugt. Um dieses Problem zu lösen und einen niedrigen, kontrollierten Druck auf den Sensorring auszuüben, habe ich einen "Gummiaktuator" entwickelt, der Druck auf die Mittelrille des Reifens erzeugt. Dieser "Druckaktuator" besteht aus flexiblen, reaktiven Gummiflügeln, die auf der Reifenaußenfläche gleichmäßig geformt und mit dem Reifenring abgedichtet sind.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
◉ Erfinder und Patentinhaber: Ali Pourahmad
◉ Kategorie: Neue Erfindungen von Erfindern weltweit
Zusätzlich zur kontrollierten Druckbeaufschlagung der piezoelektrischen Sensoren dient der "Druckaktuator" auch der Anregung und Aufladung der Fahrzeugbewegung. Dies reduziert die Belastung des Motors und somit den Kraftstoffverbrauch. Diese Eigenschaft beruht auf der sehr hohen Elastizität und Flexibilität sowie der Rückstellfähigkeit des Reifens in den Ausgangszustand vor der Druckbeaufschlagung. Sobald die flexiblen Flügel die Fahrbahn berühren, werden sie komprimiert (kontrahiert) und öffnen sich nach dem Ablösen explosionsartig (expandieren) und kehren in den Ausgangszustand zurück. Sind alle vier Räder des Fahrzeugs mit diesem System ausgestattet, gerät das Fahrzeug durch den doppelten elastischen Druck (verursacht durch die Bewegung aller vier Räder) in einen Vorwärtsdrang. Um die Vorwärtsdrangwirkung weiter zu optimieren, habe ich zwei weitere "Druckaktuatoren" mit einem ähnlichen Funktionsprinzip in den beiden seitlichen Rillen jedes Reifens integriert. Dadurch wird die maximale Effizienz der Druckimpulse des "Aktuators" erreicht.
Wie im Video zu diesem Artikel zu sehen ist, wird nach der Anregung der piezoelektrischen Sensoren und der damit verbundenen Ladungserzeugung der Strom über eine Transferrolle, die sich mit der Radrotation dreht, auf einen kreisförmigen Kupferstreifen an der Felgeninnenseite geleitet. Von dort gelangt er über ein Drahtnetzwerk zum Brückengleichrichter, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Anschließend wird die elektrische Ladung in einem Magnetfeld gespeichert und einer Zweipol-Induktionsspule zugeführt. Um den gespeicherten Strom in eine Richtung durch die Anoden- und Kathodenpole zu leiten, wird eine Diode verwendet. Schließlich dient ein Zweipol-Kondensator zur Speicherung der Ladungen zwischen zwei nahe beieinander liegenden, voneinander isolierten Oberflächen. Der so erzeugte Strom kann in der Batterie gespeichert und zur teilweisen Versorgung der Fahrzeugelektronik genutzt werden. Dadurch wird die Lichtmaschine bzw. die Autobatterie entlastet.
◉ Erfindung: Autonome Stromerzeugung in einem Auto mittels Rädern mit piezoelektrischen Reifen
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Zum Abschluss dieses Artikels möchte ich noch einmal betonen, dass sich die Materialstruktur eines piezoelektrischen Kristalls beim Dehnen oder Stauchen verändert und je nach Art und Form des Drucks elektrische Ladungen in unterschiedlichem Ausmaß im Kristall entstehen. Daher ist das Verständnis des Verhaltens piezoelektrischer Kristalle für die Entwicklung und Anwendung des piezoelektrischen Effekts in Autoreifen von großer Bedeutung. Piezoelektrische Sensoren, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren, können Quer-, Längs- oder Scherkräfte nutzen und sind gleichzeitig unempfindlich gegenüber elektrischen Feldern und elektromagnetischer Strahlung. Diese Sensoren arbeiten über einen weiten Temperaturbereich linear, was sie ideal für Umgebungen mit variablen Temperaturen macht. Für Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen müssen jedoch in dieser Sensorkategorie Indentationsmodule, Blenden oder Wärmeschutzabdeckungen eingesetzt werden. Piezoelektrische Kristallsensoren eignen sich für den Einsatz in sich bewegenden Objekten wie Autoreifen, da die meisten dieser Sensoren zur Messung von dynamischem und bewegtem Druck verwendet werden und im Allgemeinen nicht zur Messung von statischem Druck geeignet sind.
Wie andere Erfindungen birgt auch diese das Potenzial für Weiterentwicklung und Optimierung, und die Verwendung dieses piezoelektrischen Gummis kann wesentlich dazu beitragen, die Einschränkungen bei der Stromerzeugung für elektronische Schaltungen in allen Fahrzeugtypen zu beseitigen.
Ende des Artikels//
◉ Video zur autonomen Stromerzeugung in einem Auto mithilfe von mit piezoelektrischen Reifen ausgestatteten Rädern / Kategorie: Erfindungen von Ali Pourahmad
◉ Animationskünstler dieses Videos: Ali Pourahmad
◉ Musikkomponist dieses Videos: Ali Pourahmad
◉ Sprecher: Ali Pourahmad
◉ Sprache: Englisch
◉ Untertitel: Keine
Über den Erfinder und Autor dieses Artikels:👇
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◉ Vollständige Liste der Erfindungen und veröffentlichten wissenschaftlichen Artikel von Ali Pourahmad
◉ Wissenschaftliche Erfindungen von Ali Pourahmad
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◉ Ali Pourahmad-Auszeichnungen
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◉ Ali Pourahmad Instrumentalmusik
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