برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
اختراعات علمی: علی پوراحمد | طبقه بندی: اختراعات جدید در ایران و جهان | دسته: اختراعات ثبت شده در ایران و جهان
تولید مستقل برق از چرخ های خودرو با استفاده از لاستیک های مجهز به سیستم پیزوالکتریک | استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزوالکتریک برای تولید و ذخیره برق در انواع خودرو
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ مقدمه و اهداف:
در این مقاله بطور مختصر به بررسی اختراع تولید مستقل برق از چرخ های خودرو با استفاده از لاستیک های مجهز به سیستم پیزوالکتریک میپردازیم.
خودرو های مدرن امروزی فراتر از یک وسیله جهت حمل نقل محسوب می شوند زیرا با تجهیز به سیستمهای متنوع و پیچیده الکترونیکی قابلیتهایی را برای سرنشینان فراهم میکنند که از یک وسیله جابجایی ساده فراتر می رود. از سیستمهای ایمنی گرفته تا انواع سرگرمی، کنترل موتور، ناوبری, ارتباط با اینترنت و سایر موارد دیگر که همگی به بخش مهمی از ضرورت های یک خودرو تبدیل شده است. از سوی دیگر پیشرفت های تکنولوژی در صنایع الکترونیک باعث شده که استفاده از قطعات و دستگاه های متکی به الکترونیک, بیش از پیش در خودروها افزایش یابد. این افزایش با ورود تجهیزات و تولیدات متنوع نانو الکتریک سرعت گرفته و به یکی از نگرانی های افزایش اجتناب ناپذیر تولید و مصرف الکتریسیته در این صنعت بدل شده است.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
واضح است که با افزایش روز افزون و اجتناب ناپذیر انواع قطعات کوچک و بزرگ الکترونیکی, تبعا نیاز به تولید الکتریسیته نیز در یک خودرو بیشتر می شود. با اینحال با تمام محدودیتهای تولید الکتریسیته در یک خودرو, اما همچنان تقاضای عموم برای استفاده از خودروهایی با امکانات و آپشن های الکترونیکی بیشتر, رو به افزایش است. این موضوع باعث شده که پیدا کردن راهکارهای نوین برای تولید بیشتر الکتریسیته در یک خودرو به یکی از مهمترین چالش های خودروسازان در سطح جهان تبدیل شود. سنسورها, عملگرها, واحدهای کنترل الکترونیکی, الکترونیک قدرت, شبکههای ارتباطی, اجزای رابط کاربری, کنترل پیشرفته بدنه BCM و موتور ECU, ایمنی افزایش یافته ESC و ABS, راحتی و آسایش, ناوبری و اتصال ماژول های GPS, مدیریت انرژی, و رانندگی خودکار تنها بخشی از ضروریات الکترونیکی در یک خودروی مدرن و امروزی هستند.
حال, در کنار مواردی که اشاره کردم اگر انواع مختلف حسگرهای الکترونیکی (تخمین کمیت های فیزیکی) ضروری دیگر نظیر: سنسورهای فشار, سنسورهای دما, حسگرهای مجاورت, سنسورهای سرعت, سنسورهای اکسیژن, سنسورهای موقعیت, سنسورهای نور, سنسورهای باران, و سنسورهای اینرسی که همگی بعنوان فاکتورهای "انرژی خوار" در یک خودرو محسوب می شوند را به مجموعه قبلی اضافه کنیم آنگاه به معنای واقعی به اهمیت تولید انرژی الکتریسیته در یک خودرو پی خواهیم برد. هر چند باتری های نسل جدید تا حدودی به کمک رفع این چالش آمده اند اما برق مورد نیاز برای ذخیره در باتری می تواند بار فشار بر موتور و بالا رفتن مصرف سوخت و انرژی و همچنین استهلاک بیشتر قطعات موتور را در پی داشته باشد که این موضوع نه برای صنایع خودروسازی خوشایند می باشد و نه برای مصرف کننده و صاحب خودرو بصرفه و مطلوب است.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
اکثر خودروها معمولی, برای کار با یک باتری ۱۲ ولتی با توان تولید ۶۰۰ آمپر طراحی شدهاند. در این باتری های شش سلولی, وقتی باتری کاملاً شارژ شود ۱۲.۶ ولت برق تولید می گردد, بعبارتی یک باتری خودرو میتواند بسته به نوع و اندازه وسیله نقلیه، از ۴۰۰ تا ۱۰۰۰ آمپر ذخیره کند اما با این حال، میزان برق تولید شده با تخلیه باتری کاهش مییابد. جبران این کاهش ذخیره الکتریسیته در خودروهای غیر الکتریکی بر عهده دینام (Alternator) است که انرژی مکانیکی تولید شده توسط موتور دیزل را به انرژی الکتریکی تبدیل و باتری را شارژ می کند اما در خودروهای الکتریکی شارژ باتری اجبارا بر عهده انواع ایستگاه های شارژ است که بهرحال در هر دو نوع خودرو, با مشکل بار فشار اضافی بر موتور و اتلاف انرژی و وقت روبرو هستیم.
مجموع این مشکلات و نگرانی ها برای تولید الکتریسیته در یک خودرو (بدون افزایش بار اضافی بر موتور خودرو و یا بالا رفتن مصرف سوخت و انرژی) باعث گشت که من ایده تولید الکتریسیته از لاستیک های چرخ یک خودرو برای بخشی از قطعات الکترونیکی را خلق کنم. در حقیقت بنای اولیه ایده من بر پایه اثر پیزوالکتریک و استفاده از فشار ایجاد شده بین دو سطح و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس است. به بیان ساده تر هنگام رخ دادن تنش مکانیکی، بارهای الکتریکی در برخی مواد تولید گردیده و یا با اعمال میدان الکتریکی ابعاد آنها تغییر میکند که به فرآیند این پدیده قابلبرگشت، اثر پیزوالکتریک مستقیم (Direct piezoelectric Effect) گفته می شود.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ توضیحات فنی اختراع:
اثر پیزوالکتریک در برخی مواد (طبیعی یا مصنوعی) به دلیل عدم تقارن در سلول های واحد بلوری و دو قطبیهای الکتریکی که بر اثر تنش مکانیکی و جابجایی ساختار مواد رخ می دهد به وجود میآید. زیرکونات تیتانات سرب (PZT) یک ماده پیزوسرامیکی مصنوعی با خواص پیزوالکتریک بالا است. در کنار آن مواد دیگری نیز نظیر سرب منیزیم نیوبات (PMN)، و سرب تیتانات (PT) وجود دارد که بدلیل خاصیت پیزو سرامیکی کاربردهای زیادی در صنعت هوافضا دارند. در حقیقت زیرکونات تیتانات سرب (PZT) یک ماده سرامیکی مصنوعی و پلی کریستالی است که (گسترده تر از سایر مواد پیزوالکتریکی) در حسگرها و عملگرهای سیستم پیشرانه های فضایی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین تک کریستالهای طبیعی مانند کوارتز و تورمالین نمونه هایی از مواد پیزوالکتریک در طبیعت هستند, اما برای اینکه یک کریستال حاوی خاصیت پیزوالکتریک باشد نباید مرکز تقارن داخلی داشته باشد هرچند همه مواد کریستالی غیرمرکزی حاوی خاصیت کامل پیزوالکتریکی نیستند.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
مواد سرامیکی مصنوعی مانند زیرکونات تیتانات سرب (PZT) و تیتانات باریم پلی کریستالی هستند و به خودی خود پیزوالکتریک نیستند و به یک میدان الکتریکی DC نیاز دارند تا دو قطبی کریستالهای آنها با جهت گیری در مسیر میدان اعمال شده هم راستا گردیده و خاصیت پیزوالکتریکی از خود ایجاد کنند. به فرآیند هم راستا شدن جهت گیری در دو قطبی های کریستال, قطبش (Poling) می گویند که پس از انجام این فرآیند, سرامیک یک گشتاور دو قطبی خالص ایجاد میکند و به طور خطی و سریع به یک میدان الکتریکی یا تنش مکانیکی واکنش مستقیم نشان می دهد. چنین عملکردی باعث شده تا بطور گسترده از کریستال در ساختار انواع سنسورهای پیزوالکتریک استفاده شود.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
سنسورهای پیزوالکتریک نیازی به منبع جریان خارجی ندارند زیرا قادر به تولید سیگنال خروجی از کرنش فیزیکی اعمال شده هستند و به طور موثر فشرده سازی را با استفاده از اثر پیزوالکتریک ایجاد و اندازه گیری می کنند. با توجه به اینکه سنسورهای پیزوالکتریک قابلیت تبدیل پارامترهای فیزیکی به الکتریسیته را دارند, بنابراین شتاب و یا فشار فیزیکی را به یک بار الکتریکی تبدیل می کنند که این توان الکتریکی قابلیت اندازه گیری دارد. سنسورهای پیزوالکتریک علیرغم کوچکی ابعادشان اما واکنش بسیار سریعی به فشار نشان می دهند و به همین دلیل در ایده این اختراع, من از تعداد زیادی سنسورهای کوچک پیزوالکتریک بصورت موازی بر حول محور بیرونی لاستیک چرخ های خودرو استفاده کرده ام.
ساختار "سنسورهای فشار پیزوالکتریک" که در این اختراع استفاده شده است, از یک دیافراگم و یک کریستال پیزوالکتریک تشکیل گردیده است. این سنسورها می توانند با جابجایی یک دیافراگم فلزی نازک به هر میزان فشار فیزیکی حساسیت نشان داده و مقدار آن را تشخیص دهند. این دیافراگم که بر روی سنسور نصب شده است در هنگام خم شدن به دلیل تغییر فشار باعث ایجاد فشار بر کریستال پیزوالکتریک می شود. بار الکتریکی که به سطح کریستال می رسد دارای قطب مخالف و متناسب با کرنش خواهد بود, بعبارتی با فشرده شدن بلورهای کوارتز کریستال یک ولتاژ الکتریکی مشخص به تناسب میزان فشار ایجاد می شود.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
این سنسورهای پیزوالکتریک با استفاده از انرژی مکانیکی وارد شده بر یک بلور کار می کنند لذا با وارد آمدن فشار بر روی سنسور یک میدان الکتریکی کوچک ایجاد می شود که منجر به یک رابطه خطی بین قطبش و میدان الکتریکی می گردد زیرا میدان برای هم راستا کردن هیچیک از دومینها (اصطکاک داخلی میان نواحی) کافی نیست و کریستال تنها به عنوان یک ماده دی الکتریک عادی واکنش نشان می دهد. اما با افزایش میدان الکتریکی، تعدادی از دومینهای منفی که قطبش آنها در جهت مخالف میدان الکتریکی است، به جهت مثبت میدان الکتریکی جابجا میشوند و جهت گیری دومینها بوجود می آید. این باعث افزایش سریع قطبش می شود که ناشی از افزایش میدان الکتریکی است.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
کریستال پیزوالکتریک بین دو صفحه فلزی دایره ای شکل کوچک قرار دارد که به طور معمول در یک تعادل دقیق و کامل قرار دارند. تنش فیزیکی یا نیرو مکانیکی توسط صفحات فلزی روی مواد کریستال وارد می شود که باعث می شود بارهای الکتریکی موجود در کریستال از حالت سکون و تعادل خارج شود و بارهای منفی و مثبت اضافی بصورت بلوری در دو سمت مخالف پدیدار شوند. سپس صفحه فلزی دایره ای شکل کوچک این بارها را جمع می کند، که در نهایت می تواند برای تولید ولتاژ و ارسال جریان الکتریکی از طریق مدارهای داخلی به سایر قطعات الکترونیکی خودرو استفاده شود.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
همانگونه که در ویدیو انتهای این مقاله قابل مشاهده است طراحی لاستیک چرخ های خودرو از چند بخش مجزا تشکیل می شود. در قسمت محور بیرونی لاستیک مجموعه تجهیزات مرتبط با سنسورهای پیزو الکتریک نصب شده است و در بخش داخلی لاستیک مجموعه انتقال بار الکتریکی تولید شده جهت ذخیره موقت و سپس استفاده در مدارات الکترونیک خودرو را طراحی کرده ام. در بخش بیرونی محور لاستیک, یک شیار عریض در وسط و دو شیار موازی در طرفین قالب بندی شده است. شیار وسط محل قرار گیری نوار لاستیکی تجهیز شده به سنسورهای پیزو الکتریک است که بصورت جفت و موازی با فواصل 4 سانتیمتری از یکدیگر حول سطح بیرونی نوار قرار گرفته اند. قطر و شعاع نوار حلقوی لاستیکی سنسورهای پیزو الکتریک به گونه ای است که پس از قرار گیری (پرس و پلمب شدن) در شیار وسط, بصورت تراز و هم سطح با محور بیرونی لاستیک منطبق می شود.
انطباق دقیق نوار حلقوی لاستیکی سنسورهای پیزو الکتریک با سطح بیرونی محور لاستیک بخش مهمی از این سیستم ابداعی است زیرا در صورت تراز نبودن سطح, فشار وزن خودرو باعث تخریب و تغییر شکل سنسورها می شود که طبعا در چنین وضعیتی, سنسورها قابلیت عملکرد خود را از دست می دهند. با هم تراز و هم سطح شدن نوار سنسورهای پیزو الکتریک با لاستیک چرخ ها, بار وزن خودرو بر روی چگالی بافت خارج از شیار قرار می گیرد و با چرخش لاستیک خودرو فشاری بر سنسورهای پیزو الکتریک وارد نمی شود لذا تنش مکانیکی وارد شده بر کریستال سنسور بطور مستقیم به مناسب بودن تراز سنسور بستگی دارد. در این مرحله بدلیل خنثی بودن سنسورها بار الکتریکی نیز تولید نمی شود که برای رفع این مشکل و وارد شدن فشار کم و کنترل شده بر نوار سنسورها, من یک "محرک لاستیکی" جهت ایجاد فشار بر روی شیار وسط لاستیک طراحی کردم. این "محرک فشار" بصورت بال های لاستیکی واکنش پذیر و منعطف بر روی سطح بیرونی لاستیک بصورت قالب بندی یکدست به حلقه لاستیک اضافه و پلمب شده است.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
"محرک فشار" علاوه بر وارد کردن فشار کنترل شده بر سنسورهای پیزو الکتریک, وظیفه تحریک و شارژ حرکت خودرو را نیز بعهده دارد که این موضوع باعث کاهش فشار بر موتور و به تبع آن کاهش مصرف سوخت نیز می شود. این خاصیت بدلیل کشسانی بسیار بالا و قابلیت انعطاف و برگشت پذیری به حالت اولیه قبل از فشار در این لاستیک است بدین گونه که با رسیدن هر یک از بال های منعطف به سطح جاده, فشرده (منقبض) شده و پس از جدا شدن از سطح جاده بصورت انفجاری باز (منبسط) و به حالت قبل از فشار بر می گردند. وقتی هر چهار چرخ خودرو را به سیستم باز شدن انفجاری "محرک فشار" تجهیز کنیم, آنگاه با وارد آمدن فشار مضاعف کشسانی (ناشی از عملکرد چهار چرخ) خودرو در وضعیت درگ حرکت رو به جلو قرار می گیرد. برای بالا بردن عملکرد بهتر قابلیت درگ رو به جلو, من دو "محرک فشار" با سیستم عملکردی مشابه بر روی دو شیار طرفین هر لاستیک نیز طراحی کرده ام تا شارژ جهش فشار انبساط "محرک" به حداکثر راندمان برسد.
همانگونه که در ویدیوی این مقاله قابل مشاهده است پس از تحریک سنسورهای پیزوالکتریک و تولید بار الکتریکی, الکتریسیته ایجاد شده از طریق غلطک انتقال که بهمراه گردش چرخ خودرو در حال چرخش است و بر روی یک نوار مسی دایره ای شکل در قسمت داخلی رینگ مستقر شده است به شبکه سیمی منتهی به ماژول "یکسو ساز" Bridge Rectifier برای تبدیل ورودی AC به خروجی DC ارسال می شود. سپس برای ذخیره کردن انرژی در یک میدان مغناطیسی, بار الکتریکی به سیم پیچ القایی دو ترمیناله Inductor Coil ارسال می شود. آنگاه برای عبور جریان الکتریسیته ذخیره شده در یک جهت از طریق دو ترمینال آند و کاتد از یک دیود Diode استفاده می کنیم و در نهایت برای ذخیره تجمع بارهای الکتریکی دو سطح نزدیک به هم که از یکدیگر عایق هستند از خازن دو پایانه Capacitor استفاده کرده ام. الکتریسیته تولید شده حاصل از این فرآیند را می توان ضمن ذخیره سازی در باتری به مصرف بخشی ار مدارهای الکترونیکی خودرو رساند و بار نیاز به تولید اضافه الکتریسیته را از روی دینام و یا باتری خودرو برداشت.
◉ اختراع: تولید برق در خودرو با استفاده از چرخ های مجهز به لاستیک پیزو الکتریک
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
"در انتهای این مقاله لازم به اشاره مجدد میدانم که اگر یک کریستال پیزوالکتریک را بکشیم یا فشار دهیم ساختار ماده آن تغییر شکل می دهد و بار الکتریکی در سطوح مختلفی بسته به نوع و شکل فشار, در کریستال ظاهر می شود لذا درک رفتار کریستالهای پیزوالکتریک هنگام طراحی و استفاده از اثر پیزوالکتریک در لاستیک خودرو بسیار مهم است. سنسورهای پیزوالکتریک بر اساس اثر پیزوالکتریکی می توانند از نیروهای عرضی ، طولی یا برشی استفاده کنند و در عین حال حساسیتی نسبت به میدان های الکتریکی و تابش های الکترومغناطیسی ندارند. این سنسورها در محدوده وسیعی از تغییرات دما بصورت خطی عمل می کنند و این موضوع باعث شده که آنها را به سنسورهایی ایده آل برای محیط های متغیر در دما تبدیل کند اما با اینحال برای کاربرد در دماهای بسیار بالا میبایست از ماژول های تورفتگی، دیافراگم بافل یا پوشش محافظ حرارتی در این دسته از سنسورها استفاده کنیم . سنسورهای کریستالی پیزوالکتریک مناسب برای استفاده در اجسام محرک نظیر لاستیک خودرو هستند زیرا بیشتر از این سنسورها برای اندازه گیری فشار دآینامیکی و حرکتی استفاده می شود و بطور کلی برای اندازه گیری فشار استتیک کاربردی ندارند.
بمثابه سایر اختراعات, این اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر را داشته و با استفاده از این لاستیک پیزوالکتریکی می توان کمک شایانی به رفع محدودیت تولید برق جهت مدارهای الکترونیکی در انواع خودرو نمود.
پایان مقاله//
◉ ویدیوی تولید مستقل برق از چرخ های خودرو با استفاده از لاستیک های مجهز به سیستم پیزوالکتریک / از دسته «اختراعات علی پوراحمد»
◉ سازنده انیمیشن این ویدیو: علی پوراحمد
◉ سازنده موسیقی این ویدیو: علی پوراحمد
◉ گفتار متن: علی پوراحمد
◉ زبان: انگلیسی
◉ زیر نویس فارسی: ندارد
درباره مخترع و نویسنده این مقاله 👇 :
مقالات اختراعات علمی مرتبط با خودرو :
◉ اختراع سیستم ضد واژگونی خودرو - سیستم اتوماتیک ضد واژگونی کابین سرنشینان در خودروهای تمام الکتریکی (BEV)
◉ اختراع خودروی تمام برقی (BEV) با قابلیت شارژ مستقل داخلی بدون نیاز به منبع تغذیه بیرونی و یا ایستگاه های DC و AC
◉ اختراع کاهش مصرف سوخت و انرژی در انواع خودرو های الکتریکی و بنزینی با استفاده از "شاسی تعلیقی جاذبه"
◉ اختراع خودروی سواری تبدیل شونده به کامیون و وانت
سایر اختراعات علی پوراحمد :
◉ لیست کامل مجموعه اختراعات و مقالات علمی منتشر شده علی پوراحمد
سایر مقالات علی پوراحمد :
◉ آیا هوش مصنوعی میتواند خالق هنر و جایگزینی برای هنرمند و خلاقیت انسانی باشد؟
◉ چرا در سینمای ایران ژانر علمی تخیلی وجود ندارد!
◉ عوامل تاثیر گذار در خلق اختراعات, چگونه میتوانیم یک مخترع شویم!
◉ آیا خدا وجود دارد؟ آیا وجدان می تواند جایگزین خدا شود؟
تبلیغات
