הקונספט שלטעינת נורות לדשימוש באלמנטים פיזואלקטריים היה נושא מחקר מסקרן בחיפוש אחר פתרונות תאורת חירום אמינים וידידותיים לסביבה. מערכת לייצור חשמל- עצמאית ויעילה חיונית לתאורת חירום, שכן הפסקות חשמל עלולות להתרחש באופן פתאומי עקב אסונות טבע, תקלות ברשת או אירועים בלתי צפויים אחרים. עם האיכויות המיוחדות שלה, פיזואלקטריות מהווה אמצעי בר-קיימא להשיג זאת.
הכרת היסודות של פיזואלקטריות וכיצד היא פועלת
תופעה הידועה בשם פיזואלקטריות מתרחשת כאשר מתח מכני מופעל על חומרים מסוימים, הגורם להם לייצר מטען חשמלי. חומרים בעלי איכויות פיזואלקטריות כוללים קוורץ, פולימרים מסוימים וקרמיקה ספציפית. המבנה הפנימי של חומרים אלה מתעוות כאשר הם נחשפים לכוחות פיזיים כגון דחיסה, כיפוף או רטט. מטענים חיוביים ושליליים בתוך החומר נפרדים כתוצאה מעיוות זה, ויוצרים הפרש פוטנציאל חשמלי על פני משטחי החומר. מצד שני, חומר פיזואלקטרי חווה דפורמציה מכנית כאשר הוא נחשף לשדה חשמלי.
רכיבים פיזואלקטריים הם חלופה רצויה לקצירת אנרגיה בשל עקרון הפעולה שלהם. המרת אנרגיה מכנית סביבה-שנמצאת לעתים קרובות בסביבה בצורה של רעידות מציוד, צעדים או רוח-לאנרגיה חשמלית שניתן לנצל כדי לטעון נורת LED היא המטרה של תאורת חירום.
יכולת הפעולה ההדדית של נורות LED ואלמנטים פיזואלקטריים
נורות LED הן-יעילות להפליא באנרגיה; הם משתמשים בהרבה פחות חשמל מאשר תאורת ליבון או פלורסנט קונבנציונלית. לתאורת חירום, השילוב של רכיבים פיזואלקטריים עם נורות לד אטרקטיבי בשל יעילותו האנרגטית. הכמויות הזעירות של אנרגיה חשמלית המופקת ממכשירים פיזואלקטריים עשויות להספיק לכוחנורות לדכי הם דורשים כוח קטן יחסית כדי לתפקד. החיבור הישיר בין רכיבים פיזואלקטריים ונורות LED מעורר קשיים. בדרך כלל, חומרים פיזואלקטריים מייצרים פלט חשמלי עם מתח גבוה וזרם נמוך. עם זאת, על מנת לתפקד היטב, נורות לד זקוקות למקור מתח וזרם קבוע ומדויק למדי. נדרשים מעגלים נוספים, לרבות מיישרים, ווסתי מתח והתקני אחסון אנרגיה (כגון קבלים או סוללות בקנה מידה קטן-), כדי לטפל באי-התאמה זו. האנרגיה החשמלית המופקת מהאלמנט הפיאזואלקטרי מומרת, מאוחסנת ונשלטת על ידי חלקים אלה, מה שמאפשר לה להפעיל את נורית ה-LED.
היתרונות של תאורת חירום באמצעות -נורות LED טעונות פיאזואלקטריות
העמידות של אסטרטגיה זו היא בין היתרונות החשובים ביותר שלה. אנרגיה שאחרת הייתה מתבזבזת ממקורות מכאניים בסביבה יכולה להיקלט באמצעות רכיבים פיזואלקטריים. למשל, אפשר לנצל את התנודות שנוצרות על ידי אנשים הנעים במבנה כדי ליצור כוח. זה מרמז שתאורת חירום המופעלת על ידי נורות LED טעונות- פיאזואלקטריות אינה תלויה במקורות חשמל קונבנציונליים כגון סוללות חד פעמיות או רשת החשמל. כתוצאה מכך, זה מפחית את ההשפעה הסביבתית של שימוש באנרגיה לא-מתחדשת ושל סילוק סוללות. העובדה שהוא עצמאי- היא יתרון נוסף. כל עוד קיימת אנרגיה מכנית זמינה, נורות LED טעונות- פיזואלקטריות יכולות להמשיך להציע תאורה במקומות מבודדים או במהלך הפסקות חשמל נרחבות שבהן ייתכן שמקורות מתח חיצוניים לא יהיו זמינים למשך תקופה ארוכה. זהו פתרון חירום אמין במגוון הגדרות בגלל ההסתמכות העצמית שלו.{11}
מכשולים ומגבלות
למרות הפוטנציאל, ישנם מספר מכשולים שאפשר להתגבר עליהם. אלמנטים פיזואלקטריים מספקים לעתים קרובות כמות סופית של אנרגיה חשמלית. למרות שהם מסוגלים לייצר חשמל, ייתכן שהתפוקה שלהם לא תספיק כדי לשמור על תאורה בהירה ורציפה לפרקי זמן ממושכים. הגבלה זו מגבילה את תחולתם במצבי-תאורת חירום מסוימים בביקוש גבוה. סוג החומר, כמות ותדירות הלחץ המכני המופעל ותכנון מערכת הקציר כולם משפיעים על מידת ההמרה של אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בחומרים פיזואלקטריים. זוהי משימה קשה הדורשת מחקר ופיתוח נרחבים כדי לייעל את האלמנטים הללו על מנת למקסם את ייצור האנרגיה. יתר על כן, יצירה ופריסה של מערכת תאורת חירום המשתמשת בטכנולוגיה פיזואלקטרית עשויה להיות מעט יקרה. העלות הגבוהה של חומרים פיזואלקטריים בעלי ביצועים- גבוהים ורכיבים חשמליים קשורים להמרת אנרגיה ואחסון עשויה למנוע שימוש נרחב בטכנולוגיה זו, במיוחד במצבים שבהם העלות מהווה דאגה.
דוגמאות מהעולם האמיתי והסיכויים לעתיד
הפוטנציאל של קצירת אנרגיה פיזואלקטרית להארה כבר מוצג בכמה מקרים-בעולם האמיתי. אריחי ריצוף פיזואלקטריים, למשל, מותקנים במבני ציבור מסוימים ומייצרים אנרגיה כאשר אנשים הולכים עליהם. מערכות אלו מדגימות את כדאיות הטכנולוגיה, למרות שהן עדיין אינן בשימוש נרחב להארת חירום בלבד. התפתחויות עתידיות במדעי החומר אמורות להוביל ליצירת חומרים פיזואלקטריים יעילים יותר עם שיעורי המרת אנרגיה גדולים יותר. בנוסף, טעון פיזואלקטרי-קומפקטי ובמחיר סביר יותרנורת לדמערכות לאורות חירום יתאפשרו על ידי התקדמות באינטגרציה ובמזעור של רכיבים אלקטרוניים. בשנים הקרובות, שימוש באלמנטים פיזואלקטריים לטעינת נורות LED עשוי להפוך לבחירה פופולרית ושימושית יותר ככל שהצורך בפתרונות תאורת חירום אמינים וברי קיימא יגדל. לסיכום, שימוש במכשיר פיזואלקטרי לטעינת נורת לד לתאורת חירום אפשרי למרות קשיים מסוימים. לשילוב יש מספר יתרונות קיימות ו-עצמי. לטכנולוגיה הזו יכולה להיות השפעה גדולה על תאורת חירום בעתיד עם יוזמות נוספות של מחקר, פיתוח וקיצוץ- בעלויות.
