Green Campus Bicycle Generator/ar

توجد طرق عديدة لتحويل الطاقة واستخدامها . تنبع الطاقة من شكلين أساسيين: الطاقة الكامنة ، وهي الطاقة غير النشطة، والطاقة الحركية، وهي الطاقة الناتجة عن حركة الأشياء. ويشمل ذلك الطاقة التي يستمدها جسمنا لأداء شغل. وبدلاً من استخدام طاقتنا الكامنة، تحول مجتمعنا المعاصر إلى استخدام الطاقة المستخرجة من مصادر أخرى، مثل الوقود الأحفوري .

فعلى سبيل المثال، بدلاً من استخدام طاقتنا لصعود الدرج، يختار معظم الأمريكيين استخدام المصعد. ومع ذلك، لا تتمتع جميع الدول بهذه الميزة، إذ أن معظم الأجهزة تعمل بالكهرباء فقط . ومن الحلول التي توفر الكهرباء باستخدام الطاقة البشرية الدراجة الثابتة التي تعمل بقوة الإنسان. ^{[ 1 ]}

يرغب مشروع الحرم الجامعي الأخضر في امتلاك مولد كهربائي يعمل بدواسات الدراجات . سيُستخدم هذا المولد كنموذج توضيحي لبيان كمية الطاقة اللازمة لإضاءة أنواع مختلفة من المصابيح الكهربائية؛ المتوهجة، والفلورية المدمجة ، وشاشات الكريستال السائل. ستستخدم دواسات الدراجة الطاقة الميكانيكية لتشغيل المولد، الذي سيولد الكهرباء ويضيء المصابيح. سيوضح هذا النموذج كمية الطاقة اللازمة لتشغيل كل نوع من المصابيح. كما سيسهم في تعريف الجمهور ببدائل مصادر الطاقة، وربما طرق ممارسة الرياضة أيضًا. وسيساعد الأفراد على فهم مفهوم توليد الطاقة أو القدرة على بذل شغل.

لتصميم مولد كهربائي يعمل بدواسة الدراجة، مناسب لأهداف مشروع "الحرم الجامعي الأخضر"، يجب معرفة مقدار الطاقة اللازمة لإضاءة المصباح الأكثر استهلاكًا للطاقة (المصباح المتوهج) لتحديد حجم المولد المناسب لتشغيله. الطاقة المُولّدة من الدراجة لتشغيل المولد هي طاقة تيار مستمر (DC)، بينما تعمل شاشات الكريستال السائل (LCD) فقط على طاقة تيار متردد (AC). هذا يعني الحاجة إلى محول كهربائي لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد. ستُستخدم الدراجة في العروض التوضيحية، لذا يجب أن تكون سهلة النقل وقادرة على تحمل أوزان مختلفة الأحجام. لذا، يجب أن يكون الجهاز خفيف الوزن وثابتًا في الوقت نفسه. لن تكون الدراجة الكاملة ضرورية لهذا المشروع؛ بل سيتم التركيز على هيكل متين تُبنى عليه الدراجة.

1. الفعالية؛ يجب أن يكون المولد قادراً على إضاءة جميع المصابيح. وهذا يعني توليد كل من التيار المتردد والتيار المستمر.
2. الموثوقية؛ يجب أن تكون الوحدة قادرة على العمل عند الحاجة. وهذا يعني تصميمًا بسيطًا يتطلب القليل من الإصلاحات الدورية.
3. سهولة الصيانة: عدد قليل من أعمال الصيانة الروتينية التي يسهل تحديدها وصيانتها، وهي سهلة وآمنة.
4. إمكانية الإصلاح: يجب أن تكون قطع الغيار اللازمة لأي إصلاحات سهلة التوفر ومنخفضة التكلفة.
5. التوافر؛ يجب أن تكون الوحدة قابلة للاستخدام في العديد من العروض العامة. ويشمل ذلك سهولة النقل.
6. السلامة؛ يتوافق التصميم مع إرشادات قانون الكهرباء الوطني
7. يجب أن يكون مريحاً؛ يجب أن يرغب الجمهور في استخدام الدراجة. إذا كان استخدامها غير مريح أو محرجاً، فسيفترضون أن جميع المولدات التي تعمل بالدواسات كذلك.
8. متين؛ يجب أن يكون قادراً على تحمل ضغط مجموعة متنوعة من أنواع الأجسام والسرعات.
9. إعادة التدوير؛ ينبغي إعادة استخدام المواد عند الاقتضاء.
10. التكلفة الأولية؛ ينبغي أن تبقى ضمن ميزانية الحرم الجامعي الأخضر، حوالي 250 دولارًا.

تعتمد الطاقة الدوّامية أساسًا على استخدام الطاقة البشرية على الدراجة لإنجاز العمل. ويتراوح ذلك بين الاستخدام الأكثر شيوعًا للدراجة كوسيلة نقل، وصولًا إلى توليد التيار الكهربائي لجهاز كمبيوتر محمول. توجد طرق عديدة لتطبيق هذه التقنية في استخدامات متنوعة. مع أن تقنية استخدام البكرات والتروس مستخدمة منذ آلاف السنين، واستخدام الدراجات كوسيلة نقل منذ مئات السنين، إلا أنه لم تُبذل أي محاولة لتسخير "قوة الدواسة" إلا عندما ابتكر ديك أوت "آلة دفع الدواسة" في منتصف القرن العشرين (مكولاه، 1977). ولا تزال المعايير التي استُخدمت في ابتكار "آلة دفع الدواسة" مهمة حتى اليوم؛ وهي: البساطة، وسهولة التشغيل والصيانة، وانخفاض التكلفة.

توجد عدة أسباب وطرق لتحويل الدراجة إلى وسيلة نقل أخرى غير وسيلة النقل. فبحسب آر جيه كونغدون، يُعدّ الإنسان على الدراجة أكثر الحيوانات أو الآلات كفاءة في التنقل؛ إذ يُعرّف الكفاءة بأنها "وحدات الطاقة المطلوبة لكل وحدة وزن لكل وحدة مسافة مقطوعة... ويستند هذا جزئيًا إلى كفاءة القطر الكبير للعجلة، والإطار الهوائي، والمحامل الكروية" (كونغدون، 1977). انظر الشكل 6.1. ووفقًا لجيمس سي ماكولاه، "يبلغ معدل تحويل طاقة العضلات في الدراجة حوالي 95%" (ماكولاه، 1977).

هناك نوعان رئيسيان من الطاقة التي يمكن توليدها عن طريق الدواسة؛ الأجهزة الكهربائية والأجهزة الميكانيكية، ولكل منهما القدرة على القيام بأفضل نوع من العمل لمهام معينة.

على غرار الدراجة الهوائية التقليدية، تعمل الدواسات الميكانيكية حصريًا باستخدام التروس والأحزمة أو السلاسل لتحويل الجهد البشري إلى طاقة للعمل. عادةً ما تُعدّل أجهزة الدواسات الميكانيكية الثابتة لأداء مهمة محددة. هناك طريقتان أساسيتان لإنشاء جهاز دواسات يدوي ثابت: تعديل دراجة هوائية عادية، أو إضافة دواسات إلى أي جهاز آخر يعمل يدويًا (كونغدون، 1977). هذا يعني إمكانية استخدام الجهاز الميكانيكي في العديد من المهام، بدءًا من ضخ المياه (مثال: http://web.archive.org/web/20080412103343/http://www.usaid.gov/lk/documents/tos/USAEP_solarpedalflo.pdf )، وطحن القمح أو الذرة، وتقشير المكسرات، وخض الزبدة، وحرث الأرض، وصولًا إلى توصيله بأجهزة منزلية مثل الخلاط أو المثقاب. الجهاز الميكانيكي أكثر كفاءة من الجهاز الكهربائي، لأن الطاقة الناتجة عن الدواسات تُستخدم مباشرةً لأداء وظيفتها المحددة، إذ لا تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. مع ذلك، فإن معظم هذه الأجهزة متخصصة للغاية ولا يمكن استخدامها إلا للغرض المصمم لها.

تُستخدم الدراجة الثابتة الكهربائية التي تعمل بدواسة القدم لتوليد تيار كهربائي للأجهزة الكهربائية، مما يُتيح تشغيل أجهزة مختلفة باستخدام نفس مولد الطاقة. فيما يلي شرح موجز لكيفية توليد الكهرباء، مأخوذ من كتاب " التكنولوجيا المناسبة: الأدوات والخيارات والآثار " (هازلتين، 1999). أولًا وقبل كل شيء، الطاقة هي القدرة على بذل شغل. الشغل هو في جوهره نقل الطاقة من شكل إلى آخر. تشمل أنواع الطاقة المختلفة الطاقة الكامنة، والطاقة الحركية، والطاقة الميكانيكية، والطاقة الكهربائية، والطاقة الكيميائية. عند تحويل الطاقة من شكل إلى آخر، يحدث دائمًا فقد للطاقة. يُحسب فقد الطاقة في عملية التحويل من خلال كفاءة التحويل، حيث الكفاءة = الطاقة الخارجة / الطاقة الداخلة.

في حالة جهاز الطاقة الكهربائية الذي يعمل بدواسة القدم، تُحوّل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. صحيح أن كفاءة هذا الجهاز أقل من كفاءة الجهاز اليدوي، إلا أنه أكثر ملاءمةً للعديد من المواقف، وليس لمهمة محددة فقط. وتنخفض كفاءة الجهاز أكثر إذا ما تطلّب الأمر تحويل التيار المستمر (DC) الناتج إلى تيار متردد (AC) لتشغيل جهاز كهربائي. وهذا بدوره يزيد من التكلفة الأولية للجهاز، نظراً للحاجة إلى مكونات إضافية كالصمامات الثنائية والمحولات لتحويل التيارات (روسافاج، 4).

أول ما يجب مراعاته عند استخدام الدواسات هو تحديد التصميم الأمثل والأكثر كفاءةً الذي يُناسب المهمة المطلوبة. يجب أن يكون التصميم آمنًا للمستخدم، لذا يجب تثبيته بإحكام على الحامل الثابت، مع تأمين جميع أجزائه. أما عند التعامل مع الأجهزة الكهربائية التي تعمل بالدواسات، فتُثار مخاوف إضافية. يجب ألا يتجاوز الجهد الكهربائي الداخل إلى الجهاز قدرته على التحمل، وإلا فقد يحدث ماس كهربائي يُلحق الضرر بالدواسة أو الجهاز نفسه.

وفقًا لما ذكرته إيفيت غارسيا في بحثها "تشغيل جهاز كمبيوتر محمول في مركز CCAT" (غارسيا 5)، فإن المواد اللازمة لإنشاء جهاز كهربائي يعمل بدواسة تشمل ما يلي:

الدراجة: يجب أن تكون الدراجة ثابتة.

دولاب الموازنة: قرص دوار ثقيل يستخدم لتخزين الزخم.

البطارية : من المهم مطابقة جهد الجهاز الذي تحاول تشغيله.

الصمام الثنائي: يسمح بنقل الطاقة من المولد إلى البطارية

المصهرات: ضرورية لحماية الأسلاك في حالة حدوث ماس كهربائي في النظام.

المولد : يقوم المولد بتحويل الطاقة البشرية إلى طاقة كهربائية.

العاكس: يحول التيار المستمر إلى تيار متردد لتشغيل الأجهزة المنزلية الشائعة.

الفولتميتر والأميتر : يعطيان حالة شحن البطارية من خلال إعطائك قراءات الفولت والأمبير المنتجة.

ميزانية مولد كهربائي يعمل بدواسة، تم تصميمها باستخدام موقع www.scienceshareware.com

• لا يوجد بطارية في التصميم، والدراجة ليست ضمن الميزانية.

• مكولاج، جيمس سي. (1977) قوة الدواسة: في العمل والترفيه والنقل.. روديل برس، إيماوس، بنسلفانيا.
• كونغدون، آر جيه (1977) مقدمة في التكنولوجيا المناسبة؛ نحو أسلوب حياة أبسط. دار روديل للنشر، إيماوس، بنسلفانيا.
• موقع CCAT الإلكتروني؛ روسافاج، جوزيف؛ قوة الدواسة: كيف تصنعها بنفسك؛ http://web.archive.org/web/20100706221425/http://www.humboldt.edu:80/~ccat/pedalpower/josephSP2004/index.html
• موقع CCAT الإلكتروني؛ غارسيا، إيفيت؛ تشغيل جهاز كمبيوتر محمول في CCAT. http://web.archive.org/web/20091126101240/http://www.humboldt.edu:80/~ccat/pedalpower/computer/index.html