في ظل الحاجة المتزايدة إلى مصادر طاقة مستدامة وصديقة للبيئة، بدأت تظهر حلول مبتكرة تستفيد من الطاقة التي نولدها يوميا دون أن نشعر، مثل الطاقة الناتجة عن خطوات المشي أو اهتزاز الرضيات. من هنا جاءت فكرة “أرضيات توليد الطاقة”، والتي تعتمد على تقنيات قادرة على تحويل الطاقة الحركية أو الإهتزازات الناتجة عن حركة المشاة إلى طاقة كهربائية.
يهدف هذا المقال إلى استعراض الجوانب العلمية والتطبيقية لهذه التكنولوجيا، مع التركيز على دورها في دعم الإستدامة، واستعراض أبرز أمثلتها، مزاياها، تحدياتها، وآفاقها المستقبلية، خصوصاً في الدول النامية.
كيف تحوّل الأرضيات خطواتنا إلى طاقة كهربائية؟
لفهم كيفية عمل أرضيات توليد الطاقة، ينبغي أولًا التعرّف على المبادئ العلمية التي تستند إليها هذه التقنية:
- التأثير الكهروضغطي (Piezoelectric Effect):
مصطلح “الكهروضغطي” مشتق من الكلمة اليونانية “piezin”والتي تعني “الضغط”، و”الكهرباء” التي تعود إلى أصلها من كلمة “إلكترون” أي الكهرمان، الذي كان يُستخدم قديماً لتوليد الكهرباء الساكنة. يحدث التأثير الكهروضغطي عندما تنتج بعض المواد الصلبة، مثل البلورات (كالكوارتز) والسيراميك، شحنة كهربائية نتيجة تطبيق ضغط أو إجهاد ميكانيكي عليها (كالضغط، السحب أو الالتواء). وعند تطبيق مجال كهربائي على هذه المواد، تتعرض لتغيرات طفيفة في شكلها، وهو ما يُعرف بـ”التأثير الكهروضغطي العكسي”.تستخدم هذه الظاهرة في العديد من التطبيقات الدقيقة مثل أجهزة الموجات فوق الصوتية، وأصبحت أساساً مهماً لتقنيات أرضيات توليد الطاقة.
- الأنظمة الكهروميكانيكية / الكهرومغناطيسية (Electro-mechanical Systems)
بخلف التأثير الكهروضغطي، تعتمد النظمة الكهروميكانيكية على مكوونات ميكانيكية داخلية تتحرك عند التعرض للضغط، مثل ضغط القدم على البلطة. هذه الحركة تولد كهرباء عبر الحث الكهرومغناطيسي.
هذا هو المبدأ الذي تعتمد عليه أنظمة مثل شركة ”Pavegen“ حيث ييمكن لكل خطوة أن تنتج طاقة قابلة للتخزين أو الاستخدام المباشر مما يفتح آفاقًا واسعة للاستفادة من الحركة اليومية.
نماذج تطبيقية حقيقية لتقنيات حصاد خطوات الإنسان:
لتوضيح المكانيات العملية لهذه التقنية، نعرض أبرز التطبيقات الواقعية التي حققت نتائج ملحوظة:
- جسر Ponte 25 De Abril – البرتغال: تم استخدام بلطات Waynergy للتقاط طاقة حركة المركبات.
- نادي Club Watt – هولندا: طُبقت أرضيات رقص قادرة على توليد الكهرباء من حركات الراقصين.
- مركز Mercury Mall – لندن: اعتمد على بلاطات Pavegen لتوليد الطاقة وتشغيل رسائل إعلانية تفاعلية.
- محطة مترو شبرا الخيمة – مصر: دراسة جدوى أظهرت إمكانية توليد 3990 كيلوواط من القدرة الكهربائية يومياً باستخدام 7 بلاطات فقط.
الفوائد البيئية والاقتصادية المستخلصة من التجارب العملية:
تشير التجارب الميدانية إلى مجموعة من الفوائد الهامة التي تقدمها هذه التقنية، ومنها:
- توفير الطاقة:
أسهمت البلاطات في تقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 30% في بعض المشاريع مثل نادي Club Watt، ووفّرت حوالي 65% من استهلاك الإنارة في جسر Ponte 25 De Abril. - دعم الاستدامة البيئية: ساعدت في تقليل الانبعاثات الكربونية، واستهلاك المياه، والنفايات، مما يجعلها خياراً صديقاً للبيئة في المناطق
الحضرية. - استغلال الحركة اليومية: أثبتت فعاليتها العالية في المواقع ذات الكثافة الحركية كالمطارات ومحطات المترو، حيث يتم تحويل الحركة
الطبيعية إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. - تحقيق عوائد اقتصادية على المدى الطويل: رغم ارتفاع تكاليف التركيب الأولية، أظهرت بعض المشاريع قدرة على تحقيق عوائد استثمار خلال أقل من خمس سنوات.
- توليد بيانات ذكية: توفر بعض الأنظمة الحديثة مثل Pavegen بيانات لحظية عن حركة الأفراد، مما يساهم في تحسين تخطيط المدن
الذكية. - تعدد الاستخدامات: تمتد تطبيقات التقنية لتشمل إنارة الطرق، أنظمة الإنذار، الإعلانات التفاعلية، وحتى أنظمة المراقبة الذكية.
التحديات والقيود أمام التوسع في تطبيق البلاطات حصاد الحركة:
ورغم النجاحات اللافتة، لا تخلو هذه التقنية من تحديات حقيقية يجب التعامل معها بجدية لضمان نجاح التطبيقات
المستقبلية:
- انخفاض كمية الطاقة الناتجة لكل خطوة:
خطوة واحدة لشخص وزنه 60 كغ تولد حوالي 0.1 واط فقط، مما يجعل إنتاج الطاقة محدوداً للغاية ما لم تكن الكثافة الحركية مرتفعة. - تحديد المواقع المثالية:
يتطلب اختيار مواقع التركيب دراسة دقيقة لتدفق المشاة لتحديد النقاط ذات الكثافة الأعلى، مما قد يشكل تحديًا
لوجستيًا في المنشآت الكبرى. - ارتفاع التكاليف الأولية:
رغم أن بعض أنواع البلاطات مثل Waynergy تعتبر اقتصادية نسبيًا، إلا أن تنفيذ المشروع على نطاق واسع قد
يحتاج إلى استثمارات مبدئية مرتفعة، مما يستدعي دراسات جدوى دقيقة قبل التنفيذ. - اعتبارات الصيانة والمتانة:
الاستخدام الكثيف يتطلب أن تكون البلاطات متينة وذات قدرة تحمل عالية لضمان الاستدامة، وهو عامل حاسم
في جدوى الاستثمار. - تعقيدات دمج الطاقة المنتجة:
يحتاج دمج الطاقة المنتجة مع الشبكات التقليدية إلى تجهيزات فنية متقدمة مثل أنظمة إدارة طاقة ذكية وشبكات كهربائية مرنة.
آفاق مستقبلية واعدة في الدول النامية:
رغم التحديات، تُعدّ تكنولوجيا الأرضيات الذكية فرصة مثالية للدول النامية التي تبحث عن حلول مبتكرة لتعزيز قدراتها
الطاقوية.
يمكن لتقنيات البلاطات الكهروضغطية والكهروميكانيكية أن تسهم في توليد الكهرباء من الموارد الحركية المتوفرة في
الشوارع والأسواق ومحطات النقل العام، دون الحاجة إلى شبكات كهرباء معقدة أو مكلفة.
كما أن سهولة تطبيق بعض أنظمتها وصيانتها يجعلها مناسبة جداً للبيئات ذات الإمكانيات المحدودة، مع توفير فرص
للاستثمار المحلي والابتكار في مجالات الطاقة البديلة.
لذلك، فإن هذه التقنية تمثل خياراً عملياً واستراتيجياً لتعزيز الاستدامة وتحسين جودة الحياة في المجتمعات الناشئة.
المراجع:
1- Piezoelectric Tiles Is a Sustainable Approach for Designing Interior Spaces and Creating Self-Sustain Projects:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/397/1/012020
2- A review of walking energy harvesting using piezoelectric materials:
https://scholar.google.com/scholar
3- Waynergy people a new pavement energy harvest system:
https://www.researchgate.net/publication/2576509
4- Investigating the potential of using human movements in energy harvesting by installing piezoelectric tiles in Egyptian public facilities:
https://kuwaitjournals.org/jer/index.php/JER/article/download/9517/2843
5- Application of Pv-Piezohybrid Energy Floorin Egypt:
https://jisse.journals.ekb.eg/article_225628_72d5222892d664d4ea763cb2e694f7b9.pdf
6- ELECTRO-MAGNETIC VS PIEZOELECTRIC:
https://www.pavegen.com/blog/electromagnetic-vs-piezo
7- Development and application of piezoelectric materials for ultrasound generation and detection:
https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/6558629/
8- Piezoelectricity and Its Applications
https://www.intechopen.com/chapters/77225
9- Human-Powered Small-Scale Generation System for a Sustainable Dance Club:
