ما هو حصاد الطاقة؟

مفهوم حصاد الطاقة:

كانت الطاقة وستظل دائماً جزءاً لا يتجزأ من كل ما نقوم به، سواء كان ذلك الغاز والكهرباء أو الطاقة اللازمة لأداء المهام اليومية، فعندما نقوم بأي من هذه الأنشطة أو نستخدم الغاز والكهرباء في منازلنا فإننا نحتاج إلى مصدر للطاقة يتيح لنا القيام بذلك، وفي كلٍ من تكوين وإخراج هذه الطاقة هناك كمية هائلة تُفقد في هذه العملية، ومعظمها يضيع تمامًا.
ومن الأمثلة البارزة على ذلك هو عندما يتم توليد الكهرباء في محطة طاقة، حيث يتم فقدان ما يقرب من ثلثي مخازن الطاقة المحتملة من المصدر بشكل أساسي كحرارة يتم إطلاقها عادةً في البيئة، ولسوء الحظ مع استمرار توسع سكان الأرض والطلب على الطاقة بسرعة فإن هذا المستوى من الكفاءة ببساطة غير كافٍ، وعلى هذا النحو يركز العديد من الباحثين والمتحمسين للطاقة المتجددة جهودهم على مفهوم يسمى “حصاد الطاقة”، وهذا يعني في الأساس أن أي طاقة يمكن أن تُفقد عادةً في عملية الإنشاء أو الإخراج (أي من خلال الحرارة والضوء والاهتزاز والحركة) سيتم حصادها واستخدامها لإنشاء تقنيات ذاتية الاستدامة وزيادة معدلات الكفاءة.

كيف يعمل حصاد الطاقة؟

في الوقت الحاضر لا يزال التحدث عن حصاد الطاقة أو جمع الطاقة كما يسميه البعض مبكراً في تطوره، حيث إن  أمامها طريق طويل لتقطعه قبل أن تصل إلى كامل إمكاناتها، ومع ذلك حتى الآن هناك بعض التقنيات الرائعة التي تم اختراعها، كما أن الهدف الأساسي لمطوري حصاد الطاقة هو إنشاء أنظمة يمكن أن تكون في نهاية المطاف مكتفية ذاتياً أو تحسن كفاءة الأنظمة غير المستدامة، ويتم ذلك عن طريق استخدام الطاقة المفقودة في وظائفهم الخاصة لتشغيل أنفسهم بطريقة دائرية، وهناك عدة طرق يتم من خلالها القيام بذلك، وهي مشتق أساسي من كيفية إنشاء هدر الشحنة الكهربائية، وهم كما يلي:

الحصاد الكهروضغطي:

إن الحصاد الكهروضغطي هو حصاد المواد التي تنتج فيها الكهرباء عن طريق الضغط، وفي طريقة الحصاد هذه فإن المصادر هي تلك المواد التي تتلقى ضغطًا من أشياء مثل الحركة البشرية أو الاهتزازات منخفضة التردد أو ربما الضوضاء الصوتية، وباستخدام الحصاد الكهروضغطية يمكننا صنع أشياء مثل:

• أجهزة تحكم عن بعد بدون بطارية: يستخدم هذا الجهاز القوة البشرية المستخدمة للضغط على أزراره لتوليد شحنة كهربائية كافية لتشغيل نفسه، ونظراً لأنه يستخدم الطاقة المنبعثة من خلال وظائفه الخاصة فإنه يتمتع بالاكتفاء الذاتي تمامًا، وخير مثال على ذلك هو جهاز التحكم عن بعد الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء والذي طورته شركة (Averni) في فرنسا، حيث يتميز هذا الطراز بزر مركزي كبير يتم الضغط عليه مرة واحدة لأسفل ليخلق القدرة على إرسال ما يصل إلى 9 إشارات إلى التلفزيون.
  
• بلاط الأرضيات الكهروضغطي: عندما يتم تطبيق الضغط في هذه الحالة على خطى على بعض المواد فإن الذرات التي يتكون منها هيكلها تتعطل وينتج جهد كهربائي صغير، ومن خلال الحصاد الكهروإجهادي أصبح من الممكن الآن جمع هذه الإمكانات الكهربائية واستخدامها بشكل جيد، فعلى سبيل المثال تم استخدام هذا النوع من بلاط الأرضيات الحركي في ماراثون في باريس عام 2013، حيث نتج عن استخدامها توليد 4.7 كيلو واط في الساعة من الكهرباء، وهو ما يكفي لتشغيل جهاز كمبيوتر محمول لمدة 48 ساعة.
  

الحصاد الكهروحراري:

إن الحصاد الكهروحراري هو حصاد الكهرباء من خلال المواد التي تولد الجهد عن طريق مقاومة درجة الحرارة، حيث إنه بين جسمين متباينين ​​محددين يمكن إنشاء جهد كهربائي من خلال مقاومة درجة الحرارة، والتي يتم حصادها من خلال هذه الطريقة، كما يجب أن تظل المادتان عند درجة حرارة ثابتة نسبيًا، حيث يعتمد المعترض على ذلك من أجل الحصول على جهد ثابت، وباستخدام هذه الطريقة يمكننا تطوير تقنيات مثل:

• شاحن هاتف يعمل بالحرارة: على سبيل المثال تم تطوير الشاحن الكهروحراري (ONE Puck) من قبل شركة (Epiphany Labs)، وقد استفاد بشكل كامل من الحصاد الكهروحراري لإنشاء نظام مستدام ذاتياً باستخدام العناصر اليومية كمصدر له، حيث يعمل هذا الجهاز عن طريق وضع عنصر ساخن أو بارد، وهنا يبدأ الجهد الكهربائي، وبالتالي يسمح لنا بشحن الهواتف.
  
• مولد كهربائي حراري للسيارات والشاحنات: بشكل عام تفقد السيارات والشاحنات قدرًا كبيرًا من الحرارة أثناء تشغيلها العام، مما يخلق فرصة للحصاد الكهروحراري، حيث يمكن تركيب هذه المولدات في معظم السيارات والشاحنات لإعادة استخدام بعض الحرارة المنبعثة من مركباتهم، وهذا يضع ضغطاً أقل على المحرك، وبالتالي يزيد من مستويات الكفاءة، كما أظهرت الدراسات أيضاً أن السيارات والشاحنات التي يتم تركيبها بهذا النوع من المولدات قللت من استهلاك الوقود بنسبة 5٪ تقريبًا.
  

ماذا عن فقدان الطاقة على نطاق واسع؟

لا تزال تقنيات حصاد الطاقة المذكورة أعلاه تُستخدم على مستوى منخفض جدًا، فماذا عن الكميات الهائلة من الطاقة التي تُفقد كل يوم من خلال توليد الطاقة وإنتاجها على نطاق واسع؟ حسنًا على الرغم من أنه من المتوقع أن نفقد غالبية هدرنا للطاقة في البيئة فإن الهدف من حصاد الطاقة والمخططات المتجددة الأخرى هو تقليل هذه الكمية، حيث يوجد طريقتان يتم بها تنفيذ ذلك على نطاق واسع وهما توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وقد لا يتناسب هذا عادةً مع فئة حصاد الطاقة لكنه يعمل على نفس المبدأ.

طاقة الرياح:

تعد توربينات الرياح إلى حد ما تقنية كبيرة لتجميع الطاقة، حيث تستخدم الطاقة من هبوب الرياح لتشغيل التوربينات وتوليد كميات كبيرة من الكهرباء، كما يأتي الاختلاف في حقيقة أن الرياح من الناحية الفنية ليست هدرًا لأنها ليست نتيجة لعمليةٍ بدأها الإنسان، ومع ذلك فإن الطاقة الكامنة هي التي لا يتم استخدامها، كما أصبحت طاقة الرياح ايضاً وخاصة في المملكة المتحدة على سبيل المثال جزءاً كبيراً من مزيج الطاقة.
كما يتم استخدام طاقة الرياح أيضاً على نطاق أصغر لإنشاء أنظمة ذاتية الاستدامة للحياة اليومية، حيث تم بالفعل تطوير تقنيات مثل مواقد التخييم التي تعمل بالرياح وشواحن الهاتف، ولكن يتم اتخاذ خطوات صغيرة نحو دمج الأنظمة المتجددة في حياتنا اليومية.

الطاقة الشمسية:

بشكل عام تتلقى الأرض في أي لحظة ما يقرب من حوالي 173 تريليون كيلوواط من الطاقة من الشمس، وهو ما يزيد 10000 مرة عن استخدامات سكان العالم بأسره، وفي الوقت الحالي يتم استخدام مقدار ضئيل للغاية من هذه الإمكانات، ومع ذلك مع تقدم التكنولوجيا يتم إنفاق المزيد من الوقت والمال على تحسين هذا المبلغ، حيث تعتبر تكلفة المعدات المطلوبة واحدة من القضايا الرئيسية في تكنولوجيا الطاقة الشمسية، وليس هذا فقط بل ايضاً العوائد المتعلقة بهذه التكلفة.
في الوقت الحاضر فإن الألواح الشمسية ليست فعالة للغاية فيما يتعلق بالمال المطلوب لشراء الأنظمة، ومع ذلك فإن هذا يتحسن تدريجياً، فبمجرد أن تُستثمر في المعدات فتصبح الشمس مورد الكهرباء الخاص بنا، كما تمثل الطاقة الشمسية حاليًا حوالي 1.2٪ فقط من إجمالي الكهرباء المستخدمة في بعض دول العالم، ومع ذلك فإن الإمكانات هائلة للتنمية المستقبلية.