ترمز های احیا کننده به چه ترمز هایی گفته می شود؟
اگر عادت به رانندگی در ترافیک شهری داشته باشید، حتماً میدانید که چه زمان زیادی را تلف میکند. چیزی که کمتر به چشم میآید، اتلاف انرژی است. به حرکت درآوردن خودرو به انرژی زیادی نیاز دارد و با هر بار ترمز گرفتن، تمام انرژی ایجادشده بهصورت گرما در لنتهای ترمز هدر میرود. سنابرق توان که سایتی جهت اطلاع از قیمت درایو آسانسور و خرید آن می باشد، قصد دارد در این مقاله به شما توضیحاتی درباره ترمز های احیا کننده ارائه می دهد. پس با ما همراه باشید.
بهتر نیست که بتوان این انرژی را به طریقی ذخیره کرد تا دفعهی بعد که شروع به حرکت میکنید آن را مجدداً استفاده کنید؟ این مفهوم اصلی ترمز های احیا کننده (احیایی) است که بهطور گسترده در قطارهای برقی و جدیدترین خودروهای برقی استفاده میشود. آنها چه هستند؟ این رویکردها چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ بیایید نگاه دقیقتری بیندازیم!
مفهوم اصلی ترمز های احیا کننده
هنگام متوقف شدن وسیله نقلیه، انرژی جنبشی را در یک باطری (سیستم مکانیکی مشابه) ذخیره میکند (فلش قرمز)؛ سپس با شروع به حرکت مجدد وسیله نقلیه، نیرو را دوباره به چرخها میفرستد (فلش سبز).
چرا ترمز گرفتن باعث اتلاف انرژی میشود؟
اگر با دوچرخه به سطح شهر میروید، مسلماً با ترمز کردن انرژی بسیاری تلف میکنید. برای تداوم حرکت باید رکاب بزنید و با هر بار ترمز گرفتن و توقف کردن تمام گشتاور بهدستآمده را هدر میدهید. برای حرکت مجدد باید کار را از ابتدا شروع کنید.
با قرار دادن دست درجایی نزدیک لنتها، متوجه میشوید که انرژی دقیقاً در کجا اتلاف میشود. با هر بار ترمز، لنتهای لاستیکی محکم به چرخ میچسبند و اصطکاک بین لاستیک و فلز انرژی جنبشی را به گرما تبدیل میکند که بلااستفاده به شکل گرما در هوا ناپدید میشود و هرگز دوباره دیده نمیشود. (هشدار: هنگام انجام این کار بسیار مراقب باشید چون ممکن است ترمزها بسیار داغ باشند!)
ترمزهای اصطکاکی خودروهای معمولی (نارنجی) و خودروهای مسابقات فرمول ۱ (قرمز) تا حد بسیار زیادی داغ میشوند و انرژی زیادی را به شکل گرما هدر میدهند.
ازآنجاکه رانندگی به تلاش جسمی واقعی نیاز ندارد، معمولاً رانندگان خودرو نسبت به انرژی اتلاف شده از طریق ترمز گرفتن بیاطلاع هستند. علاوه بر این ترمزها دور از چشم و داخل چرخها هستند و انرژی گرمایی که هدر میدهند دیده نمیشود؛ اما گرمای فوقالعادهای تولید میکنند: به گفتهی یکی از تولیدکنندگان، Brembo ، ترمز مورداستفاده در خودروهای مسابقات فرمول ۱ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد داغ میشود!
چگونه میتوان ترمز بهتری ساخت؟
بیایید با نگاه علمی، ترمزی بهتر برای دوچرخه طراحی کنیم. وقتی در حال راندن هستیم، بدن و دوچرخه دارای انرژی جنبشی هستند؛ هنگام ترمز گرفتن برای توقف، تمام انرژی جنبشی ناپدید میشود. برای شروع به حرکت مجدد، به انرژی جنبشی بیشتری نیاز داریم. در یک سیستم ترمز ایدهآل میتوان انرژی جنبشی را بدون دور انداختن (که در ترمز های معمولی انجام میشود)، موقتاً به کناری گذاشت؛ راهی برای ذخیرهی انرژی تا بتوان بعداً دوباره از آن استفاده کرد.
ترمز های احیا کننده با استفاده از یک سطح شیبدار، انرژی جنبشی را بهعنوان انرژی پتانسیل ذخیره میکنند. انرژی حرکتی در تصویر و کل متن، حتما به انرژی جنبشی تغییر کند.
چگونه میتوان به چنین چیزی دستیافت؟
اگر دوچرخهسوار هستید، راه آسان اما غیرعملی این است که یک سطح شیبدار بزرگ پشت خود حمل کنید. هرگاه خواستید توقف کنید، میتوانید سطح شیبدار را روی مسیر جلویتان بیندازید، با دوچرخه از آن بالا بروید و باکمی فاصله از سطح زمین بایستید.
بالا رفتن از سطح شیبدار مثل بالا رفتن از تپه است. انرژی حرکتی شما بهسرعت به انرژی پتانسیل تبدیل میشود، سرعتتان کم میشود و متوقف میشوید. وقتی آمادهی حرکت مجدد شدید، بهراحتی از سمت دیگر سطح شیبدار پایین میآیید و (بیشتر) انرژی اصلی را بازیابی میکنید (مثل وقتیکه با دوچرخه به سمت پایین تپه میرانید، انرژی پتانسیل ذخیرهشده دوباره به انرژی جنبشی تبدیل میشود).
خب، اینکه راه عاقلانهای نیست، پس چهکار دیگری میتوان انجام داد؟ اگر دوچرخهی شما دارای دینام (یک مولد الکتریکی کوچک) برای تأمین برق چراغها است، پس میدانید که وقتی دینام فعال است، رکاب زدن سختتر میشود. دلیل آن این است که دینام قسمتی از انرژی رکاب زدن شما را میگیرد و به انرژی الکتریکی برای چراغها تبدیل میکند.
اگر با سرعت در حال راندن باشید و ناگهان رکاب زدن را متوقف کنید و دینام را روشن کنید، زودتر از زمان عادی متوقف خواهید شد و این به همان دلیل است که دینام انرژی حرکتی شمارا میگیرد. حالا دوچرخهای را تصور کنید که یک دینام ۱۰۰ برابر قویتر دارد. ازنظر علمی، تبدیل انرژی جنبشی به انرژی پتانسیلی که میتوان آن را برای استفادهی بعدی در باطری ذخیره کرد، میتواند دوچرخه را نسبتاً سریع متوقف کند؛ و این ایدهی اصلی ترمز های احیا کننده است!
ترمز های احیا کننده چگونه هستند؟
قطارهای برقی، خودرو و سایر وسایل نقلیه برقی با موتور الکتریکی متصل به باتری کار میکنند. وقتی در حال رانندگی هستید، انرژی از باتریها به سمت موتور جریان مییابد، چرخها را میچرخاند و انرژی جنبشی لازم برای حرکت را فراهم میکند.
وقتی ترمز میگیرید و متوقف میشوید، کل فرآیند برعکس میشود. مدارهای الکتریکی برق موتورها را قطع میکنند. حالا انرژی جنبشی شما و نیروی گشتاور باعث چرخش موتور بهوسیلهی چرخها میشود و بنابراین موتور برعکس عمل کرده و بهجای مصرف برق، مانند یک مولد برق تولید میکند. برق از این مولدهای برق به سمت باتریها جریان مییابد و آنها را شارژ میکند.
بنابراین انرژی نسبتاً زیادی که در اثر ترمز کردن از دست میرود به باتریها برمیگردد و هنگام شروع به حرکت مجدد، بازیابی میشود. ترمز های احیا کننده عملاً زمان زیادی برای کاهش سرعت نیاز دارند، بنابراین اکثر وسایل نقلیهای که از آنها استفاده میکنند، در کنار آنها ترمز معمولی (اصطکاکی) هم دارند (که در زمان خراب شدن ترمز های احیا کننده نیز ایدهی خوبی است). یکی از دلایل عدم ذخیرهی ۱۰۰ درصدی انرژی ترمز توسط ترمز های احیا کننده همین موضوع است.
ترمز های احیا کننده بهطور خلاصه در تصویر بالا: هنگام رانندگی با یک وسیلهی برقی، انرژی از طریق موتور الکتریکی از باطری به چرخها جریان مییابد. در تصویر پایین: با ترمز کردن، انرژی چرخها از طریق موتور به سمت باطری جریان مییابد که بهعنوان یک مولد برق عمل میکند. دفعهی بعد با روشن کردن برق میتوان دوباره از انرژی ذخیرهشده در هنگام ترمز گرفتن استفاده کرد.
وسایل نقلیه چگونه از ترمز های احیا کننده استفاده میکنند؟
کامیونهای حمل کالایی که توقف و حرکت زیادی دارند نیز علیرغم وزن و سرعت کمتر، توانایی ذخیره انرژی زیادی دارند. توانایی ذخیره انرژی در خودروها بین ۸ تا ۱۵ درصد متفاوت است (به خودرو و نیز رانندگی در ترافیک شهری یا بزرگراه خلوت بستگی دارد). دوچرخههای برقی سبک هستند و با سرعت نسبتاً کمی حرکت میکنند؛ پس ترمز های احیا کننده کارایی کمی در آنها دارند. وسایل نقلیهی گوناگون به روشهای مختلف از ترمز های احیا کننده استفاده میکنند.
در ترمز های احیا کننده تا چه میزان انرژی ذخیره میکنند؟ این بهوسیلهی نقلیه بستگی دارد. وسایل نقلیهی بزرگ و سنگین که سرعت حرکت زیادی دارند (مثل قطارهای برقی)، انرژی جنبشی بسیار زیادی تولید میکنند؛ پس بیشترین میزان ذخیره انرژی را دارند.
خودروهای برقی و کامیونها
بخش عمدهای از باتری خودروهای برقی و هیبریدی توسط ترمز های احیا کننده شارژ میشود که برد خودرو را در فاصله میان شارژها بهطور مؤثر افزایش میدهد. قطارهای برقی که نیروی آنها از طریق خطوط انتقال برق هوایی یا کنار مسیر تأمین میشود، کمی متفاوت عمل میکنند.
آنها بهجای اینکه انرژی حاصل از ترمز را به باتریها بفرستند، آن را به خطوط انتقال برق بازمیگردانند. یک قطار مدرن میتواند از طریق استفاده از ترمز های احیا کننده با این روش، ۱۵ تا ۲۰ درصد از انرژياش را ذخیره کند. برخی وسایل نقلیه بهجای استفاده از باتری، برای ذخیره نیرو از ابرخازنها استفاده میکنند.
دوچرخههای برقی
اکثر دوچرخههای برقی ترمز احیا کننده ندارند و بهرهی کمی از آن میبرند. چرا؟ دوچرخه وسیلهی نقلیهای سبک و کمسرعت است، بنابراین در مقایسه با خودرو یا قطار (یک وسیله نقلیهي سریع و یک وسیلهی سنگین) انرژی حرکتی بسیار کمتری هدر میدهد. نهتنها این، بلکه دوچرخهسوارِان خیلی سریع میآموزند که چگونه توقف و حرکت هوشمندی داشته باشند.
اکثر دوچرخهسواران بهجای فشار زیاد روی ترمز، با سرخوردن یا حرکت بدون رکاب درجاهایی که ممکن است، انرژی را بهطور واقعاً مؤثر استفاده میکنند. درصورتیکه با سرعت زیاد دوچرخهسواری میکنید و توقف و حرکت زیادی دارید (مثلاً اگر کارگر تحویل کالا هستید)، حداقل ذخیره انرژی توسط ترمز های احیا کننده در دوچرخه برقی را خواهید داشت.
بهطورکلی دوچرخههای برقی ترمز های احیا کننده ندارند؛ تا وقتی توقف و شروع زیادی انجام نشود، نمیتوان انرژی کافی برای بهصرفه بودن آنها ذخیره کرد.
درواقع، ترمز های احیا کننده انرژی بیشتری نسبت به انرژی ذخیرهشده توسط خودشان، مصرف میکنند؛ مانند سایر موتورها و مولدهای برق، موتور الکتریکی وسایل نقلیهای که از سیستمهای ترمز احیا کننده استفاده میکنند (معمولاً موتورهای توپی دوچرخههای برقی) باید برای عملکرد مؤثر دائماً درگیر باشند و کار کنند.
این برای یک خودروی برقی خوب است اما دوچرخه برقی تنها گاهی اوقات به موتور نیاز دارد و گاهی میتوان با خوشحالی در سرازیری افتاد. درگیر بودن دائم موتور به این معناست که دوچرخه باید انرژی بیشتری مصرف کند؛ پس ترمز های احیا کننده درنهایت نسبت به آنچه ذخیره کردهاند انرژی بیشتری، مصرف میکنند! بیشتر اوقات ترمز های احیا کننده صرفاً بهعنوان یک حقهی بازاریابی به دوچرخههای برقی اضافه میشود.
آسانسورها
شاید ازنظر شما آسانسور وسیلهی نقلیه نباشد، ولی قطعاً هست! اوتیس ، سازندهی پیشرو، اولین آسانسور احیاکننده بانام ReGen را در سال ۲۰11 معرفی کرد و ادعا کرد که تا ۷۵ درصد از انرژی مصرفی معمول را ذخیره میکند. درجایی که یک آسانسور معمولی انرژی ترمز را به شکل گرما هدر میدهد، ReGen آن را دوباره به سیستم برق ساختمان بازمیگرداند.
اگر در حوزه آسانسور و لوازم جانبی آن مطالبی خوانده باشید، احتمالا اسم درایو تک فاز یا سه فاز به گوشتان خورده است؛ اگر شما نیز قصد دارید که درباره این قطعه و مزایای آن بیشتر بدانید، پیشنهاد ما به شما خواندن مطلب جامعی در این باره می باشد. شما می توانید جهت خواندن این مقاله روی کلمه درایو الکتریکی کلیک کنید.
انواع دیگر ترمز های ذخیره کننده انرژی
در این قسمت از مقاله به شما بقیه ترمز های ذخیره کننده انرژی را معرفی خواهیم کرد:
Flywheels
ممکن است ترمز های احیا کننده بسیار پیشرفته به نظر برسند، اما ایدهی «مخازن ذخیره انرژی» در ماشینها، بسیار قدیمی است. موتورهایی که از ابزارهای ذخیره کننده انرژی استفاده میکردهاند از همان ابتدای اختراعشان flywheel نامیده شدهاند.
flywheel فلزی و سنگین وصل شده به موتور به آن کمک میکند که با سرعت ثابت بچرخد. توجه داشته باشید که بیشتر جرم فلزی flywheel در اطراف لبههای آن متمرکزشده است. این امر باعث ایجاد چیزی بنام گشتاور لختی بالا در آن میشود: باعث میشود که چرخاندن سریع یا کاهش سرعت آن به انرژی زیادی نیاز داشته باشد. این ماشینی نمایشگاهی در سالن موتور موزهی علوم تینک تانک بیرمنگام انگلیس است.
درواقع، قسمت چرخان موتور دارای چرخی با لبهی فلزی بسیار سنگین است که دستگاه یا هر وسیلهای که به موتور متصل است را هدایت میکند. چرخاندن موتور flywheel زمان زیادی میبرد؛ اما با افزایش سرعت، flywheel انرژی جنبشی بسیار عظیمی ذخیره میکند.
flywheel سنگین در حال چرخش تقریباً مانند کامیونی است که با سرعت در حال حرکت است. گشتاور بسیار زیادی دارد، پس متوقف کردنش کار سختی است و تغییر سرعت آن تلاش بسیاری میخواهد.
این ممکن است به نظر یک نقطهضعف باشد اما درواقع بسیار مفید است. اگر موتور (شاید موتور بخاری که با سیلندر کار میکند) نیرو را بهصورت نامنظم تأمین کند، flywheel آن را جبران میکند؛ نیروی اضافی را جذب و سکونهای موقتی را تنظیم میکند، بنابراین ماشین و تجهیزات متصل به آن روانتر حرکت میکنند.
بهراحتی میتوان فهمید که چگونه میتوان از flywheel بهعنوان ترمز احیا کننده استفاده کرد. در وسایلی مانند اتوبوس یا کامیون، میتوان یک flywheel سنگین اضافه کرد تا در زمانهای گوناگون توسط گیربکس استفاده شود یا از آن جدا شود. میتوان برای هر بار ترمز گرفتن از flywheel استفاده کرد تا انرژی جنبشی را جذب کند و باعث توقف شما شود.
دفعهی بعد که شروع به حرکت میکنید، قبل از اینکه در هنگام رانندگی عادی flywheel را از سیستم خارج کنید، از آن برای بازیابی انرژی و حرکت مجدد استفاده میکنید. بزرگترین نقطهضعف استفاده از flywheel در وسایل نقلیهی در حال حرکت، وزن سنگین آن است. آنها با ذخیرهی انرژی، از هدر رفتن نیرو در اثر ترمز کردن جلوگیری میکنند، اما درعینحال باعث مصرف انرژی میشوند، چراکه باید دائماً آنها را حمل کنید.
دیفرانسیلهای پیشرفته که از flywheel های فناوری بالا بهعنوان سیستم احیاکننده استفاده میکنند، امروزه در وسایلی مانند خودروهای فرمول-۱ بهکاربرده میشوند و سیستمهای احیای انرژی جنبشی (KERS) دارند.
عکس: ناسا یک flywheel آهنربایی برای کاربردهای فضایی ساخته است. یکبار دیگر توجه کنید که چگونه حداکثر جرم در لبهها متمرکزشده است تا گشتاور لختی بالایی ایجاد کند. عکس با مجوز مرکز تحقیقات گلن ناسا (NASA-GRC).
مایعات هیدرولیک و گازهای فشرده
انواع دیگر سیستمهای احیاکننده از طریق فشردهسازی گاز با هر بار ترمز وسیلهی نقلیه، انرژی را ذخیره میکنند. شبیه فنر گاز موجود در صندلیهای اداری که هنگام نشستن روی آن، انرژی را ذخیره میکند.
با منبسط شدن گاز انرژی دوباره آزاد میشود و میتوان دوباره از آن استفاده کرد (تقریباً به همان روشی که وقتی وزنتان را از روی صندلی اداری برمیدارید و اهرم بالابر را میکشید، انرژی آزاد میشود). سیستمهای دیگر (از قبیل سیستم تولید نیروی هیدرولیک شرکت فورد یا HPA) انرژی حاصل از ترمز گرفتن را بهوسیلهی پمپاژ مایع هیدرولیک به یک مخزن ذخیره میکند.
چه کسی ترمز های احیا کننده را ابداع کرد؟
احتمالاً استفاده ترمز های احیا کننده برای خودروهای برقی و قطارها، فوقالعاده پیشرفته به نظر بیاید، اما کمی تحقیق خلاف این را ثابت میکند. در سال 1902 و باهدف صرفهجویی ۴۰ درصدی در مصرف برق، امتیاز سیستم احیا کننده به مارتین کوبیرشکی از برلین آلمان اعطا شد.
ممکن از نسخههای قدیمیتری نیز موجود باشد اما زیاد نیستند. به نظر میرسد که فناوری احیا از اوایل قرن بیستم آغازشده است. گفته میشود که اولین ترمز احیا کنندهی خودرو توسط مردی فرانسوی بنام م.ا داراک ساخته شد و در سال 1897 در نمایشگاه دو سایکل پاریس موردتوجه قرار گرفت.
درست مانند یک سیستم احیا کننده مدرن، انرژی ترمز را به باتری میرساند تا بازه ی رانندگی خودرو را افزایش دهد (که فقط 48 کیلومتر یا 30 مایل بود)، اما ادعا میکرد که 30 درصد صرفهجویی در انرژی دارد که بسیار شگفتآور است (حدود سه برابر معادلهای امروزی).
ترمز های احیا کننده چه فایدهای دارد؟
صرفنظر از نحوهی عملکرد، سیستم همهی ترمز های احیا کننده یکچیز مشترک دارد: به ما کمک میکنند تا هوشمندانهتر از انرژی استفاده کنیم. در جهانی که سوخت روزبهروز گرانتر میشود و نگرانی پیرامون محیطزیست روزبهروز افزایش مییابد، پس قطعاً این چیز خوبی است!
مقاله پیشنهادی: اینورتر صنعتی ایرانی چیست؟
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.