چقدر انرژی در یک پشته از بشکه های سیمانی می توان ذخیره کرد؟

بله درست است. انرژی ذخیره شده در یک پشته سیمانی. می توانید آن را به عنوان یک باتری گرانشی در نظر بگیرید. ایده ی این کار چیزی مانند تولید برق از سیمان است. دقیقا شبیه به یک باتری.

خب حتما می‌پرسید چگونه در بشکه‌های سیمان انرژی ذخیره کرد و بعدا از آن استفاده کرد؟ دو ویژگی فیزیکی ساده وجود دارد که در انجام این کار به ما کمک می‌کنند؛ پتانسیل جاذبه و قوانین موتور‌های الکتریکی.

پتانسیل جاذبه

اگر شما یک کتاب را از کف اتاق بر روی میز بگذارید، حدود 10 ژول انرژی مصرف کرده اید. (ژول را برابر این مقدار در نظر بگیرید: 1j = 1kg*2m^2/s^2). در واقع طی فرایند ساده بلند کردن کتاب، شما یک جسم را بر خلاف نیروی جاذبه از نقطه A به نقطه B انتقال داده اید و در مقدار انرژی پتانسیل آن تغییر ایجاد کرده اید. بر اساس قانون کار، کار انجام شده روی یک سیستم (مجموعه ای از اجسام پیوسته) وابسته به میزان تغییرات در انرژی آن است که از طریق محاسبه میزان جابه جایی ، نیروی شتاب وارده به آن و زاویه حرکت محاسبه می‌شود. 

تغییر در انرژی که صحبت از آن شد همان مفهوم تغییرات انرژی پتانسیل گرانشی را در خود دارد. و از آنجایی که در فرمول پتانسیل گرانشی (W=mgh) مقدار g یا همان گرانش ثابت است، برای ایجاد تغییرات در سطح انرژی یک سیستم، باید ارتفاع یا جرم آن تغییر کند. 

یعنی هرچه مثلا کتاب های سنگین تری را جابه جا کنید، میزان تغییرات در انرژی پتانسیل آن ها بیشتر خواهد بود.

موتور‌های الکتریکی

ما می‌دانیم که انتقال یک جسم به ارتفاع، می‌تواند انرژی دخیره کند. اما چگونه این انرژی را به چیزی قابل استفاده تبدیل کنیم؟ پاسخ همان چیزی است که قرار است جسم ما را به ارتفاع انتقال دهد؛ یعنی یک موتور الکتریکی. شما می‌توانید با استفاده از موتور الکتریکی انرژی حاصل از انتقال جسم به ارتفاع را به الکتریسیته تبدیل کنید. موتور الکتریکی آنقدر ها هم پیچیده نیست. منظور از موتور الکتریکی پیچه، آهنربا و سیم است.

همین که جریان الکتریکی را در سیم به گردش درآوردید، در نتیجه گردش جریان به دور پیچه، یک میدان مغناطیسی حاصل خواهد شد. جریان القایی حاصل از این میدان مغناطیسی در برهم کنش با سایر میدان های مغناطیسی هسته های دیگر آهنربایی، یک موتور چرخشی ایجاد میکند که در اینجا ما از آن استفاده خواهیم کرد.

حال اگر عملکرد موتور الکتریکی را برعکس کنیم، از عمل چرخشی موتور می‌توانیم به جریان الکتریکی برسیم و با استفاده آن در یک مدار، از جریان الکتریسیته آن استفاده کنیم. مثلا با قرار دادن یک لامپ در مدار، میتوان آن را روشن کرد.

حال چگونه به کمک موتور الکتریکی و پتانسیل جاذبه از بشکه‌های سیمان برق تولید کنیم؟

 به تیتر خودمان برگردیم. در یک بشکه سیمانی چقدر میتوان انرژی ذخیره کرد؟ بگذارید اول محاسبات مورد نیازش را انجام دهیم.

یک بشکه سیمانی، 55 گالن است. و حجم سیمان درون آن در حدود 0.208متر مکعب است و ارتفاع بشکه هم 0.889 متر است. یعنی چیزی در حدود 89سانتیمتر. چگالی سیمان هم بر مبنای محاسبات مهندسی 3150کیلوگرم بر متر مکعب در نظر میگیرند. با استفاده از این اعداد میتوان گفت بشکه سیمانی در حدود 655.2 کلیوگرم وزن دارد. در آزمایش، پشته بشکه ها را تا ارتفاع 15متری سطح زمین ادامه خواهیم داد، تا محاسبات بر اساس آن انجام گیرد.

بشکه اول که بر روی سطح زمین قرار دارد انرژی پتانسیلی در خود ذخیره نمیکند، اما از ارتفاع بشکه میتوان برای ذخیره انرژی پتانسیل در بشکه دوم استفاده کرد. حال اگر دو بشکه با ارتفاع 0.889 متری داشته باشیم، با استفاده از اعدادی که گفتیم، میتوان محاسبه کرد که به ازای این 2 بشکه، 5708 ژول انرژی ذخیره پتانسیل داریم که عدد کوچکی است. برای درک بهتر “کوچک” این را در نظر بگیرید که باتری گوشی شما میتواند تا 20000ژول انرژی در خودش ذخیره کند. اما اگر هر بار یک بشکه به بشکه ها اضافه کنیم، از آنجایی که ارتفاع به نسبت بشکه اول 2برابر میشود، انرژی پتانسیل ذخیره شده هم دو برابر بیشتر خواهد بود. 

اگر روی هم گذاشتن بشکه ها را تا ارتفاع 15متری ادامه دهیم، میزان انرژی ذخیره شده با شیب رشد جالبی افزایش پیدا میکند که در نمودار زیر میتوانید آن را ببینید.

با استفاده از نمودار، اگر بازده را 100 در نظر بگیریم که اینطور نیست، میتوان گفت 50 بشکه سیمانی که روی هم قرار گرفته اند، 2میلیون ژول انرژی پتانسیل ذخیره شده در خود دارند. با توجه به ظرفیت 50میلیون ژولی که Tesla Powerwall تولید میکند، برای استفاده در مصارف سطح بالا عدد زیادی نیست. اما با توجه به ساختار آن که مشابه سیستم تولید برق در سدهای آبی (سقوط آب از ارتفاع و استفاده از انرژی آزاد شده برای چرخاندن توربین ها) است و  فقط از روی هم قرار گرفتن چند بشکه ایجاد میشود و برای آزاد کردن انرژی پتانسیل آن در مدار  که به یک جرثقیل نیاز است، میتوان گفت ایده جالبی برای ذخیره انرژی مانند یک باتری مکانیکی است.