Οι piezogenerators είναι νέες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας. Φαντασία ή πραγματικότητα;

Μια λεπτή πιεζοηλεκτρική ταινία σε ένα παράθυρο που απορροφά θόρυβο δρόμου και την μετατρέπει σε ενέργεια για να φορτίσει το τηλέφωνο. Πεζοί σε πεζοδρόμια, κυλιόμενες σκάλες του μετρό που χρεώνουν αυτόνομες μπαταρίες φωτισμού μέσω πιεζοηλεκτρικών μορφοτροπέων. Πυκνά ρεύματα αυτοκινήτων σε πολυσύχναστους δρόμους, που παράγουν μεγαβάτ ηλεκτρισμού, το οποίο είναι αρκετό για ολόκληρες πόλεις και πόλεις.

Επιστημονική φαντασία; Δυστυχώς, ναι μέχρι τώρα, και αυτό μπορεί να παραμείνει. Υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ότι η διαφημιστική εκστρατεία γύρω από τα συγκλονιστικά μηνύματα για τις θαυμάσιες προοπτικές σύντομα θα σταματήσει γεννήτριες πιεζοηλεκτρικής ενέργειας. Και θα ονειρευόμαστε και πάλι ασφαλή, ανανεώσιμα και, ειλικρινά, φθηνή ηλεκτρική ενέργεια που λαμβάνεται με τη συμμετοχή άλλων φαινομένων. Εξάλλου, ο κατάλογος των φυσικών αποτελεσμάτων είναι εξαιρετικά μεγάλος.

Το φαινόμενο της πιεζοηλεκτρικής ανακαλύφθηκε από τους αδελφούς Τζάκσον και Pierre Curie το 1880 και από τότε έχει γίνει ευρέως διαδεδομένη στην τεχνολογία ραδιολογίας και μέτρησης. Συνίσταται στο γεγονός ότι η δύναμη που εφαρμόζεται στο δείγμα ενός πιεζοηλεκτρικού υλικού οδηγεί στην εμφάνιση διαφοράς δυναμικού στα ηλεκτρόδια. Το αποτέλεσμα είναι αντιστρεπτό, δηλ. το αντίθετο φαινόμενο παρατηρείται επίσης: με την εφαρμογή τάσης στα ηλεκτρόδια, το δείγμα παραμορφώνεται.

Ανάλογα με την κατεύθυνση μετατροπής ενέργειας τα πιεζοηλεκτρικά χωρίζονται σε γεννήτριες (άμεση μετατροπή) και κινητήρες (αντίστροφα). Ο όρος "πιεζοηλεκτρικοί γεννήτριες" δεν χαρακτηρίζει την απόδοση μετατροπής, αλλά μόνο την κατεύθυνση της μετατροπής της ενέργειας.

Ακριβώς το πρώτο φαινόμενο που συνδέεται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υπό μηχανική καταπόνηση, τα τελευταία χρόνια, οι μηχανικοί και οι εφευρέτες έχουν αρχίσει να ενδιαφέρονται. Σαν να έρχονταν από μια κηπουρική, τα μηνύματα μεταδίδονταν για τις δυνατότητες λήψης ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιώντας τον θόρυβο του δρόμου, την κίνηση των κυμάτων και του ανέμου και τα φορτία από την κίνηση ανθρώπων και αυτοκινήτων.

Σήμερα, είναι γνωστά διάφορα παραδείγματα πρακτικής χρήσης μιας τέτοιας ενέργειας. Στον σταθμό Marunuchi του μετρό στο Τόκιο, στην αίθουσα εισιτηρίων εγκαθίστανται πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες. Η συσσώρευση επιβατών είναι αρκετή για να ελέγξει τα turnstiles.

Στο Λονδίνο, σε μια ελίτ ντίσκο, οι πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες τροφοδοτούν αρκετούς λαμπτήρες που τονώνουν τον χορό και ... την πώληση αναψυκτικών. Οι πιεζοηλεκτρικοί αναπτήρες έχουν γίνει συνηθισμένοι. Τώρα οποιοσδήποτε καπνιστής φέρει τον δικό του «σταθμό ηλεκτροπαραγωγής» στην τσέπη του.

Σχετικά πρόσφατα, ένα παγκόσμιο κοινό ανακάλυψε ένα μήνυμα σχετικά με τα συστήματα δοκιμών για την παραγωγή ενέργειας από κινούμενα οχήματα. Ισραηλινοί επιστήμονες από μια μικρή επιχείρηση Innowattech αυτό υπολογίστηκε 1 χιλιόμετρο από το αυτοκινητόδρομο μπορεί να παράγει ηλεκτρική ισχύ έως 5 MW. Δεν πραγματοποίησαν μόνο τους υπολογισμούς, αλλά επίσης αποκάλυψαν αρκετά δεκάδες μέτρα της εθνικής οδού και τοποθετούσαν τις πιεζοηλεκτρικές τους γεννήτριες κάτω από αυτό. Φάνηκε ότι τελικά υπήρξε μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της εναλλακτικής ενέργειας. Αλλά αυτό δημιουργεί σοβαρές αμφιβολίες.

Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τη φυσική των διεργασιών που συμβαίνουν στην πιεζοηλεκτρική. Για να εξοικειωθούν με τις αρχές της παραγωγής ενέργειας από πιεζοηλεκτρικά υλικά, αρκεί η κατανόηση αρκετών βασικών μηχανισμών. Κατά τη διάρκεια της μηχανικής δράσης στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο, τα άτομα μετατοπίζονται στο ασύμμετρο κρυσταλλικό πλέγμα του υλικού. Αυτή η μετατόπιση οδηγεί στην εμφάνιση ενός ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο προκαλεί (προκαλεί) φορτία στα ηλεκτρόδια του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου.

Σε αντίθεση με έναν συμβατικό πυκνωτή, οι πλάκες του οποίου μπορούν να εξοικονομήσουν φορτία για μεγάλο χρονικό διάστημα, τα επαγόμενα φορτία του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου διατηρούνται μόνο εφόσον ενεργεί το μηχανικό φορτίο. Είναι αυτή τη στιγμή ότι η ενέργεια μπορεί να ληφθεί από το στοιχείο. Μετά την αφαίρεση του φορτίου, τα επαγόμενα φορτία εξαφανίζονται. Ουσιαστικά το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο είναι μια ασήμαντη πηγή ρεύματος με πολύ υψηλή εσωτερική αντίσταση.

Δεδομένου ότι οι ειδικοί της Innowattech δεν θεώρησαν απαραίτητο να μοιραστούν τα αποτελέσματα του πειράματός τους με το ευρύ κοινό, θα προσπαθήσουμε να κάνουμε δυναμικές αριθμητικές εκτιμήσεις της αποτελεσματικότητας του έργου της πιεζοηλεκτρικής όπως πηγή ενέργειας. Ως αντικείμενο υπολογισμού, παίρνουμε ένα συνηθισμένο οικιακό πιεζοηλεκτρικό - το μόνο προϊόν που χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως.

Από την αφθονία των τεχνικών χαρακτηριστικών των πιεζοηλεκτρικών υλικών, χρειαζόμαστε μόνο λίγα. Αυτή είναι η αξία της πιεζοηλεκτρικής μονάδας, η οποία για τα πιεζοηλεκτρικά κοινά κυμαίνεται από 200 έως 500 picocoulons (10 έως μείον 12 βαθμούς) ανά νέο και χαρακτηρίζει την απόδοση της δημιουργίας φορτίου υπό την επίδραση της δύναμης.

Αυτό το χαρακτηριστικό δεν εξαρτάται από το μέγεθος του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου, αλλά καθορίζεται πλήρως από τις ιδιότητες του υλικού. Επομένως, η προσπάθεια να καταστούν πιο ισχυροί μετατροπείς αυξάνοντας τις γεωμετρικές διαστάσεις είναι άσκοπος. Η ικανότητα των ελαφρύτερων πιεζοηλεκτρικών πλακών είναι γνωστή και είναι περίπου 40 picofarads.

Το σύστημα μοχλού για τη μετάδοση δύναμης στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο δημιουργεί φορτίο περίπου 1000 Newton. Το κενό στο οποίο τα άλματα σπινθήρων είναι 5 mm. Η διηλεκτρική ισχύς του αέρα λαμβάνεται 1 kV / mm. Με τέτοια αρχικά δεδομένα ένας αναπτήρας δημιουργεί σπινθήρες με ισχύ από 0,9 έως 2,2 megawatts!

Αλλά μην φοβηθείτε. Η διάρκεια απόρριψης είναι μόνο 0,08 νανοδευτερόλεπτα, επομένως, τέτοιες τεράστιες τιμές ισχύος. Ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που παράγεται από τον αναπτήρα δίνει τιμή μόνο 600 μικρογραμμάρια. Σε αυτή την περίπτωση, η απόδοση του αναπτήρα, λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η μηχανική δύναμη μέσω του μοχλού μεταδίδεται πλήρως στο πιεζοηλεκτρικό, είναι μόνο 0.12%.

Τα προγράμματα ανάκτησης ενέργειας που προτείνονται σε διάφορα έργα είναι κοντά στις λειτουργίες των αναπτήρων. Τα μεμονωμένα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία παράγουν μια υψηλή τάση η οποία διασπάται διαμέσου του κενού εκκένωσης και το ρεύμα ρέει στον ανορθωτή και στη συνέχεια στη συσκευή αποθήκευσης, για παράδειγμα, ένα ιονιστή. Η περαιτέρω μετατροπή ενέργειας είναι τυπική και δεν παρουσιάζει ενδιαφέρον.

Ας περάσουμε από τους αναπτήρες στο έργο της παραγωγής ενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα. Αφήστε να χρησιμοποιηθούν τα πιο αποτελεσματικά στοιχεία που παράγουν 10 milwwatts ανά στοιχείο. Συλλέγονται σε ομάδες (ομάδες) 100-200 στοιχείων, τοποθετούνται κάτω από την οδόστρωμα. Στη συνέχεια, για να επιτευχθεί η δηλωμένη ισχύς ισχύος της τάξης του 1 MW ανά χιλιόμετρο δρόμου, θα απαιτούνται μόνο ... 100 εκατομμύρια μεμονωμένα στοιχεία με μεμονωμένα συστήματα απομάκρυνσης ενέργειας. Παραμένει το καθήκον να συνοψίσουμε, να μετατρέψουμε και να το μεταδώσουμε στον καταναλωτή. Ταυτόχρονα, τα ρεύματα των στοιχείων, λαμβάνοντας υπόψη το μεταβαλλόμενο φορτίο στο οδόστρωμα, θα ανήκουν στην περιοχή των νανο ή ακόμα και των picoampres.

Με την απόκτηση παρόμοιων έργων για την απόκτηση ενέργειας από το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, μπορεί κανείς να ακούσει εκ παραλλήλου την αναλογία με έναν υδροηλεκτρικό σταθμό, στον οποίο οι στρόβιλοι λειτουργούν από την υγρασία της πρωινής δροσιάς που συλλέγονται προσεκτικά από τα γύρω πεδία.

Αλλά τι γίνεται με το πείραμα της ισραηλινής εταιρείας; Η έκθεση σχετικά με τα αποτελέσματα της "καταστροφής" στον αυτοκινητόδρομο δεν εμφανίστηκε. Όμως, πριν από την εφαρμογή της σύμβασης για την ενέργεια από τον αυτοκινητόδρομο Βενετία-Τεργέστη, την οποία υπέγραψε η Innowattech.

Υπάρχει μία έκδοση σχετικά με αυτό: πρόκειται για μια επιχείρηση τύπου startup, δηλ. επενδυτικό κεφάλαιο υψηλού κινδύνου. Αφού έλαβε πάνω από τα μέτρια προκαταρκτικά αποτελέσματα των ερευνητών, οι ιδρυτές της αποφάσισαν να δικαιολογήσουν τα χρήματα που επενδύθηκαν και να επενδύσουν σε μια εξαιρετική κίνηση marketing - διεξήγαγαν μια αποτελεσματική δοκιμασία με τη συμμετοχή του Τύπου. Και όλος ο κόσμος άρχισε να μιλάει για μια μικρή εταιρεία. Και σε αυτό το θόρυβο, η κύρια ερώτηση χάθηκε: πού είναι τα μεγαβάτ της φθηνής ενέργειας;

Συνοψίζοντας, μπορεί να γίνει μόνο ένα συμπέρασμα: τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία δεν θα γίνουν ποτέ εναλλακτικές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα. Το πεδίο εφαρμογής των εφαρμογών τους περιορίζεται σε πηγές ενέργειας και αισθητήρες χαμηλής ισχύος (μικροηλεκτρική ενέργεια). Τι κρίμα, μια τέτοια όμορφη ιδέα!