Pietsogeneraattorit ovat uusia sähkönlähteitä. Fantasia vai todellisuus?

Ohut pietsosähköinen kalvo ikkunaikkunassa, joka imee katumelun ja muuntaa sen energiaksi puhelimen lataamiseksi. Jalankulkijat jalkakäytävillä, metro liukuportaat, jotka lataavat autonomisia valaistusakkuja pietsomuuntimien kautta. Tiheät autovirrat kiireisillä teillä tuottavat megawattia sähköä, joka riittää koko kaupunkiin.

Tieteiskirjallisuus? Valitettavasti toistaiseksi kyllä, ja tämä saattaa jäädä. On erittäin todennäköistä, että sensaatiomaisten viestien ympärillä oleva hype, jotka koskevat upeita näkymiä, loppuu pian pietsosähköiset generaattorit. Ja haavelemme jälleen turvallisesta, uusiutuvasta ja rehellisesti sanottuna halvasta sähköenergiasta, joka saadaan muiden ilmiöiden mukana. Loppujen lopuksi fyysisten vaikutusten luettelo on huomattavan pitkä.

Pietsosähkön ilmiö veljet Jackson ja Pierre Curie löysivät sen vuonna 1880, ja siitä on sittemmin tullut laajalle levinnyt radiotekniikka ja mittaustekniikka. Se koostuu siitä, että pietsosähköisen materiaalin näytteeseen kohdistettu voima johtaa potentiaalierojen esiintymiseen elektrodien sisällä. Vaikutus on palautuva, ts. havaitaan myös päinvastainen ilmiö: kohdistamalla jännitettä elektrodeihin, näyte deformoituu.

Energian muunnoksen suunnasta riippuen pietsosähköä jaetaan generaattoreihin (suora muuntaminen) ja moottoreihin (käänteinen). Termi ”pietsosähköiset generaattorit” ei kuvaa muuntohyötysuhdetta, vaan vain energian muuntamisen suuntaa.

nimittäin ensimmäinen ilmiö, joka liittyy sähköntuotantoon mekaanisessa rasituksessa, viime vuosina insinöörit ja keksijät ovat kiinnostuneet. Ikään kuin runsaudensarvi, viestit välittivät mahdollisuuksia tuottaa sähköenergiaa hyödyntäen katumelua, aaltojen ja tuulen liikettä sekä ihmisten ja autojen liikkumisesta aiheutuvia kuormia.

Nykyään tunnetaan useita esimerkkejä tällaisen energian käytännöllisestä käytöstä. Tokion Marunuchi-metroasemalla pietsosähkögeneraattorit on asennettu lippuhuoneeseen. Matkustajien kertyminen riittää käännöksen ohjaamiseen.

Lontoossa eliitin diskossa pietsosähkögeneraattorit syöttävät useita lamppuja, jotka stimuloivat tanssimista ja ... virvoitusjuomien myyntiä. Pietsosähköisistä sytyttimistä on tullut yleisiä. Nyt kaikilla tupakoitsijoilla on taskussa oma "voimalaitos".

Suhteellisen äskettäin maailman yhteisö puhalsi viestin testausjärjestelmistä energian tuottamiseksi liikkuvista ajoneuvoista. Israelin tutkijat pienestä yrityksestä Innowattech laski sen 1 km autobahnista voi tuottaa sähkötehoa jopa 5 MW: iin. He eivät vain suorittaneet laskelmia, vaan paljastivat myös useita kymmeniä metriä moottoritietä ja asensivat pietsosähkögeneraattorinsa alle. Vaikuttaa siltä, ​​että vaihtoehtoisen energian alalla on vihdoin tapahtunut läpimurto. Mutta tämä herättää vakavia epäilyjä.

Tarkastellaan yksityiskohtaisemmin pietsosähköisten prosessien fysiikkaa. Tutustua pietsosähköisten materiaalien energiantuotannon periaatteisiin riittää, että ymmärretään useita perusmekanismeja. Kun pietsosähköinen elementti vaikuttaa mekaanisesti, atomit siirtyvät materiaalin epäsymmetrisessä kidehilassa. Tämä siirtymä johtaa sähkökentän ilmestymiseen, joka indusoi (indusoi) varauksia pietsosähköisen elementin elektrodoilla.

Toisin kuin tavanomainen kondensaattori, jonka levyt voivat säästää latauksia pitkään, pietsosähköisen elementin indusoimat varaukset säilyvät vain niin kauan kuin mekaaninen kuorma toimii. Juuri tällä hetkellä energiaa voidaan saada elementistä. Kuorman poistamisen jälkeen indusoidut varaukset katoavat. Itse asiassa, pietsosähköinen elementti on merkityksetön virtalähde, jolla on erittäin korkea sisäinen vastus.

Koska Innowattechin asiantuntijat eivät pitäneet tarpeellisena jakaa kokeilunsa tuloksia suurelle yleisölle, yritämme tehdä karkeita numeerisia arvioita pietsosähkötekniikan työn tehokkuudesta energialähde. Laskentakohteena otamme tavallisen kotitalouksien pietsosytyttimen - ainoan nykyään laajalti käytetyn tuotteen.

Pietsosähköisten materiaalien teknisten ominaisuuksien runsaudesta tarvitsemme vain muutamia. Tämä on pietsosähköisen moduulin arvo, joka tavallisille (ja toisille ei vielä vapauta teollisuutta) pietsosähköä varten on välillä 200-500 pikokulonia (10 - miinus 12 astetta) newtonia kohden, ja se kuvaa varauksen muodostumisen tehokkuutta voiman vaikutuksesta.

Tämä ominaisuus ei riipu pietsosähköisen elementin koosta, vaan se määritetään täysin materiaalin ominaisuuksien perusteella. Siksi yrittää tehdä tehokkaampia muuntimia lisäämällä geometrisia mittoja on turhaa. Kevyempien pietsosähköisten levyjen kapasiteetti tunnetaan ja on noin 40 pikofaradia.

Vipujärjestelmä voiman siirtämiseksi pietsosähköiseen elementtiin luo noin 1000 newtonin kuorman. Rako, johon kipinä hyppää, on 5 mm. Ilman dielektrinen lujuus otetaan 1 kV / mm. Tällaisilla alkuperäisillä tiedoilla sytytin synnyttää kipinöitä, joiden teho vaihtelee välillä 0,9 - 2,2 megawattia!

Mutta älä pelkää. Purkauksen kesto on vain 0,08 nanosekuntia, joten tällaiset valtavat tehoarvot. Sytyttimen tuottaman kokonaisenergian laskeminen antaa arvon vain 600 mikrojoulea. Tässä tapauksessa sytyttimen hyötysuhde on vain ... 0,12%, kun otetaan huomioon se, että vipujärjestelmän kautta tapahtuva mekaaninen voima siirtyy täysin pietsosähköiseen.

Erilaisissa hankkeissa ehdotetut energian talteenotto-ohjelmat ovat lähellä sytyttimien toimintatapoja. Yksittäiset pietsosähköiset elementit tuottavat suuren jännitteen, joka murtuu purkausraon läpi, ja virta virtaa tasasuuntaajaan ja sitten varastointilaitteeseen, esimerkiksi ionistoriin. Lisäenergian muuntaminen on vakio eikä kiinnosta.

Siirrymme sytyttimistä energiantuotantoon teollisessa mittakaavassa. Anna käyttää tehokkaimpia elementtejä, jotka tuottavat 10 milliwattia per elementti. Kerättyinä klustereihin (ryhmiin), joissa on 100-200 elementtiä, ne sijoitetaan tien alla. Tällöin ilmoitetun tehoarvon, joka on luokka 1 MW / tien kilometri, saamiseksi tarvitaan vain ... 100 miljoonaa yksittäistä elementtiä, joilla on erilliset energianpoistosuunnitelmat. Jäljellä on tehtävä yhteenveto, muuntaminen ja välittäminen kuluttajalle. Samanaikaisesti elementtien virrat, ottaen huomioon ajoradan muuttuvan kuormituksen, sijaitsevat nano- tai jopa pikoampeerien alueella.

Kun hankitaan samanlaisia ​​hankkeita energian saamiseksi pietsosähköisestä vaikutuksesta, voidaan halutessaan kysyä analogiaa vesivoimalaitoksen kanssa, jossa turbiinit toimivat aamukasteen kosteudesta ja kerätään huolellisesti ympäröiviltä kentiltä.

Entä Israelin yrityksen kokeilu? Raporttia valtatiellä tapahtuvan "hylyn" tuloksista ei ilmestynyt. Mutta ennen kuin Innowattech allekirjoitti Venetsian ja Triesten moottoritien välisen energiasopimuksen.

Tästä on yksi versio: tämä on startup-tyyppinen yritys, ts. korkean riskin sijoituspääoma. Saatuaan enemmän kuin vaatimattomia tutkijoiden alustavia tuloksia sen perustajat päättivät perustella sijoittajien käyttämät rahat ja osoittautuivat erinomaiseksi markkinointiliikkeeksi - he tekivät tehokkaan testin lehdistön osallistumisella. Ja koko maailma alkoi puhua pienestä yrityksestä. Ja tässä melussa menetti tärkein kysymys: missä ovat halvan energian megawatit?

Yhteenvetona voidaan tehdä vain yksi johtopäätös: pietsosähköisistä elementeistä ei tule koskaan vaihtoehtoiset sähkön lähteet teollisessa mittakaavassa. Niiden sovellukset rajoittuvat pienitehoisiin (mikrovoiman) virtalähteisiin ja antureihin. Mikä sääli, niin kaunis idea!