Piezogeneratori su novi izvori električne energije. Fantazija ili stvarnost?

Tanak piezoelektrični film na prozoru koji apsorbira buku i pretvara je u energiju za punjenje telefona. Pješaci na trotoarima, pokretne stepenice metroa koje preko piezo pretvornika pune autonomne baterije za osvjetljenje. Gusti tokovi automobila na prometnim cestama, koji stvaraju megavat električne energije, što je dovoljno za čitave gradove i mjesta.

Znanstvena fantastika? Nažalost, za sada, da, i to može ostati. Postoji velika vjerojatnost da će uzbuđenje oko senzacionalnih poruka o divnim izgledima uskoro prestati piezoelektrični generatori energije, I opet ćemo sanjati o sigurnoj, obnovljivoj i, da budemo iskreni, jeftinoj električnoj energiji primljenoj uz sudjelovanje drugih pojava. Uostalom, popis fizičkih učinaka je nevjerojatno dugačak.

Fenomen piezoelektričnosti otkrila su braća Jackson i Pierre Curie 1880. godine i od tada je postala široko rasprostranjena u tehnologiji radiotehnike i mjerenja. Sastoji se u činjenici da sila koja se primjenjuje na uzorak piezoelektričnog materijala dovodi do pojave potencijalnih razlika na elektrodama. Učinak je reverzibilan, tj. opaža se i suprotna pojava: primjenjujući napon na elektrode, uzorak se deformira.

Ovisno o smjeru pretvorbe energije piezoelektrike se dijele na generatore (izravno pretvaranje) i motore (obrnuto), Pojam „piezoelektrični generatori“ ne karakterizira učinkovitost pretvorbe, već samo smjer pretvorbe energije.

naime prvi fenomen povezan s stvaranjem električne energije pod mehaničkim stresom, posljednjih godina inženjeri i izumitelji postali su zainteresirani. Kao da su iz kornekopije proširile poruke o mogućnostima dobivanja električne energije, korištenju ulične buke, kretanja valova i vjetra i opterećenja od kretanja ljudi i automobila.

Danas je poznato nekoliko primjera praktične uporabe takve energije. Na metro stanici Marunuchi u Tokiju u sobi s ulaznicama instalirani su piezoelektrični generatori. Akumulacija putnika je dovoljna za kontrolu turniketa.

U Londonu, u elitnoj diskoteci, piezoelektrični generatori hrane nekoliko svjetiljki koje potiču ples i ... prodaju bezalkoholnih pića. Piezoelektrični upaljači postali su uobičajena pojava. Sada svaki pušač u džepu nosi svoju "elektranu".

Relativno nedavno je svjetska zajednica raznijela poruku o sustavima za testiranje proizvodnje energije iz vozila u pokretu. Izraelski znanstvenici iz male firme Innowattech izračunali su to 1 kilometar autobahna može proizvesti električnu snagu do 5 MW. Oni nisu samo izvršavali proračune, nego su otkrili i nekoliko desetaka metara autoceste i ispod nje postavili svoje piezoelektrične generatore. Činilo se da je napokon došlo do proboja na polju alternativne energije. Ali to stvara ozbiljne sumnje.

Razmotrimo detaljnije fiziku procesa koji se odvijaju u piezoelektriku. Da biste se upoznali s principima proizvodnje energije pomoću piezoelektričnih materijala, dovoljno je razumijevanje nekoliko osnovnih mehanizama. Kad se na piezoelektrični element mehanički djeluje, atomi se premještaju u asimetričnu kristalnu rešetku materijala. Taj pomak dovodi do pojave električnog polja koje inducira (inducira) naboje na elektrodama piezoelektričnog elementa.

Za razliku od konvencionalnog kondenzatora, čije ploče mogu dugo uštedjeti naboje, inducirani naboji piezoelektričnog elementa zadržavaju se samo dok djeluje mehaničko opterećenje. Upravo u ovom trenutku energija se može dobiti iz elementa. Nakon uklanjanja tereta, inducirani naboji nestaju. U stvari, piezoelektrični element je beznačajan izvor struje s vrlo visokim unutarnjim otporom.

Budući da stručnjaci tvrtke Innowattech nisu smatrali potrebnim dijeliti rezultate svog eksperimenta sa širom javnošću, pokušat ćemo dati grube numeričke procjene učinkovitosti rada piezoelektrike kao izvor energije, Kao predmet za proračun uzimamo uobičajeni piezo-upaljač za kućanstvo - jedini proizvod koji se danas široko koristi.

Iz obilja tehničkih karakteristika piezoelektričnih materijala potrebno nam je samo nekoliko. To je vrijednost piezoelektričnog modula, koji se za uobičajene (a ostale još ne puštaju u industriji) piezoelektrike kreću od 200 do 500 pikokulona (10 do minus 12 stupnjeva) po newtonu i karakteriziraju učinkovitost stvaranja naboja pod utjecajem sile.

Ova karakteristika ne ovisi o veličini piezoelektričnog elementa, već je u potpunosti određena svojstvima materijala. Stoga je besmisleno pokušavati napraviti snažnije pretvarače povećanjem geometrijskih dimenzija. Kapacitet lakših piezoelektričnih ploča poznat je i iznosi oko 40 picofaradsa.

Sustav poluga za prijenos sile na piezoelektrični element stvara opterećenje od oko 1000 Newtona. Razmak u kojem skače iskre iznosi 5 mm. Dielektrična čvrstoća zraka uzima se 1 kV / mm. S takvim početnim podacima upaljač generira iskre u rasponu snage od 0,9 do 2,2 megavata!

Ali nemojte se bojati. Trajanje pražnjenja je samo 0,08 nanosekundi, otuda su takve ogromne vrijednosti snage. Izračun ukupne energije koju upaljač stvara daje vrijednost od samo 600 mikrodžula. U ovom slučaju, učinkovitost upaljača, uzimajući u obzir činjenicu da se mehanička sila kroz polužni sustav potpuno prenosi na piezoelektričnu, iznosi samo ... 0,12%.

Sheme povrata energije predložene u raznim projektima bliske su režimima rada upaljača. Pojedinačni piezoelektrični elementi generiraju visoki napon koji se probija kroz prazni prag, a struja teče do ispravljača, a zatim u uređaj za pohranjivanje, na primjer, ionistor. Daljnja pretvorba energije je standardna i bez interesa.

Krenimo od upaljača do zadatka proizvodnje energije u industrijskim razmjerima. Neka se koriste najučinkovitiji elementi koji stvaraju 10 miliwata po elementu. Skupljeni u grozdovima od 100-200 elemenata, smješteni su ispod ceste. Zatim, za dobivanje deklarirane vrijednosti snage reda od 1 MW po kilometru puta, bit će potrebno samo ... 100 milijuna pojedinačnih elemenata s pojedinačnim programima uklanjanja energije. Ostaje zadaća sažeti, transformirati i prenijeti ga potrošaču. Istovremeno, struje elemenata, uzimajući u obzir promjenu opterećenja na kolniku, nalazit će se u rasponu nano ili čak picoampere.

Stječući slične projekte za dobivanje energije iz piezoelektričnog učinka, nehotice se moli analogija s hidroelektranom, u kojoj turbine rade od vlage jutarnje rose, pažljivo prikupljene iz okolnih polja.

Ali što je s eksperimentom izraelske tvrtke? Izvješće o rezultatima "olupina" na autocesti nije se pojavilo. Ali uoči provedbe ugovora o energiji s autoceste Venecija-Trst, koji je Innowattech potpisao.

O tome postoji jedna verzija: radi se o startup tvrtki, tj. visokorizični ulagački kapital. Nakon što su dobili više od skromnih preliminarnih rezultata istraživača, njegovi osnivači odlučili su opravdati uloženi novac i uloženi u izvrstan marketinški potez - proveli su učinkovit test uz sudjelovanje tiska. I cijeli je svijet počeo govoriti o maloj tvrtki. I u toj se buci izgubilo glavno pitanje: gdje su megavati jeftine energije?

Rezimirajući, može se izvući samo jedan zaključak: piezoelektrični elementi nikada neće postati alternativni izvori električne energije na industrijskoj razini. Opseg njihovih primjena bit će ograničen na izvore napajanja i senzore male snage (mikro-snage). Kakva šteta, tako lijepa ideja!