Piezogenerators adalah sumber tenaga elektrik baru. Fantasi atau realiti?

Filem piezoelektrik nipis pada panel tetingkap yang menyerap bunyi jalanan dan mengubahnya menjadi tenaga untuk mengecas telefon. Pejalan kaki di kaki lima, eskalator metro yang mengenakan bateri lampu autonomi melalui transduser piezo. Aliran padat kereta di jalan-jalan yang sibuk, menjana megawatt elektrik, yang cukup untuk seluruh bandar dan bandar.

Fiksyen sains? Malangnya, untuk sekarang, ya, dan ini mungkin kekal. Terdapat kebarangkalian yang tinggi bahawa gembar-gembur di sekitar mesej sensasi tentang prospek yang indah akan berakhir penjana tenaga piezoelektrik. Dan kita akan bermimpi lagi selamat, boleh diperbaharui dan, jujur, tenaga elektrik murah yang diterima dengan penglibatan fenomena lain. Lagipun, senarai kesan fizikal sangat panjang.

Fenomena piezoelectricity telah ditemui oleh saudara-saudara Jackson dan Pierre Curie pada tahun 1880 dan sejak itu telah meluas dalam teknologi kejuruteraan dan pengukuran radio. Ia terdiri daripada fakta bahawa daya yang digunakan untuk sampel bahan piezoelektrik membawa kepada kemunculan perbezaan potensi pada elektrod. Kesannya boleh diterbalikkan, iaitu fenomena yang bertentangan juga diperhatikan: menggunakan voltan pada elektrod, sampel itu cacat.

Bergantung kepada arah penukaran tenaga piezoelektrik dibahagikan kepada penjana (penukaran langsung) dan motor (songsang). Istilah "penjana piezoelektrik" tidak mencirikan kecekapan penukaran, tetapi hanya arah penukaran tenaga.

Betul fenomena pertama yang berkaitan dengan penjanaan elektrik di bawah tekanan mekanikal, dalam tahun-tahun kebelakangan ini, jurutera dan pencipta telah menjadi berminat. Seolah-olah dari kornulopia, mesej menyiarkan tentang kemungkinan mendapatkan tenaga elektrik, menggunakan bunyi jalanan, pergerakan gelombang dan angin, dan beban dari orang bergerak dan kereta.

Hari ini, beberapa contoh penggunaan praktikal tenaga sedemikian diketahui. Di stesen metro Marunuchi di Tokyo, penjana piezoelektrik dipasang di bilik tiket. Pengumpulan penumpang sudah cukup untuk mengawal selekoh.

Di London, dalam disko elit, penjana piezoelektrik memberi makan beberapa lampu yang merangsang menari dan ... penjualan minuman ringan. Pemetik api piezoelektrik telah menjadi perkara biasa. Sekarang mana-mana perokok membawa "stesen kuasa" sendiri di dalam sakunya.

Baru-baru ini, masyarakat dunia melancarkan mesej mengenai sistem ujian untuk menjana tenaga dari kenderaan yang bergerak. Saintis Israel dari firma kecil Innowattech dikira itu 1 kilometer dari autobahn boleh menghasilkan kuasa elektrik sehingga 5 MW. Mereka bukan sahaja melakukan pengiraan, tetapi juga menemui beberapa puluhan meter jalan raya dan memasang penjana piezoelektrik mereka di bawahnya. Nampaknya akhirnya terobosan telah datang dalam bidang tenaga alternatif. Tetapi ini menimbulkan keraguan yang serius.

Marilah kita mempertimbangkan lebih terperinci fizik proses yang berlaku dalam piezoelektrik. Untuk mengenali prinsip-prinsip penjanaan tenaga oleh bahan piezoelektrik, pemahaman beberapa mekanisme asas adalah mencukupi. Apabila unsur piezoelektrik bertindak secara mekanikal, atom-atom diasingkan dalam kekisi kristal asimetrik bahan. Anjakan ini membawa kepada kemunculan medan elektrik, yang menginduksi (menginduksi) caj pada elektrod unsur piezoelektrik.

Tidak seperti kapasitor konvensional, plat yang boleh menjimatkan caj untuk masa yang lama, caj induksi unsur piezoelektrik disimpan hanya selagi beban beban mekanikal. Ia adalah pada masa ini bahawa tenaga boleh didapati dari elemen. Selepas penyingkiran beban, caj induksi hilang. Pada dasarnya unsur piezoelektrik adalah sumber arus yang tidak penting dengan rintangan dalaman yang sangat tinggi.

Oleh kerana pakar-pakar Innowattech tidak menganggap perlu untuk berkongsi hasil percubaan mereka dengan orang awam, kami akan cuba membuat perkiraan berangka kasar mengenai keberkesanan kerja piezoelektrik sebagai sumber tenaga. Sebagai objek pengiraan, kami mengambil piezo-ringan rumah biasa - satu-satunya produk yang kini digunakan secara meluas.

Dari banyak ciri teknikal bahan piezoelektrik, kita hanya memerlukan sedikit. Ini adalah nilai modul piezoelektrik, yang biasa (dan yang lain belum menghasilkan yang lain) piezoelektrik berkisar antara 200 hingga 500 picocoulons (10 hingga minus 12 darjah) setiap newton, dan mencirikan kecekapan penjanaan caj di bawah pengaruh daya.

Ciri ini tidak bergantung pada saiz unsur piezoelektrik, tetapi ditentukan sepenuhnya oleh sifat bahan. Oleh itu, cuba untuk menjadikan penukar yang lebih kuat dengan meningkatkan dimensi geometri adalah sia-sia. Kapasiti plat piezoelektrik lebih ringan diketahui dan sekitar 40 picofarads.

Sistem tuil untuk menghantar daya ke elemen piezoelektrik menghasilkan beban kira-kira 1000 Newtons. Jurang di mana lonjakan bunga api adalah 5 mm. Kekuatan dielektrik udara diambil 1 kV / mm. Dengan data awal sedemikian yang lebih ringan menjana percikan api berkisar dari 0.9 hingga 2.2 megawatt!

Tetapi jangan takut. Tempoh pelepasan adalah hanya 0.08 nanodetik, dengan itu nilai kuasa yang besar. Pengiraan jumlah tenaga yang dihasilkan oleh pemetik api memberikan nilai hanya 600 mikrojoule. Dalam kes ini, kecekapan yang lebih ringan, dengan mengambil kira fakta bahawa daya mekanikal melalui sistem tuil sepenuhnya dihantar ke piezoelektrik, hanya ... 0.12%.

Skim pemulihan tenaga yang dicadangkan dalam pelbagai projek adalah dekat dengan mod operasi pemetik api. Unsur-unsur piezoelektrik individu menghasilkan voltan tinggi yang memecah jurang pelepasan, dan arus mengalir ke penerus, dan kemudian ke peranti penyimpanan, sebagai contoh, sebuah ionistor. Penukaran tenaga tambahan adalah standard dan tidak berminat.

Mari bergerak dari pemetik api ke tugas menjana tenaga pada skala perindustrian. Biarkan elemen yang paling efisien menghasilkan 10 milliit setiap elemen digunakan. Dikumpulkan dalam kelompok (kumpulan) 100-200 unsur, mereka diletakkan di bawah jalan raya. Kemudian, untuk mendapatkan nilai kuasa yang diisytiharkan untuk perintah 1 MW setiap kilometer jalan, hanya ... 100 juta elemen individu dengan skim penyingkiran tenaga individu diperlukan. Masih ada tugas merumuskan, mengubah dan menghantarnya kepada pengguna. Pada masa yang sama, arus unsur-unsur, dengan mengambil kira beban yang berubah-ubah di jalan raya, akan terletak di nano atau bahkan picoamperes.

Memperolehi projek-projek yang serupa untuk mendapatkan tenaga dari kesan piezoelektrik, seseorang secara sukarela dapat meniru analogi dengan stesen janakuasa hidroelektrik, di mana turbin beroperasi dari kelembapan embun pagi, dengan teliti dikumpulkan dari ladang-ladang sekitarnya.

Tetapi bagaimana dengan eksperimen syarikat Israel? Laporan mengenai keputusan "menghancurkan" di lebuh raya tidak muncul. Tetapi menjelang pelaksanaan kontrak tenaga dari jalan raya Venice-Trieste, yang ditandatangani Innowattech.

Terdapat satu versi mengenai ini: ini adalah syarikat permulaan jenis, iaitu. modal pelaburan berisiko tinggi. Setelah menerima keputusan awal lebih awal daripada penyelidik, pengasasnya memutuskan untuk membenarkan wang yang dilaburkan dan melabur dalam langkah pemasaran yang sangat baik - mereka melakukan ujian yang efektif dengan penyertaan akhbar. Dan seluruh dunia mula bercakap tentang sebuah syarikat kecil. Dan dalam bunyi ini, persoalan utama telah hilang: di manakah megawatt tenaga murah?

Menyimpulkan, hanya satu kesimpulan yang boleh diambil: elemen piezoelektrik tidak akan menjadi sumber alternatif elektrik pada skala perindustrian. Skop aplikasi mereka akan terhad kepada sumber kuasa dan sensor kuasa rendah (mikropower). Sayang sekali, idea yang indah itu!