Piezogeneratoarele sunt surse noi de electricitate. Fantezie sau realitate?

Un film piezoelectric subțire pe un geam care absoarbe zgomotul străzii și îl transformă în energie pentru a încărca telefonul. Pietonii de pe trotuare, scări rulante de metrou care încarcă bateriile de iluminat autonom prin traductoare piezo. Fluxuri dense de mașini pe drumuri aglomerate, generând megawati de electricitate, ceea ce este suficient pentru orașele și orașele întregi.

Știință-ficțiune? Din păcate, deocamdată, da, iar acest lucru poate rămâne. Există o probabilitate ridicată ca expunerea mesajelor senzaționale despre perspective minunate să se termine generatoare piezoelectrice de energie. Și vom visa din nou la o energie electrică sigură, regenerabilă și, ca să fim sinceri, cu energie electrică ieftină, primită cu implicarea altor fenomene. Până la urmă, lista efectelor fizice este remarcabil de lungă.

Fenomenul piezoelectricității a fost descoperit de frații Jackson și Pierre Curie în 1880 și de atunci a devenit larg răspândit în domeniul ingineriei radio și al tehnologiei de măsurare. Ea constă în faptul că forța aplicată pe eșantionul materialului piezoelectric duce la apariția unor diferențe de potențial pe electrozi. Efectul este reversibil, adică. se observă și fenomenul opus: aplicând tensiune la electrozi, proba este deformată.

În funcție de direcția de conversie a energiei piezoelectrica se împarte în generatoare (conversie directă) și motoare (invers). Termenul „generatoare piezoelectrice” nu caracterizează eficiența conversiei, ci doar direcția de conversie a energiei.

și anume primul fenomen asociat cu generarea de electricitate sub stres mecanic, în ultimii ani, inginerii și inventatorii au devenit interesați. Ca și cum ar fi dintr-o cornucopie, mesajele transmiteau fluxuri despre posibilitățile de generare a energiei electrice, folosind zgomotul străzii, mișcarea undelor și vântului și încărcăturile din mișcarea oamenilor și a mașinilor.

Astăzi, sunt cunoscute mai multe exemple de utilizare practică a unei astfel de energii. La stația de metrou Marunuchi din Tokyo, în camera de bilete sunt instalate generatoare piezoelectrice. Acumularea de pasageri este suficientă pentru a controla turniculele.

În Londra, într-o discotecă de elită, generatoarele piezoelectrice alimentează mai multe lămpi care stimulează dansul și ... vânzarea de băuturi răcoritoare. Brichetele piezoelectrice au devenit ceva obișnuit. Acum orice fumător își poartă propria „centrală” în buzunar.

Recent, comunitatea mondială a dat un mesaj despre sistemele de testare pentru generarea de energie din vehiculele în mișcare. Oamenii de știință israelieni de la o firmă mică Innowattech a calculat că 1 km de autobahn poate genera energie electrică de până la 5 MW. Ei nu numai că au efectuat calculele, dar au descoperit și câteva zeci de metri de autostradă și și-au montat generatoarele piezoelectrice. Părea că în sfârșit a venit o descoperire în domeniul energiei alternative. Dar acest lucru ridică îndoieli serioase.

Să luăm în considerare mai detaliat fizica proceselor care au loc în piezoelectrică. Pentru a face cunoștință cu principiile producerii de energie prin materiale piezoelectrice, este suficientă înțelegerea mai multor mecanisme de bază. Când un element piezoelectric este acționat mecanic, atomii sunt deplasați în rețeaua de cristal asimetrică a materialului. Această deplasare duce la apariția unui câmp electric, care induce (induce) sarcini pe electrozii elementului piezoelectric.

Spre deosebire de un condensator convențional, ale cărui plăci pot economisi costuri pentru o lungă perioadă de timp, încărcările induse ale elementului piezoelectric sunt păstrate numai atâta timp cât sarcina mecanică acționează. În acest moment energia poate fi obținută din element. După îndepărtarea încărcăturii, sarcinile induse dispar. De fapt, elementul piezoelectric este o sursă nesemnificativă de curent cu o rezistență internă foarte mare.

Întrucât specialiștii din Innowattech nu au considerat necesar să împărtășim rezultatele experimentului lor cu publicul larg, vom încerca să facem estimări numerice grosolane ale eficienței activității piezoelectrice ca sursa de energie. Ca obiect de calcul, luăm o brichetă obișnuită pentru piele - singurul produs care este acum utilizat pe scară largă.

Din abundența caracteristicilor tehnice ale materialelor piezoelectrice, avem nevoie doar de câteva. Aceasta este valoarea modulului piezoelectric, care pentru uz comun (și alții nu eliberează încă industria) piezoelectrică variază între 200 și 500 de picocule (10 până la 12 grade) pe newton și caracterizează eficiența generarii încărcăturii sub influența forței.

Această caracteristică nu depinde de mărimea elementului piezoelectric, dar este complet determinată de proprietățile materialului. Prin urmare, încercarea de a face convertori mai puternici prin creșterea dimensiunilor geometrice nu are rost. Capacitatea plăcilor piezoelectrice mai ușoare este cunoscută și este de aproximativ 40 de picofaradi.

Sistemul de pârghie pentru transmiterea forței către elementul piezoelectric creează o sarcină de aproximativ 1000 Newton. Decalajul în care sare scânteia este de 5 mm. Rezistența dielectrică a aerului este de 1 kV / mm. Cu astfel de date inițiale o brichetă generează scântei care variază în putere de la 0,9 la 2,2 megavati!

Dar nu te speria. Durata de descărcare este de numai 0,08 nanosecunde, de aceea valori uriașe de putere. Calculul energiei totale generate de brichetă oferă o valoare de doar 600 de microiele. În acest caz, eficiența brichetei, ținând cont de faptul că forța mecanică prin sistemul de pârghie este transmisă complet piezoelectricului, este de doar ... 0,12%.

Schemele de recuperare a energiei propuse în diferite proiecte sunt apropiate de modurile de funcționare ale brichetelor. Elementele piezoelectrice individuale generează o tensiune ridicată care trece prin golul de descărcare, iar curentul curge spre redresor, apoi către dispozitivul de stocare, de exemplu, un ionistor. Conversia suplimentară a energiei este standard și nu prezintă niciun interes.

Să trecem de la brichete la sarcina de a genera energie la scară industrială. Utilizați cele mai eficiente elemente care generează 10 miliwati pentru fiecare element. Adunate în grupuri (grupuri) de 100-200 de elemente, acestea sunt plasate sub patul rutier. Apoi, pentru a obține valoarea de putere declarată de ordinul a 1 MW pe kilometru de drum, vor fi necesare doar ... 100 de milioane de elemente individuale cu scheme individuale de eliminare a energiei. Rămâne sarcina de a le rezuma, transforma și transmite consumatorului. În același timp, curenții elementelor, ținând cont de schimbarea încărcăturii pe șosea, vor fi cuprinse în gama de nano sau chiar picoampere.

Achiziționând proiecte similare pentru obținerea de energie prin efectul piezoelectric, se poate implora involuntar analogia cu o centrală hidroelectrică, în care turbinele funcționează din umiditatea rouei de dimineață, colectate cu grijă din câmpurile înconjurătoare.

Dar cum rămâne cu experimentul companiei israeliene? Raportul privind rezultatele „naufragiei” pe autostradă nu a apărut. Dar înainte de punerea în aplicare a contractului pentru energie de la autostrada Veneția-Trieste, pe care l-a semnat Innowattech.

Există o versiune despre aceasta: aceasta este o companie de tip startup, adică. capital de investiții cu risc ridicat. După ce au primit mai mult decât modeste rezultate preliminare ale cercetătorilor, fondatorii acesteia au decis să justifice banii cheltuiți de investitori și s-au dovedit o mișcare excelentă de marketing - au efectuat un test eficient cu participarea presei. Și întreaga lume a început să vorbească despre o companie mică. Și în acest zgomot, s-a pierdut principala întrebare: unde sunt megawati de energie ieftină?

Rezumând, se poate trage o singură concluzie: elementele piezoelectrice nu vor deveni niciodată surse alternative de electricitate la scară industrială. Domeniul de aplicare al aplicațiilor lor va fi limitat la surse și senzori de putere mică (micropower). Ce păcat, o idee atât de frumoasă!