Пиезогенератори су нови извори електричне енергије. Фантазија или стварност?

Танки пиезоелектрични филм на прозору који апсорбује буку улице и претвара је у енергију за пуњење телефона. Пешаци на тротоарима, покретни степеници метроа који пуне аутономне батерије за осветљење преко пиезо претворника. Густи токови аутомобила на прометним путевима, стварају мегават електричне енергије, што је довољно за читаве градове и места.

Научна фантастика? Нажалост, за сада, и то може остати. Постоји велика вероватноћа да ће се прељуба око сензационалних порука о дивним изгледима ускоро завршити пиезоелектрични генератори енергије. И поново ћемо сањати о сигурној, обновљивој и, да будемо искрени, јефтиној електричној енергији која се добија уз учешће других појава. На крају крајева, листа физичких ефеката је изузетно дугачка.

Феномен пиезоелектричности открила су браћа Јацксон и Пиерре Цурие 1880. године и од тада је постала широко распрострањена у радиотехници и технологији мерења. Састоји се у чињеници да сила примењена на узорку пиезоелектричног материјала доводи до појаве потенцијалних разлика на електродама. Ефекат је реверзибилан, тј. примећена је и супротна појава: применом напона на електроде, узорак се деформише.

Зависно од смјера претворбе енергије пиезоелектрике су подељене на генераторе (директна конверзија) и моторе (обрнути). Израз "пиезоелектрични генератори" не карактерише ефикасност конверзије, већ само правац конверзије енергије.

Тачно прва појава повезана са производњом електричне енергије под механичким стресом, последњих година инжењери и изумитељи постали су заинтересовани. Као да су из рожњача продирале поруке о могућностима добијања електричне енергије, кориштењу уличне буке, кретања таласа и ветра и оптерећења кретања људи и аутомобила.

Данас је познато неколико примера практичне употребе такве енергије. На метро станици Марунуцхи у Токију, пиезоелектрични генератори су инсталирани у соби са улазницама. Акумулација путника је довољна за контролу турникета.

У Лондону, у елитној дискотеци, пиезоелектрични генератори хране неколико лампица које подстичу плес и ... продају безалкохолних пића. Пиезоелектрични упаљачи постали су уобичајена појава. Сада сваки пушач у џепу носи своју „електрану“.

Релативно недавно је светска заједница подигла поруку о тестирању система за производњу енергије из возила у покрету. Израелски научници из мале фирме Инноваттецх израчунали су то 1 километар аутобана може произвести електричну снагу до 5 МВ. Они нису само извршили прорачуне, већ су открили и неколико десетина метара аутопута и испод њега поставили своје пиезоелектричне генераторе. Чинило се да је коначно дошло до пробоја у пољу алтернативне енергије. Али то изазива озбиљне сумње.

Размотримо детаљније физику процеса који се одвијају у пиезоелектрику. Да бисте се упознали са принципима производње енергије помоћу пиезоелектричних материјала, довољно је разумевање неколико основних механизама. Када се пиезоелектрични елемент механички понаша, атоми се премештају у асиметричну кристалну решетку материјала. Овај помак доводи до појаве електричног поља које индукује (индукује) наелектрисања на електродама пиезоелектричног елемента.

За разлику од конвенционалног кондензатора, чије плоче могу дуго уштедети набоје, индуковани набоји пиезоелектричног елемента задржавају се само све док механичко оптерећење делује. У овом тренутку се енергија може добити из елемента. Након уклањања терета, индуковани набоји нестају. У суштини пиезоелектрични елемент је безначајан извор струје са врло високим унутрашњим отпором.

Пошто стручњаци компаније Инноваттецх нису сматрали потребним да поделе резултате свог експеримента са широј јавношћу, покушаћемо да направимо грубе нумеричке процене ефикасности рада пиезоелектрике као извор енергије. Као предмет за рачунање узимамо уобичајени пиезо-упаљач за домаћинство - једини производ који се данас широко користи.

Из обиља техничких карактеристика пиезоелектричних материјала потребно нам је само неколико. То је вредност пиезоелектричног модула која за уобичајене (а друге још не производе друге) пиезоелектрике креће се од 200 до 500 пикокулона (10 до минус 12 степени) по невтону и карактерише ефикасност стварања набоја под утицајем силе.

Ова карактеристика не зависи од величине пиезоелектричног елемента, већ је у потпуности одређена својствима материјала. Стога је бесмислено покушавати направити снажније претвараче повећањем геометријских димензија. Капацитет лакших пиезоелектричних плоча је познат и износи око 40 пицофарадса.

Систем полуга за пренос силе на пиезоелектрични елемент ствара оптерећење од приближно 1000 Њута. Размак у којем скаче искре износи 5 мм. Диелектрична снага ваздуха узима се 1 кВ / мм. Са таквим почетним подацима упаљач ствара искре које се крећу у распону од 0,9 до 2,2 мегавата!

Али не плаши се. Трајање пражњења је само 0,08 наносекунди, отуда тако велике вредности снаге. Прорачун укупне енергије коју упаљач ствара даје само 600 микроџула. У овом случају, ефикасност упаљача, узимајући у обзир чињеницу да се механичка сила кроз полужни систем потпуно преноси на пиезоелектричну, износи само ... 0,12%.

Схеме поврата енергије предложене у различитим пројектима блиске су режимима рада упаљача. Појединачни пиезоелектрични елементи стварају високи напон који се пробија кроз празни праг, а струја тече ка исправљачу, а потом и према уређају за складиштење, на пример, ионистору. Даљња претворба енергије је стандардна и не занима.

Кренимо од упаљача до задатка производње енергије у индустријском обиму. Нека се користе најефикаснији елементи који стварају 10 миливата по елементу. Сакупљени у гроздовима (групама) од 100-200 елемената, смештени су испод пута. Затим, да би се добила декларисана вредност снаге реда од 1 МВ по километру пута, биће потребно само ... 100 милиона појединачних елемената са индивидуалним шемама уклањања енергије. Остаје задатак да их сажму, трансформишу и пренесу потрошачу. Истовремено, струја елемената, узимајући у обзир променљиво оптерећење на коловозу, налазиће се у опсегу нано или чак пицоампера.

Стекнувши сличне пројекте за добијање енергије из пиезоелектричног ефекта, нехотице се моли аналогија са хидроелектраном, у којој турбине раде од влаге јутарње росе, пажљиво сакупљене из околних поља.

Али шта је са експериментом израелске компаније? Извештај о резултатима "олупина" на аутопуту није приказан. Али уочи примене уговора о енергији са аутопута Венеција-Трст, који је Инноваттецх потписао.

О томе постоји једна верзија: ово је компанија стартуп типа, тј. високоризични инвестициони капитал. Након што су добили више од скромних прелиминарних резултата истраживача, њени оснивачи одлучили су да оправдају уложени новац и уложе у одличан маркетиншки потез - спровели су ефикасан тест уз учешће штампе. И цео свет је почео да говори о малој компанији. А у овој буци изгубило се главно питање: где су мегавати јефтине енергије?

Резимирајући, може се извући само један закључак: пиезоелектрични елементи никада неће постати алтернативни извори електричне енергије у индустријском обиму. Обим њихових примена биће ограничен на изворе напајања и сензоре мале снаге (микро-снаге). Штета, тако лепа идеја!