Piezogeneratorer är nya elkällor. Fantasi eller verklighet?

En tunn piezoelektrisk film på en fönsterruta som absorberar gatubuller och omvandlar den till energi för att ladda telefonen. Fotgängare på trottoarerna, tunnelbana rulltrappor som laddar autonoma belysningsbatterier genom piezo-givare. Täta bilar med bilar på trafikerade vägar som genererar megawatt el, vilket räcker för hela städer och städer.

Science fiction? Tyvärr, för tillfället, ja, och det kan kvarstå. Det är mycket troligt att hypen kring sensationella meddelanden om underbara utsikter snart kommer att ta slut piezoelektriska energiproducenter. Och vi kommer återigen att drömma om en säker, förnybar och, för att vara ärlig, billig elektrisk energi mottagen med inblandning av andra fenomen. När allt kommer omkring är listan över fysiska effekter anmärkningsvärt lång.

Fenomenet piezoelektricitet upptäcktes av bröderna Jackson och Pierre Curie 1880 och har sedan dess blivit utbredd inom radioteknik och mätteknik. Det består i det faktum att kraften som appliceras på provet av det piezoelektriska materialet leder till uppkomsten av potentiella skillnader på elektroderna. Effekten är reversibel, dvs. motsatt fenomen observeras också: applicering av spänning på elektroderna deformeras provet.

Beroende på energiomvandlingsriktning piezoelektrik delas in i generatorer (direktomvandling) och motorer (omvänd). Termen "piezoelektriska generatorer" karakteriserar inte omvandlingseffektiviteten utan bara energiomvandlingsriktningen.

nämligen det första fenomenet förknippat med elproduktionen under mekanisk påfrestningde senaste åren har ingenjörer och uppfinnare blivit intresserade. Som från ett hornhinnande strömmar meddelanden om möjligheterna att få elektrisk energi, utnyttja gatubuller, rörelse av vågor och vind och laster från rörliga människor och bilar.

Idag är flera exempel på praktisk användning av sådan energi kända. Vid tunnelbanestationen Marunuchi i Tokyo installeras piezoelektriska generatorer i biljettrummet. Passageraransamling räcker för att kontrollera vändkorsarna.

I en elitdisko i London matar piezoelektriska generatorer flera lampor som stimulerar dans och ... försäljning av läsk. Piezoelektriska tändare har blivit vanliga. Nu har varje rökare sin egen "kraftstation" i fickan.

Relativt nyligen sprände världssamhället ett meddelande om testsystem för att generera energi från rörliga fordon. Israeliska forskare från ett litet företag Innowattech beräknade det En kilometer från motorvägen kan generera elektrisk kraft upp till 5 MW. De utförde inte bara beräkningarna utan upptäckte också flera tiotals meter av motorvägen och monterade sina piezoelektriska generatorer under den. Det verkade som om äntligen ett genombrott hade kommit inom området alternativ energi. Men detta väcker allvarliga tvivel.

Låt oss betrakta mer detaljerat fysiken i de processer som sker i piezoelektriska. För att bekanta sig med principerna för energiproduktion av piezoelektriska material är en förståelse för flera grundläggande mekanismer tillräcklig. När ett piezoelektriskt element påverkas mekaniskt förskjuts atomer i materialets asymmetriska kristallgitter. Denna förskjutning leder till uppkomsten av ett elektriskt fält, som inducerar (inducerar) laddningar på elektroderna i det piezoelektriska elementet.

Till skillnad från en konventionell kondensator, vars plattor kan spara laddningar under lång tid, de inducerade laddningarna för det piezoelektriska elementet bibehålls endast så länge som den mekaniska belastningen verkar. Det är just nu som energi kan erhållas från elementet. Efter borttagning av lasten försvinner de inducerade laddningarna. I själva verket, det piezoelektriska elementet är en obetydlig strömkälla med mycket hög inre motstånd.

Eftersom specialisterna från Innowattech inte ansåg det nödvändigt att dela resultaten av deras experiment med allmänheten, kommer vi att försöka göra grova numeriska uppskattningar av effektiviteten i piezoelektriskt arbete som energikälla. Som ett objekt för beräkningar tar vi den vanliga piezo-tändaren för hushållet - den enda produkten som nu används allmänt.

Från överflödet av tekniska egenskaper hos piezoelektriska material behöver vi bara ett fåtal. Detta är värdet på den piezoelektriska modulen, som för vanliga (och andra ännu inte producerar andra) piezoelektrik sträcker sig från 200 till 500 picocoulons (10 till minus 12 grader) per Newton, och kännetecknar effektiviteten för laddningsproduktion under påverkan av kraft.

Denna egenskap beror inte på storleken på det piezoelektriska elementet, men bestäms helt av materialets egenskaper. Därför är det meningslöst att försöka göra kraftfullare omvandlare genom att öka de geometriska dimensionerna. Kapaciteten hos de lättare piezoelektriska plattorna är känd och är cirka 40 picofarader.

Spaksystemet för överföring av kraft till det piezoelektriska elementet skapar en belastning på cirka 1000 Newton. Gapet där gnistan hoppar är 5 mm. Luftens dielektriska styrka tas 1 kV / mm. Med sådana initiala data en tändare genererar gnistor med effekt från 0,9 till 2,2 megawatt!

Men var inte rädd. Urladdningstiden är bara 0,08 nanosekunder, därmed sådana enorma effektvärden. Beräkning av den totala energin som genereras av tändaren ger ett värde på endast 600 mikrojoular. I detta fall är tändarnas effektivitet, med beaktande av det faktum att den mekaniska kraften genom hävarmsystemet överförs helt till piezoelektriskt, bara ... 0,12%.

De energiproduktionsplaner som föreslås i olika projekt ligger nära tändarens driftsätt. Enskilda piezoelektriska element genererar en högspänning, som bryter genom urladdningsgapet, och strömmen flyter till likriktaren och sedan till lagringsanordningen, till exempel, en jonistor. Ytterligare energiomvandling är standard och har inget intresse.

Låt oss gå från tändare till uppgiften att generera energi i industriell skala. Låt de mest effektiva elementen som genererar 10 milliwatt per element användas. Samlade i kluster (grupper) med 100-200 element placeras de under vägbanan. För att få det deklarerade effektvärdet för storleksordningen 1 MW per kilometer väg, kommer bara ... 100 miljoner enskilda element med individuella energiborttagningssystem att krävas. Det kvarstår uppgiften att sammanfatta, omvandla och överföra det till konsumenten. Samtidigt kommer elementens strömmar, med tanke på den förändrade belastningen på vägbanan, att ligga inom räckvidden av nano eller till och med picoampera.

Förvärva liknande projekt för att få energi från den piezoelektriska effekten kan man ofrivilligt begära analogin med ett vattenkraftverk, där turbinerna arbetar med fukt från morgondagg, noggrant samlade från de omgivande fälten.

Men hur är det med det israeliska företagets experiment? Rapporten om resultaten av "vrak" på motorvägen dykte inte upp. Men inför genomförandet av energikontraktet från motorvägen Venedig-Trieste, som Innowattech undertecknade.

Det finns en version om detta: detta är ett företag som startar upp, dvs. hög risk investeringskapital. Efter att ha fått mer än blygsamma preliminära resultat från forskarna, beslutade dess grundare att motivera de investerade pengarna och investerade i en utmärkt marknadsföring - de genomförde ett effektivt test med pressens deltagande. Och hela världen började prata om ett litet företag. Och i detta brus försvann huvudfrågan: var är megawatt billig energi?

Sammanfattningsvis kan vi bara dra en slutsats: piezoelektriska element kommer aldrig att bli alternativa elkällor i industriell skala. Omfattningen av deras applikationer kommer att begränsas till låg effekt (mikropower) kraftkällor och sensorer. Så synd, en så vacker idé!