Piezogenerátory jsou nové zdroje elektřiny. Fantasy nebo realita?

Tenký piezoelektrický film na okenním panelu, který pohlcuje pouliční hluk a přeměňuje jej na energii, aby dobil telefon. Chodci na chodnících, eskalátory metra, které nabíjejí autonomní baterii osvětlení piezoelektrickými měniči. Husté proudy automobilů na frekventovaných silnicích, produkující megawatty elektřiny, což je dost pro celá města.

Sci-fi? Bohužel prozatím ano, a to může zůstat. Existuje vysoká pravděpodobnost, že bombastická senzace kolem úžasných vyhlídek brzy skončí generátory piezoelektrické energie. A opět budeme snít o bezpečné, obnovitelné a, upřímně, levné elektrické energii přijaté se zapojením dalších jevů. Koneckonců, seznam fyzických účinků je pozoruhodně dlouhý.

Fenomén piezoelektriky byl objeven bratry Jacksonem a Pierrem Curiem v roce 1880 a od té doby se stal rozšířeným v radiotechnice a měřicí technologii. Spočívá ve skutečnosti, že síla působící na vzorek piezoelektrického materiálu vede ke vzniku potenciálních rozdílů na elektrodách. Účinek je reverzibilní, tj. pozoruje se také opačný jev: při přivedení napětí na elektrody se vzorek deformuje.

V závislosti na směru přeměny energie piezoelektrika se dělí na generátory (přímá konverze) a motory (inverzní). Termín „piezoelektrické generátory“ nevyznačuje účinnost přeměny, ale pouze směr přeměny energie.

Přesně první jev spojený s výrobou elektřiny pod mechanickým stresem, v posledních letech se inženýři a vynálezci začali zajímat. Jako by z hojnosti proudily zprávy o možnostech získání elektrické energie, využití hluku z ulice, pohybu vln a větru a zátěže z pohybu lidí a automobilů.

Dnes je známo několik příkladů praktického využití takové energie. Ve stanici metra Marunuchi v Tokiu jsou v prodejně vstupenek instalovány piezoelektrické generátory. Nahromadění cestujících stačí k ovládání turniketů.

V Londýně, v elitní diskotéce, piezoelektrické generátory napájejí několik lamp, které stimulují tanec a ... prodej nealkoholických nápojů. Piezoelektrické zapalovače se staly samozřejmostí. Nyní každý kuřák nese svou vlastní „elektrárnu“ v kapse.

Relativně nedávno světová komunita vyhodila zprávu o testování systémů pro výrobu energie z jedoucích vozidel. Izraelští vědci z malé firmy Innowattech vypočítal to 1 kilometr dálnice může vyrábět elektrickou energii až do 5 MW. Nejenže provedli výpočty, ale také odkryli několik desítek metrů dálnice a namontovali pod ni piezoelektrické generátory. Zdálo se, že konečně došlo k průlomu v oblasti alternativní energie. To však vyvolává vážné pochybnosti.

Podívejme se podrobněji na fyziku procesů probíhajících v piezoelektrice. Abychom se seznámili s principy výroby energie piezoelektrickými materiály, postačuje porozumění několika základním mechanismům. Když je piezoelektrický prvek mechanicky ovlivněn, atomy jsou přemístěny v asymetrické krystalové mřížce materiálu. Toto přemístění vede ke vzniku elektrického pole, které indukuje (indukuje) náboje na elektrodách piezoelektrického prvku.

Na rozdíl od konvenčního kondenzátoru, jehož desky mohou dlouhodobě šetřit poplatky, indukované náboje piezoelektrického prvku jsou zachovány pouze tak dlouho, dokud působí mechanické zatížení. V tuto chvíli lze energii získat z prvku. Po odstranění zátěže zmizí indukované náboje. V podstatě piezoelektrický prvek je nevýznamný zdroj proudu s velmi vysokým vnitřním odporem.

Protože odborníci Innowattech nepovažovali za nutné sdílet výsledky svého experimentu s širokou veřejností, pokusíme se provést hrubé numerické odhady efektivity práce piezoelektriky jako zdroj energie. Jako objekt pro výpočty bereme běžný domácí piezo-zapalovač - jediný produkt, který se dnes hojně používá.

Z množství technických vlastností piezoelektrických materiálů potřebujeme jen několik. Toto je hodnota piezoelektrického modulu, který pro běžné (a jiné dosud nevyrábí) piezoelektriku se pohybuje v rozmezí od 200 do 500 picocoulonů (10 až mínus 12 stupňů) na newton a charakterizuje účinnost generování náboje pod vlivem síly.

Tato vlastnost nezávisí na velikosti piezoelektrického prvku, ale je zcela určena vlastnostmi materiálu. Proto je snaha o vytvoření výkonnějších převodníků zvýšením geometrických rozměrů zbytečná. Kapacita lehčích piezoelektrických desek je známa a je asi 40 picofarad.

Pákový systém pro přenos síly na piezoelektrický prvek vytváří zatížení přibližně 1000 Newtonů. Mezera, ve které jiskra skočí, je 5 mm. Dielektrická pevnost vzduchu se měří 1 kV / mm. S takovými úvodními daty zapalovač generuje jiskry v rozsahu od 0,9 do 2,2 megawattů!

Ale nebojte se. Doba vybíjení je pouze 0,08 nanosekund, proto jsou takové obrovské hodnoty výkonu. Výpočet celkové energie generované zapalovačem dává hodnotu pouze 600 mikrojoul. V tomto případě je účinnost zapalovače, s přihlédnutím ke skutečnosti, že mechanická síla přes pákový systém je zcela přenášena na piezoelektrický, pouze ... 0,12%.

Schémata energetického využití navržená v různých projektech se blíží provozním režimům zapalovačů. Jednotlivé piezoelektrické prvky generují vysoké napětí, které prochází výbojovou mezerou, a proud teče do usměrňovače a poté do paměťového zařízení, například do ionistoru. Další přeměna energie je standardní a není žádoucí.

Přejdeme od zapalovačů k úkolu výroby energie v průmyslovém měřítku. Nechte použít nejúčinnější prvky vytvářející 10 miliwattů na prvek. Shromážděny v klastrech (skupinách) po 100-200 prvcích, jsou umístěny pod silnicí. Potom, aby se získala deklarovaná hodnota výkonu řádově 1 MW na kilometr silnice, bude zapotřebí pouze ... 100 milionů jednotlivých prvků s jednotlivými schématy odběru energie. Zůstává úkolem shrnout, transformovat a předat spotřebiteli. Současně budou proudy prvků, vzhledem k měnícímu se zatížení na vozovce, ležet v rozsahu nano nebo dokonce picoamperů.

Získáním podobných projektů k získání energie z piezoelektrického jevu lze nedobrovolně prosit analogii s vodní elektrárnou, ve které turbíny pracují z vlhkosti ranní rosy, pečlivě shromážděné z okolních polí.

Ale co experiment s izraelskou společností? Zpráva o výsledcích „demolice“ na dálnici se neobjevila. Před realizací smlouvy o energii z dálnice Benátky-Terst, kterou podepsala Innowattech.

Existuje o tom jedna verze: je to společnost začínajícího typu, tj. vysoce rizikový investiční kapitál. Po obdržení více než skromných předběžných výsledků výzkumných pracovníků se jejich zakladatelé rozhodli ospravedlnit peníze investované a investované do vynikajícího marketingového kroku - provedli účinný test za účasti tisku. A celý svět začal mluvit o malé společnosti. A v tomto hluku byla hlavní otázka ztracena: kde jsou megawatty levné energie?

Souhrnně lze shrnout pouze jeden závěr: piezoelektrické prvky se nikdy nestanou alternativní zdroje elektřiny v průmyslovém měřítku. Rozsah jejich aplikací bude omezen na zdroje energie a senzory s nízkým výkonem (mikropower). Jaká škoda, takový krásný nápad!