Les piézogénérateurs sont de nouvelles sources d'électricité. Fantaisie ou réalité?

Un mince film piézoélectrique sur une vitre qui absorbe le bruit de la rue et le convertit en énergie pour charger le téléphone. Des piétons sur les trottoirs, des escaliers mécaniques de métro qui chargent des batteries d'éclairage autonomes via des transducteurs piézo. Des flux de voitures denses sur des routes très fréquentées, générant des mégawatts d'électricité, ce qui est suffisant pour des villes entières.

Science-fiction? Malheureusement, pour l'instant, oui, et cela peut rester. Il y a une forte probabilité que le battage médiatique autour de messages sensationnels sur de merveilleuses perspectives se termine bientôt générateurs d'énergie piézoélectrique. Et nous rêverons à nouveau d'une énergie électrique sûre, renouvelable et, pour être honnête, bon marché reçue avec la participation d'autres phénomènes. Après tout, la liste des effets physiques est remarquablement longue.

Le phénomène de la piézoélectricité a été découvert par les frères Jackson et Pierre Curie en 1880 et s'est depuis répandu dans l'ingénierie radio et la technologie de mesure. Elle consiste dans le fait que la force appliquée à l'échantillon d'un matériau piézoélectrique conduit à l'apparition d'une différence de potentiel sur les électrodes. L'effet est réversible, c'est-à-dire on observe également le phénomène inverse: en appliquant une tension aux électrodes, l'échantillon se déforme.

Selon le sens de la conversion d'énergie les piézoélectriques sont divisés en générateurs (conversion directe) et moteurs (inverses). Le terme «générateurs piézoélectriques» ne caractérise pas l'efficacité de conversion, mais seulement le sens de la conversion d'énergie.

Exactement le premier phénomène associé à la génération d'électricité sous contrainte mécanique, ces dernières années, les ingénieurs et les inventeurs se sont intéressés. À partir d'une corne d'abondance, il a été fait état de la possibilité d'obtenir de l'énergie électrique, en utilisant le bruit de la rue, le mouvement des vagues et du vent, et les charges dues au mouvement des personnes et des voitures.

Aujourd'hui, plusieurs exemples d'utilisation pratique d'une telle énergie sont connus. Dans la station de métro Marunuchi à Tokyo, des générateurs piézoélectriques sont installés dans la billetterie. L'accumulation de passagers suffit pour contrôler les tourniquets.

A Londres, dans une discothèque d'élite, des générateurs piézoélectriques alimentent plusieurs lampes qui stimulent la danse et ... la vente de boissons gazeuses. Les briquets piézoélectriques sont devenus monnaie courante. Désormais, tout fumeur porte sa propre "centrale électrique" dans sa poche.

Relativement récemment, la communauté mondiale a fait exploser un message concernant les tests de systèmes de génération d'énergie à partir de véhicules en mouvement. Scientifiques israéliens d'une petite entreprise Innowattech calculé que 1 kilomètre d'autoroute peut générer de l'énergie électrique jusqu'à 5 MW. Ils ont non seulement effectué les calculs, mais aussi découvert plusieurs dizaines de mètres de l'autoroute et monté leurs générateurs piézoélectriques en dessous. Il semblait que finalement une percée était survenue dans le domaine des énergies alternatives. Mais cela soulève de sérieux doutes.

Examinons plus en détail la physique des processus se produisant en piézoélectrique. Pour se familiariser avec les principes de génération d'énergie par les matériaux piézoélectriques, une compréhension de plusieurs mécanismes de base est suffisante. Lors d'une action mécanique sur l'élément piézoélectrique, les atomes se déplacent dans le réseau cristallin asymétrique du matériau. Ce déplacement conduit à l'apparition d'un champ électrique, qui induit (induit) des charges sur les électrodes de l'élément piézoélectrique.

Contrairement à un condensateur conventionnel, dont les plaques peuvent économiser des charges pendant longtemps, les charges induites de l'élément piézoélectrique ne sont conservées que tant que la charge mécanique agit. C'est à ce moment que l'énergie peut être obtenue à partir de l'élément. Après le retrait de la charge, les charges induites disparaissent. Essentiellement l'élément piézoélectrique est une source de courant insignifiante avec une résistance interne très élevée.

Comme les spécialistes d'Innowattech n'ont pas jugé nécessaire de partager les résultats de leur expérience avec le grand public, nous allons essayer de faire des estimations numériques approximatives de l'efficacité du travail de la piézoélectrique comme source d'énergie. Comme objet de calcul, nous prenons un briquet piézo-électrique ordinaire - le seul produit qui est maintenant largement utilisé.

De l'abondance des caractéristiques techniques des matériaux piézoélectriques, nous n'avons besoin que de quelques-uns. C'est la valeur du module piézoélectrique, qui pour les piézoélectriques communs (et d'autres n'en produisent pas encore) varie de 200 à 500 picocoulons (10 à moins 12 degrés) par newton, et caractérise l'efficacité de la génération de charges sous l'influence de la force.

Cette caractéristique ne dépend pas de la taille de l'élément piézoélectrique, mais est complètement déterminée par les propriétés du matériau. Par conséquent, essayer de fabriquer des convertisseurs plus puissants en augmentant les dimensions géométriques est inutile. La capacité des plaques piézoélectriques plus légères est connue et est d'environ 40 picofarads.

Le système de levier pour transmettre la force à l'élément piézoélectrique crée une charge d'environ 1000 Newtons. L'intervalle dans lequel l'étincelle saute est de 5 mm. La rigidité diélectrique de l'air est prise à 1 kV / mm. Avec de telles données initiales un briquet génère des étincelles allant de 0,9 à 2,2 mégawatts!

Mais n'ayez pas peur. La durée de décharge n'est que de 0,08 nanosecondes, d'où ces énormes valeurs de puissance. Le calcul de l'énergie totale générée par le briquet donne une valeur de seulement 600 microjoules. Dans ce cas, l'efficacité du briquet, compte tenu du fait que la force mécanique à travers le système de levier est entièrement transmise au piézoélectrique, n'est que de ... 0,12%.

Les schémas de récupération d'énergie proposés dans divers projets sont proches des modes de fonctionnement des briquets. Les éléments piézoélectriques individuels génèrent une tension élevée qui traverse l'intervalle de décharge, et le courant circule vers le redresseur, puis vers le dispositif de stockage, par exemple, un ionistor. La conversion d'énergie supplémentaire est standard et sans intérêt.

Passons des briquets à la tâche de générer de l'énergie à l'échelle industrielle. Utilisez les éléments les plus efficaces générant 10 milliwatts par élément. Recueillis en grappes (groupes) de 100-200 éléments, ils sont placés sous la chaussée. Ensuite, pour obtenir la valeur de puissance déclarée de l'ordre de 1 MW par kilomètre de route, seuls ... 100 millions d'éléments individuels avec des schémas individuels d'évacuation d'énergie seront nécessaires. Reste à résumer, à transformer et à transmettre au consommateur. Dans le même temps, les courants des éléments, compte tenu de l'évolution de la charge sur la chaussée, se situeront dans la gamme des nano, voire des picoampères.

Connaissant des projets similaires pour obtenir l'énergie de l'effet piézoélectrique, on peut involontairement demander une analogie avec une centrale hydroélectrique, dans laquelle les turbines fonctionnent à partir de l'humidité de la rosée du matin, soigneusement collectées dans les champs environnants.

Mais qu'en est-il de l'expérience de la société israélienne? Le rapport sur les résultats du "naufrage" sur l'autoroute n'est pas apparu. Mais avant la mise en œuvre du contrat d'énergie de l'autoroute Venise-Trieste, signé par Innowattech.

Il existe une version à ce sujet: il s'agit d'une entreprise de type startup, c'est-à-dire capital d'investissement à haut risque. Ayant reçu des résultats préliminaires plus que modestes des chercheurs, ses fondateurs ont décidé de justifier l'argent investi et ont investi dans une excellente démarche marketing - ils ont réalisé un test efficace avec la participation de la presse. Et le monde entier a commencé à parler d'une petite entreprise. Et dans ce bruit, la question principale s'est perdue: où sont les mégawatts d'énergie bon marché?

En résumé, une seule conclusion peut être tirée: les éléments piézoélectriques ne deviendront jamais sources alternatives d'électricité à l'échelle industrielle. La portée de leurs applications sera limitée aux sources d'énergie et aux capteurs de faible puissance (micropuissance). Quel dommage, une si belle idée!