Pjezoģeneratori ir jauni elektroenerģijas avoti. Fantāzija vai realitāte?

Plāna pjezoelektriska plēve uz loga rūts, kas absorbē ielas troksni un pārveido to enerģijā, lai uzlādētu tālruni. Gājēji uz ietvēm, metro eskalatori, kas caur pjezo devējiem uzlādē autonomas apgaismojuma baterijas. Blīvas automašīnu plūsmas uz noslogotiem ceļiem rada megavatus elektroenerģijas, kas ir pietiekams visām pilsētām.

Zinātniskā fantastika? Diemžēl pagaidām jā, un tas tā var palikt. Pastāv liela varbūtība, ka hype ap sensacionāliem ziņojumiem par brīnišķīgām izredzēm drīz beigsies pjezoelektriskie enerģijas ģeneratori. Un mēs atkal sapņosim par drošu, atjaunojamu un, godīgi sakot, lētu elektroenerģiju, kas saņemta, iesaistot citas parādības. Galu galā fizisko seku saraksts ir ļoti garš.

Pjezoelektrības fenomens to atklāja brāļi Džeksons un Pjērs Kirī 1880. gadā, un kopš tā laika tā ir kļuvusi plaši izplatīta radiotehnikā un mērīšanas tehnoloģijās. Tas sastāv no tā, ka pjezoelektriskā materiāla paraugam pieliktais spēks noved pie potenciālo atšķirību parādīšanās uz elektrodiem. Efekts ir atgriezenisks, t.i. tiek novērota arī pretēja parādība: pieliekot elektrodiem spriegumu, paraugs tiek deformēts.

Atkarībā no enerģijas pārveidošanas virziena pjezoelektriķi tiek sadalīti ģeneratoros (tieša konversija) un motoros (apgriezti). Apzīmējums “pjezoelektriskie ģeneratori” neraksturo pārveidošanas efektivitāti, bet tikai enerģijas pārveidošanas virzienu.

Tieši tā pirmā parādība, kas saistīta ar elektrības ražošanu mehāniskā spriegumā, pēdējos gados inženieri un izgudrotāji ir ieinteresēti. It kā no rudzupupes izplatījās ziņojumi par elektrības ģenerēšanas iespējām, izmantojot ielu troksni, viļņu un vēja kustību, kā arī cilvēku un automašīnu kustības radītās kravas.

Mūsdienās ir zināmi vairāki šādas enerģijas praktiskas izmantošanas piemēri. Marunuchi metro stacijā Tokijā biļešu telpā ir uzstādīti pjezoelektriskie ģeneratori. Lai kontrolētu turniketu, pietiek ar pasažieru uzkrāšanos.

Londonā elites diskotēkā pjezoelektriskie ģeneratori baro vairākas lampas, kas stimulē dejošanu un ... bezalkoholisko dzērienu tirdzniecību. Pjezoelektriskās šķiltavas ir kļuvušas par parastu. Tagad jebkurš smēķētājs kabatā nēsā pats savu “spēkstaciju”.

Salīdzinoši nesen pasaules sabiedrība parādīja ziņojumu par testēšanas sistēmām enerģijas iegūšanai no kustīgiem transportlīdzekļiem. Izraēlas zinātnieki no nelielas firmas Innowattech aprēķināja, ka 1 kilometrs automaģistrāles var radīt elektrisko jaudu līdz 5 MW. Viņi ne tikai veica aprēķinus, bet arī atklāja vairākus desmitus metru lielceļa un zem tā uzstādīja savus pjezoelektriskos ģeneratorus. Likās, ka beidzot ir sasniegts sasniegums alternatīvās enerģijas jomā. Bet tas rada nopietnas šaubas.

Ļaujiet mums sīkāk apsvērt to procesu fiziku, kas notiek pjezoelektriskos. Lai iepazītos ar pjezoelektrisko materiālu enerģijas ģenerēšanas principiem, pietiek ar vairāku pamatmehānismu izpratni. Mehāniski iedarbojoties uz pjezoelektrisko elementu, atomi tiek pārvietoti materiāla asimetriskajā kristāla režģī. Šis pārvietojums noved pie elektriskā lauka parādīšanās, kas inducē (inducē) lādiņus uz pjezoelektriskā elementa elektrodiem.

Atšķirībā no parastā kondensatora, kura plāksnes ilgstoši var ietaupīt lādiņus, pjezoelektriskā elementa radītie lādiņi tiek saglabāti tikai tik ilgi, kamēr darbojas mehāniskā slodze. Tieši šajā laikā no elementa var iegūt enerģiju. Pēc kravas noņemšanas ierosinātie lādiņi pazūd. Būtībā pjezoelektriskais elements ir nenozīmīgs strāvas avots ar ļoti lielu iekšējo pretestību.

Tā kā Innowattech speciālisti neuzskatīja par nepieciešamu dalīties ar eksperimenta rezultātiem ar plašu sabiedrību, mēs centīsimies veikt aptuvenus skaitliskus aprēķinus par pjezoelektriķu darba efektivitāti, jo enerģijas avots. Kā aprēķinu objektu mēs ņemam parasto sadzīves pjezo šķiltavu - vienīgo produktu, ko tagad plaši izmanto.

No pjezoelektrisko materiālu tehnisko parametru pārpilnības mums ir nepieciešami tikai daži. Šī ir pjezoelektriskā moduļa vērtība, kas parastajam (un citi vēl neatbrīvo rūpniecību) pjezoelektriķiem svārstās no 200 līdz 500 pikokuloniem (no 10 līdz mīnus 12 grādiem) uz ūtonu un raksturo lādiņa ģenerēšanas efektivitāti spēka ietekmē.

Šis raksturlielums nav atkarīgs no pjezoelementa lieluma, bet to pilnīgi nosaka materiāla īpašības. Tāpēc mēģināt padarīt jaudīgākus pārveidotājus, palielinot ģeometriskos izmērus, ir bezjēdzīgi. Vieglāku pjezoelektrisko plākšņu ietilpība ir zināma un ir aptuveni 40 pikofaradu.

Sviru sistēma spēka pārvadei uz pjezoelektrisko elementu rada slodzi aptuveni 1000 ņūtonos. Sprauga, kurā dzirkstele lec, ir 5 mm. Gaisa dielektrisko stiprumu ņem par 1 kV / mm. Ar šādiem sākotnējiem datiem šķiltavas rada dzirksteles ar jaudu no 0,9 līdz 2,2 megavatiem!

Bet nebaidieties. Izlādes ilgums ir tikai 0,08 nanosekundi, tāpēc šādas milzīgas jaudas vērtības. Šķiltavas ģenerētās kopējās enerģijas aprēķins dod vērtību tikai 600 mikrodžoulu. Šajā gadījumā šķiltavas efektivitāte, ņemot vērā faktu, ka mehāniskais spēks caur sviras sistēmu tiek pilnībā pārnests uz pjezoelektrisko, ir tikai ... 0,12%.

Dažādos projektos ierosinātās enerģijas reģenerācijas shēmas ir tuvu šķiltavu darbības režīmiem. Atsevišķi pjezoelektriski elementi rada augstu spriegumu, kas izlaužas caur izlādes spraugu, un strāva plūst uz taisngriezi un pēc tam uz glabāšanas ierīci, piemēram, jonistoru. Turpmāka enerģijas pārveide ir standarta un neinteresē.

Pārejam no šķiltavām uz uzdevumu ģenerēt enerģiju rūpnieciskā mērogā. Ļaujiet izmantot visefektīvākos elementus, kas vienā elementā rada 10 milvatu jaudu. Apkopoti klasteros (grupās) pa 100-200 elementiem, tie tiek novietoti zem ceļa gultnes. Tad, lai iegūtu deklarēto jaudas vērtību aptuveni 1 MW uz ceļa kilometru, būs nepieciešami tikai ... 100 miljoni atsevišķu elementu ar individuālām enerģijas noņemšanas shēmām. Atliek uzdevums to apkopot, pārveidot un nodot patērētājam. Tajā pašā laikā elementu straumes, ņemot vērā mainīgo slodzi uz celiņa, atradīsies nano vai pat pikoamperi diapazonā.

Apgūstot līdzīgus projektus, lai iegūtu enerģiju no pjezoelektriskā efekta, var netīši lūgt analoģiju ar hidroelektrostaciju, kurā turbīnas darbojas no rīta rasas mitruma, uzmanīgi savācot no apkārtējiem laukiem.

Bet kā ir ar Izraēlas uzņēmuma eksperimentu? Ziņojums par "sagraušanas" rezultātiem uz šosejas netika parādīts. Bet pirms tika noslēgts līgums par enerģiju no automaģistrāles Venēcija-Trieste, kuru parakstīja Innowattech.

Par to ir viena versija: tas ir starta tipa uzņēmums, t.i. augsta riska ieguldījumu kapitāls. Saņēmuši vairāk nekā pieticīgus pētnieku provizoriskos rezultātus, tā dibinātāji nolēma attaisnot investoru iztērēto naudu un izrādījās lielisks mārketinga solis - viņi veica efektīvu pārbaudi ar preses piedalīšanos. Un visa pasaule sāka runāt par mazu uzņēmumu. Un šajā troksnī tika zaudēts galvenais jautājums: kur ir lētas enerģijas megavati?

Apkopojot var izdarīt tikai vienu secinājumu: pjezoelektriski elementi nekad nekļūs alternatīvi elektroenerģijas avoti rūpnieciskā mērogā. To pielietojums tiks ierobežots ar mazjaudas (mikro jaudas) enerģijas avotiem un sensoriem. Cik žēl, tik skaista ideja!