Пиезогенераторите са нови източници на електроенергия. Фантазия или реалност?

Тънък пиезоелектричен филм на прозореца, който абсорбира уличния шум и го превръща в енергия за зареждане на телефона. Пешеходци по тротоарите, метро ескалатори, които зареждат автономни осветителни батерии чрез пиезо преобразуватели. Гъсти потоци от автомобили по натоварени пътища, генериращи мегавати електроенергия, което е достатъчно за цели градове.

Научна фантастика? За съжаление засега да, и това може да остане. Има голяма вероятност шумът около сензационните съобщения за прекрасни перспективи скоро да приключи генератори на пиезоелектрическа енергия, И отново ще мечтаем за безопасна, възобновяема и, честно казано, евтина електрическа енергия, получена с участието на други явления. В крайна сметка списъкът на физическите ефекти е забележително дълъг.

Явлението пиезоелектричност е открит от братята Джексън и Пиер Кюри през 1880 г. и оттогава е широко разпространен в радиотехниката и технологиите за измерване. Той се състои във факта, че силата, приложена към пробата от пиезоелектричния материал, води до появата на потенциални разлики върху електродите. Ефектът е обратим, т.е. наблюдава се и обратното явление: прилагайки напрежение към електродите, пробата се деформира.

В зависимост от посоката на преобразуване на енергия пиезоелектриците се делят на генератори (директно преобразуване) и двигатели (обратни), Терминът „пиезоелектрически генератори“ не характеризира ефективността на преобразуване, а само посоката на преобразуване на енергия.

а именно първото явление, свързано с производството на електричество при механично натоварванеПрез последните години инженерите и изобретателите започнаха да проявяват интерес. Сякаш от рог на изобилието се разпространяваха съобщения за възможностите за получаване на електрическа енергия, използване на уличен шум, движение на вълни и вятър и натоварвания от движението на хора и автомобили.

Днес са известни няколко примера за практическото използване на такава енергия. На метростанцията Marunuchi в Токио в билетната зала са инсталирани пиезоелектрически генератори. Натрупването на пътници е достатъчно за управление на турникетите.

В Лондон, в елитна дискотека, пиезоелектрическите генератори захранват няколко лампи, които стимулират танцуването и ... продажбата на безалкохолни напитки. Пиезоелектрическите запалки са станали нещо обичайно. Сега всеки пушач носи собствената си „електроцентрала“ в джоба си.

Сравнително наскоро световната общност взриви съобщение за тестване на системи за генериране на енергия от движещи се превозни средства. Израелски учени от малка фирма Innowattech изчисли това 1 километър от автобан може да генерира електрическа мощност до 5 MW. Те не само извършиха изчисленията, но и разкриха няколко десетки метра от магистралата и монтираха под нея своите пиезоелектрически генератори. Изглежда, че най-накрая дойде пробив в областта на алтернативната енергия. Но това поражда сериозни съмнения.

Нека разгледаме по-подробно физиката на процесите, протичащи в пиезоелектрика. За да се запознаете с принципите на производство на енергия от пиезоелектрични материали, е достатъчно разбиране на няколко основни механизма. Когато механично действа пиезоелектрическият елемент, атомите се изместват в асиметричната кристална решетка на материала. Това изместване води до появата на електрическо поле, което индуцира (индуцира) заряди върху електродите на пиезоелектрическия елемент.

За разлика от конвенционалния кондензатор, чиито плочи могат да спестят заряди за дълго време, индуцираните заряди на пиезоелектрическия елемент се запазват само докато действа механичното натоварване. Именно в този момент може да се получи енергия от стихията. След отстраняване на товара индуцираните заряди изчезват. В действителност, пиезоелектрическият елемент е незначителен източник на ток с много високо вътрешно съпротивление.

Тъй като специалистите на Innowattech не сметнаха за необходимо да споделят резултатите от експеримента си с широката публика, ще се опитаме да направим груби числени оценки на ефективността на работата на пиезоелектриците като източник на енергия, Като обект за изчисления ние вземаме обикновена битова пиезо-запалка - единственият продукт, който сега се използва широко.

От изобилието на техническите характеристики на пиезоелектрическите материали ни трябват само няколко. Това е стойността на пиезоелектрическия модул, който за обикновените (а други все още не освобождават индустрията) пиезоелектрици варира от 200 до 500 пикокулона (10 до минус 12 градуса) на нютон и характеризира ефективността на генериране на заряд под въздействието на сила.

Тази характеристика не зависи от размера на пиезоелектрическия елемент, а се определя напълно от свойствата на материала. Следователно опитите да се правят по-мощни преобразуватели чрез увеличаване на геометричните размери е безсмислено. Капацитетът на по-леките пиезоелектрични плочи е известен и е около 40 пикофарада.

Лостовата система за предаване на сила към пиезоелектрическия елемент създава натоварване от приблизително 1000 нютона. Пропастта, в която искрата скача, е 5 мм. Диелектричната якост на въздуха се приема 1 kV / mm. С такива първоначални данни запалка генерира искри с мощност от 0,9 до 2,2 мегавата!

Но не се плашете. Продължителността на разреждането е само 0,08 наносекунди, оттук и такива огромни стойности на мощността. Изчисляването на общата енергия, генерирана от запалката, дава стойност само 600 микро джоула. В този случай ефективността на запалката, като се вземе предвид фактът, че механичната сила през лостовата система се предава изцяло към пиезоелектрика, е само ... 0,12%.

Схемите за възстановяване на енергия, предложени в различни проекти, са близки до режимите на работа на запалките. Отделни пиезоелектрически елементи генерират високо напрежение, което пробива празнината на разряда и токът тече към токоизправителя, а след това към устройството за съхранение, например, йонистор. По-нататъшното преобразуване на енергия е стандартно и не представлява интерес.

Да преминем от запалки към задачата да генерира енергия в индустриален мащаб. Нека се използват най-ефективните елементи, генериращи 10 миливата на елемент. Събрани в групи (групи) от 100-200 елемента, те се поставят под пътното платно. Тогава, за да се получи обявената стойност на мощността от порядъка на 1 MW на километър от пътя, ще бъдат необходими само ... 100 милиона отделни елемента с индивидуални схеми за отстраняване на енергия. Остава задачата да ги обобщи, преобразува и предаде на потребителя. В този случай токовете на елементите, предвид променящото се натоварване на пътното платно, ще лежат в обхвата на нано или дори пикоампери.

Придобивайки подобни проекти за получаване на енергия от пиезоелектричния ефект, човек може неволно да проси аналогията с водноелектрическа централа, в която турбините работят от влагата на сутрешната роса, внимателно събрана от околните полета.

Но какво ще кажете за експеримента на израелската компания? Докладът за резултатите от „разтърсването“ на магистралата не се появи. Но преди изпълнението на договора за енергия за магистрала Венеция-Триест, който Innowattech подписа.

Има една версия за това: това е стартираща компания, т.е. високорисков инвестиционен капитал. След като получиха повече от скромни предварителни резултати от изследователите, неговите основатели решиха да оправдаят вложените пари и инвестираха в отличен маркетингов ход - те проведоха ефективен тест с участието на пресата. И целият свят започна да говори за малка компания. И в този шум се изгуби основният въпрос: къде са мегавата евтина енергия?

Обобщавайки, може да се направи само едно заключение: пиезоелектрическите елементи никога няма да станат алтернативни източници на електроенергия в индустриален мащаб. Обхватът на техните приложения ще бъде ограничен до източници на енергия и сензори с ниска мощност. Каква жалка, толкова красива идея!